大型机电设备电气参数监测与故障诊断装置

摘  要： 提出采用实时在线监测电气参数方法，并结合物联网、WIFI无线通信、VC编程与数据库管理等多种技术，研制出物联大型机电设备电气参数实时检测与故障动态诊断装置，以实现机电设备电气参数的实时在线监测、故障动态诊断、预警以及设备与故障诊断中心间的双向无线操作。实践表明，本装置能有效避免故障发生，减少故障停机损失，并为“预知维修”提供技术保障。
关键词：电气参数；故障动态诊断；大型机电设备；物联网；WIFI；预知维修
       作为企业生产重要工具的机电设备正向大型化、自动化、机电一体化等方面发展，其性能与复杂程度不断提高，各部件之间的相互关联、耦合度也越来越密切。如果设备出现的微小故障不能及时被检测、排除，将有可能造成设备失效，乃至整个生产线瘫痪，甚至导致重大的灾难性后果[1-2]。因此，各生产企业迫切需要一套监测、诊断装置，对大型机电设备的运行参数进行监测、诊断，及早发现设备异常征兆与劣化信息,并找出故障的确切原因,及时提示工作人员采取正确的操作处理，从而有效避免故障发生，减少故障停机时间和停机损失[1-3]。
      目前大型机电设备的运行参数监测仪通常采用动态监测技术，即侦测其机械振动、温度、压力等运行参数。由于机电设备运行时存在谐波共振、自激振动、混沌振动与分叉现象，采用振动监测难以对异常征兆作出精确判断[4]。而金属温度变化具有滞后性，采用温度监测也难以实时监测[2]。机电设备的压力具有非线性、时变性与非平稳性的特点，采用压力监测也同样难以实现故障的精确判定[4]。为此，本文提出采用监测电气参数技术，即采用专业的三相电能计量芯片，对大型机电设备的电气参数实施在线监测。将所监测的电气参数进行处理、分析，再与标准值比较。最终根据其结果及变化趋势，及时得出异常征兆信息[4]，并实施相应的控制与预警操作，避免故障与事故发生。
1 系统结构设计及工作原理
     物联大型机电设备电气参数实时监测与故障动态诊断装置由多个电气参数监控仪与故障动态诊断中心构成。为了确保监控仪与故障动态诊断中心间的通信质量以及便于工程施工，采用WIFI无线通信方式，如图1所示。电气参数监控仪的功能是实时监测、显示机电设备的电气参数，并进行故障动态诊断，实行相关控制与预警操作。同时，将电气参数无线传送到远端服务器，由故障动态诊断中心读取数据。此外，可接收远端服务器发来的控制指令，进行相关处理。电气参数监控仪由电气参数采集、嵌入式微处理器、实时时钟、LCD显示、WIFI无线通信与控制等模块构成，如图2所示。
   
       故障动态诊断中心的功能为读取服务器上各个电气参数监控仪的电气参数，并进行处理、存储以及故障动态诊断、预警。同时，可对相关电气参数监控仪进行远程控制。因此，故障动态诊断中心为基于服务器的电气参数管理软件，由VC、数据库实现。
2 主要电路设计
2.1 电气参数监测电路设计
      电气参数监测是电气参数监控仪的重要组成部分，采用高精度三相电能计量芯片ATT7022D。该芯片由7路二阶sigma-delta ADC模拟信号采样、DSP、脉冲生成、SPI通信接口、时钟控制电路单元等单元构成[5]。
      ATT7022D监测机电设备的电气参数，包括A、B、C各分相与合相的电流、电压、功率、电能以及功率因数、线频等参数。微处理器通过SPI接口读取该芯片的寄存器进行运算处理，便可获得实际电气参数值。其电路设计如图3所示，图中只给出了A相接法，而B、C相接法与A相完全相同。
   
   2.2 WIFI通信电路设计
      WIFI无线通信采用WIFI-03A模块，其内置无线网络IEEE802.11协议栈、TCP/IP协议栈与WEB服务器，通过UART接口实现用户数据到无线网络之间的交换[6]。
     WIFI-03A支持透明数据传输模式,支持AT指令集，支持DHCP协议动态IP地址分配和DNS域名解析功能。微处理器通过串口对该模块操作，其电路设计如图4左上方所示。
   
   2.3 微处理器电路设计
　 微处理器采用低功耗16 bit嵌入式RISC结构的MSP430F2616芯片，集成了硬件乘法器、6路12 bit ADC转换器、2路12 bit DAC转换器、16 bit 定时/计数器和4路通用串接口,存储容量为92 KB 的Flash ROM与4 KB的RAM[7]，其电路设计如图4右方所示。
2.4 实时时钟电路设计
　 为了确保电气参数采集的实时性，采用SD2058作为系统的实时时钟。该芯片具有标准I2C串口与后备电池切换功能，微处理器通过该接口读取时钟寄存器(包括年、月、日、星期、时、分、秒等信息)[8]，其电路设计如图4左下方所示。
3 软件程序设计
3.1电气参数采集子程序
     微处理器从ATT7022D的电气参数寄存器中读取24 bit电气参数，经相关运算处理后，得到实际的监测值。然后再与标准计量仪器的计量值进行比对、修正，最后得出实际的电气参数值。最后实测值与设备规定的标准值进行比较以实现故障动态诊断。读取A相有功功率的例程如下：
     w_7022spi(0x01);         
     i=shu1*123456+shu2*128+shu3;
     i/=250;
     i*=242;
     u[3]=i/1000000+'0';
     u[4]=i/100000%10+'0';
     u[5]=i/10000%10+'0';
3.2 WIFI无线通信子程序
     微处理器通过UART接口发送AT指令，以实现对WIFI模块读写操作。在操作之前必须对WIFI模块进行相关配置，否则操作无效。下面是微处理器发送AT指令的例程：
     int ATCmdSend(TATCP_CMD  ATCmd)
     {  unsigned char AtCmdbuf[512];
            int ret=0;
            AtCmd_Cheek();
            strcpy(AtCmdbuf, “AT+”);
            strcat(AtCmdbuf,AtCmd->Cmdbuf);
            ReciveAtCmdrep=0;
            ComSendstr(AtCmdbuf);
            ……
     }
4 系统测试结果
4.1 电气参数监测仪测试