大型电机远程实时监测系统的设计

王光涛

(华北科技学院，北京东燕郊 101601)

大型电机远程实时监测系统的设计

王光涛

(华北科技学院，北京东燕郊 101601)

针对工业现场大型电机运行状态的实时监测，设计出了一种以AVR单片机为控制核心的监测系统。系统主要分为监测模块部分和上位机监测部分。监测模块部分以微处理器为核心，对大型电机运行状态的电量参数以及温度进行采集，并将信息上传给上位机。上位机可对现场监测节点进行数据显示。介绍了各主要部分电路以及系统软件。系统结构设计简单，可靠性强，具有良好的工业应用价值。

电机;监测;AVR;单片机

0 引言

现在工业设备正朝着规模化、高效率、大型化的方向发展。电机已是当今生产活动中最主要的原动力和驱动装置。部分工业设备的电机已经形成了功率高、体积大，价格昂贵等趋势。大型电机(例如500hp以上，1hp=745.7W)一旦出现故障，将给企业带来巨大的经济损失。为保证大型电机设备的安全运行及维护管理，有必要对大型电机进行实时监测。因此，设计了一种结构简单、实时性好的分布式的大型电机远程监测系统。

1 系统结构设计

系统的整体结构框图如图1所示，生产现场的电机监测模块系统与监测中心的上位机相连接，实现了对大型电机的集中管理和远程监测。大型电机运行时，监测中心通过监测电机的运行情况，包括电机运行时的电量、温度以及故障参数，当电机发生异常时，监测装置现场报警提醒工作人员进行相应处理，并产生实时数据报表供技术人员参考，进行数据分析。

图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

电机现场监测模块硬件原理框图如图2所示，整个设计以AVR单片机为控制核心，结合周围的测量电路、显示电路、控制电路、串口通信电路以及CDMA模块共同构成了监测模块硬件系统。当电动机在运行过程中因为负载、电网及电动机本身等因素常出现各种故障，例如过载、缺相、三相不平衡、接地、失速、堵转、欠载等［1］，电机发生故障时首先体现在其工作电流上。所以电流是大型电机运行的一个重要监测参数。此外，电压和温度也是监测的重要参数，监测方式类似。以电流为例，首先用电流霍尔感器对电机的电流进行采样，再经过信号调理电路将采样信号转换为单片机的片内集成的ADC数模转换器所能处理的范围之内，最后在软件程序内利用相关算法计算出各相的电流有效值，即可完成对电流参数的监测。其中CDMA模块是基于CDMA平台的通信模块，它将通信芯片、存储芯片等集成在一块电路板上，使其具有发送通过CDMA平台数据传输等功能。AVR单片机可以通过RS232串口与CDMA模块相连，通过AT指令控制模块实现数据通信功能，它内置了TCP/IP通信协议栈，用以达到远程通信的功能目标。

图2 监测模块硬件原理框图

2.1 处理器的选择

控制核心采用高性能 AVR单片机 ATxmega64A3进行控制。ATxmega64A3是一款高性能、资源丰富的8位单片机，使用的是RISC指令系统，采用的是哈佛结构，拥有64K的FLASH、2KB的EEPROM、4K的SRAM、50个I/O口、8个16位的定时器、4个模拟比较器等性能参数，其指令执行速度快、I/O口的驱动能力较强，十分适合于便携式仪表的开发。

除此之外，针对于本设计，ATxmega64A3还具备了以下特点:

(1)超低功耗的picoPowerTM技术。在激活和睡眠模式下，在不降低性能的前提下降低功耗。在维持RAM和寄存器内容的掉电模式下，电流消耗为100nA，时钟功耗仅为650nA。

(2)创新的事件系统(event system)。可在不使用CPU或者DMA资源的情况下完成外设之间的通信，可确保获得可以预计的和快速的响应。

(3)高速12位ADC。模/数转换器具有12位分辨率，采样率高达每秒200万次。该转换器具有可编程增益集、差分输入、温度传感器，以及内部精确的内部电压参考。

所以综合而言，相比较传统的单片机，ATxmega64A3具有明显的精度优势。而且可以双极性测量，这将大大减少电量测量电路的复杂性。

2.2 测温电路设计

本设计采用的电阻式温度传感器(RTD，Resistance Temperature Detector)，是指一种物质材料做成的电阻，它会随温度的改变而改变电阻值。PT100温度传感器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温湿度传感器，属于正电阻系数，其电阻阻值与温度的关系可以近似于下式所示:

在0～650℃范围内:Rt=R0(1+At+Bt2)

式中R0、A、B为常数，R0=100;A=3.96847 *10－3;B=－5.847*10－7;

PT100是电阻式温度传感器，作为温度传感器来采集大型电机的温度信息。测温的本质其实是测量传感器的电阻，将电阻的变化转换成电压模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，然后由微处理器算出相应温度。所以设计出了一个恒流源，让电流通过 PT100热电阻，然后检测PT100上的电压变化来换算出温度。电路图如图3所示:

图3 测温电路图

由三运放构成的可调电流源电路，输出电流可以保持在适当精度的范围内。电路中R1两端压降等于输入端所加的基准电压Vref，因此输出电流等于Vref/R1。为使R1两端电压保持恒定，由差分放大器A2通过跟随器A3监测R1两端电压，经A2的输出加到A1的反相输入端，由A1将它与Vref进行比较，使得A1的输出电压增加或缩小，直至达到平衡为止，于是Vrl= Vref。跟随器A3具有很高的输入阻抗，不会给流过R1的电流带来附加的负载电流。由于控制环路的延时较长，故用C1对A3进行频率补偿，只要满足R2=R3=R4=R5，就会获得很好的性能。若要改变输出电流，可将R1换成总阻值与之相近的串联固定电阻和可变电阻，调节可变电阻可改变输出电流，从而实现了可控恒流源电路。为避免PT100负载产生的热量影响其阻值，从而带来一定误差。恒流源电流值应尽可能小，设计中采用电流值为1mA的恒流源电路。其中 PT100通过信号线与监测模块相连，紧贴在电机的外壁上。通过测量其两端电压值，即可完成对温度的测量。

2.3 电流采样、调理电路设计

对电机电量的监测选用霍尔电流传感器和霍尔电压传感器来采集三相电机的电流、电压信息。大型电机都配有的电流互感器和电压互感器，其副边输出的0～5A的交变电流和0～100V的交变电压产生交变电磁场，经聚磁环汇聚后作用于霍尔元件，同时有激励电流流过霍尔元件，从而在霍尔元件的两端产生交变的霍尔电压。因此，可以将互感器的副边电流端作为霍尔传感器的输入端口(将导线穿过霍尔元件的外形圆孔，即可解决霍尔传感器的安装位置问题)。

电机的额定电流相对于单片机来说非常大，所以电流一般需要经过若干倍数的缩小，来达到单片机控制之内的标准信号，再对此标准电流信号进行变换成电压信号，致使单片机可以正常采集电量信号。

霍尔传感器完成数据的采集，鉴于它具有工艺简单和节省成本等优点，CMOS集成霍尔磁场传感器已经被大量应用在各个领域。但是在生产过程中，由于工艺的影响器件内部留下了温度差别，而且芯片在封装时会产生应力的影响，同时它自身产生的霍尔信号很弱(通常是微伏到毫伏之间)，所以导致CMOS霍尔传感器可能会产生很高的失调电压或者低频噪声。这些不需要的干扰因素有时可能会严重到掩盖了我们所关注的需要检测的微弱霍尔信号。因此，必须采用差分放大电路来减缓电路的失调和低频噪声如图4所示。

图4 电流采样电路

3 软件设计

结构化、模块化的设计思想是软件设计的主要思路。上电后，首先对系统进行复位，然后主程序对各功能模块进行初始化设置等功能;再在主函数内调用数据采集、数据存储、周期捕捉、数据通信、数据显示等子函数。从而完成整个的软件设计。下面介绍软件设计过程中比较重要的几个问题。

3.1 电流有效值计算

电机的测量信号中，电压和电流的有效值是以其瞬时值的方均根来定义的。对电压的有效值公式进行离散化:

以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值，则电压的有效值近似表达式为:

式中，Δ Tm为两次相邻采集间隔的时间;

um为第m个采样电压的瞬时值;

N每周期采样点数。

假如两次相邻采样时间间隔相等，即Δ Tm为常数ΔT，因为，所以有:

根据电压的有效值的计算方式可以得到电流的有效值得表达式:

式中，R为采样的电阻值。

设计中，电机交流电的频率为50Hz，周期为20ms，周期采样点数 N为201次，Δ Tm为0.1 ms;采集数据整理如图5所示。经检验误差在1%以内，达到了设计要求。理论上采样次数越多精度越高(采样点数也可以在401次，甚至更多)。

图5 交流电压采样图

3.2 上位机监测软件

在监测主机安装FameView组态监控管理软件，该软件可运行于Windows7/8、XP等操作系统环境中，通过安装相应驱动、制作设备数据表和变量文件等操作，即可实现数据采集、数据库管理、预警、监测数据的图形显示、辅助生成报表和温度场可视化等功能。通过对其中的WEB选项进行有效设置，即可将显示的页面传送给另一台监测主机，从而实现远程监测的功能目的。监测效果如图6所示。

图6 监测系统的运行图

4 结论

大型电机远程实时监测系统可以对工业事故起到防患于未然的作用，进而保证企业安全生产。既可以面向电机使用客户，也可以面向电机的生产厂家，市场前景良好。基于AVR单片机设计的监测系统，具有结构简单、采集精度高、系统稳定等特点，满足了现场电机监测的要求。对于其它工业监测现场，相信也具有一定的参考意义。

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Design of remote real time monitoring system for large motor

WANG Guang－tao

(North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，101601，China)

In view of the large motor running state of real－time monitoring for industrial field，a monitoring system based on AVR microcontroller as control core is designed.Monitoring system is mainly divided into monitor module and host computer.The core of monitoring module is microprocessor.The action of monitoring module is to collect information of electricity and temperature when the motor is running，and upload the information to the host computer.The computer can display data of the monitoring node.The major part of the circuit and system software is introduced.System structure design is simple and reliable，has a good industrial application value.

motor;Monitoring;AVR;microcontrouer

TM921.41

A

1672－7169(2016)06－0050－05

2016－09－23

中央高校基本科研业务费资助(3142015142)

王光涛(1988－)，男，河北沧州人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向:安全生产自动化和信息化。E－mail: 780351283@qq.com