基于GPRS的塔吊電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)
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許景波1 孟凡玉1 焦天佑1 熊啟梅1單冬梅1 催曉萌1 劉泊1時(shí)玄宇2
（哈爾濱理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院1，黑龍江哈爾濱150080；大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠2，黑龍江大慶163511）
摘要：為了有效監(jiān)測(cè)塔吊電機(jī)工作狀態(tài)，防止事故的發(fā)生，設(shè)計(jì)了塔吊電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端。通過(guò)AIT7022芯片，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量以及過(guò)壓、過(guò)流、斷相和相序錯(cuò)誤等故障狀態(tài)檢測(cè)；采用信號(hào)發(fā)生器校準(zhǔn)的方法，完成了適于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的系統(tǒng)校準(zhǔn)；建立了GPRS永遠(yuǎn)在線機(jī)制，保障了數(shù)據(jù)的可靠傳輸和遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；通過(guò)TCP＆UDP通信軟件測(cè)試，驗(yàn)證了終端性能。整個(gè)終端對(duì)于塔吊的安全作業(yè)有著十分重要的意義，具有實(shí)用推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：塔吊電機(jī)互感器繼電器DSP遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)GPRS通信故障檢測(cè)
中圖分類(lèi)號(hào)：TH86；TP27DOI:10. 16086/j. cnki. issnl000 - 0380. 201605013
0 引言
隨著建筑工程規(guī)模的擴(kuò)大和建設(shè)速度的提高，塔式起重機(jī)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其中電機(jī)是塔機(jī)工作過(guò)程的關(guān)鍵部件，其一旦出現(xiàn)故障，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，不僅會(huì)影響施工的正常進(jìn)行，還有可能給現(xiàn)場(chǎng)施工人員的安全帶來(lái)威脅�，F(xiàn)有塔機(jī)電氣系統(tǒng)中缺乏對(duì)電機(jī)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，有些操作人員為了追求工程進(jìn)度而違規(guī)作業(yè)，使電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，又不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)故障，給施工過(guò)程帶來(lái)了安全隱患。因此，對(duì)塔吊電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變得尤為重要。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)也有一些對(duì)塔吊電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究，但幾乎沒(méi)有實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。
本文針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于GPRS的塔吊電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置。該裝置可以監(jiān)測(cè)電機(jī)的電壓、電流及功率等運(yùn)行參數(shù)，并對(duì)過(guò)壓、過(guò)流、斷相、相序錯(cuò)誤等狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)報(bào)警，設(shè)備保持永遠(yuǎn)在線，遠(yuǎn)程控制電機(jī)的啟停。當(dāng)電機(jī)在工作中出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，該裝置可以及時(shí)采取關(guān)斷措施，避免事故的發(fā)生，對(duì)于安全生產(chǎn)具有重要意義。
1 監(jiān)測(cè)終端總體設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，需要實(shí)時(shí)測(cè)量三相電機(jī)每相的工作電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率及總功率等參數(shù)。本設(shè)計(jì)采用一款高精度三相電量計(jì)量芯片ATT7022。它能夠完成上述參數(shù)測(cè)量，并能對(duì)斷相、相序錯(cuò)誤等故障進(jìn)行智能判斷，節(jié)省了單片機(jī)的資源，使單片機(jī)能夠集中處理其他任務(wù)。建筑工地現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境混亂，不易布線，所以數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)采取無(wú)線方式。GPRS是很好的選擇，它信號(hào)覆蓋范圍廣、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠。本設(shè)計(jì)采用GPRS模塊MC55i完成遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
監(jiān)測(cè)終端的硬件構(gòu)成框圖如圖1所示。以單片機(jī)STC12C5624AD作為處理器，包括GPRS無(wú)線通信模塊、ATT7022三相電量測(cè)量電路、語(yǔ)音報(bào)警電路、繼電器控制與保護(hù)電路、數(shù)碼管顯示模塊、鍵盤(pán)處理電路。ATT7022三相電量測(cè)量電路不斷地進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算，結(jié)果存儲(chǔ)于內(nèi)部寄存器，實(shí)時(shí)更新，供單片機(jī)調(diào)用讀取。GPRS通信電路實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接人，測(cè)量參數(shù)的定時(shí)上傳，以及監(jiān)控中心控制指令的接收等功能。數(shù)碼管顯示與鍵盤(pán)處理電路完成就地的人機(jī)接口功能，進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的顯示以及參數(shù)的設(shè)定。語(yǔ)音報(bào)警電路可以在緊急情況下，給塔吊操作人員以語(yǔ)音提示。繼電器控制電路可以完成電機(jī)的啟�？刂�。各部分功能由單片機(jī)統(tǒng)一調(diào)度，保證整體功能的實(shí)現(xiàn)。
2 ATT7022三相電量參數(shù)測(cè)量
ArIT7022是一款集信號(hào)采集、處理、計(jì)算于一體的高精度計(jì)量芯片，外圍電路簡(jiǎn)單，內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器；直接對(duì)轉(zhuǎn)換后的電壓、電流信號(hào)采樣，數(shù)據(jù)輸出采用SPI總線，方便與單片機(jī)進(jìn)行接口。芯片支持軟件校準(zhǔn)，使用方便，完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
2.1測(cè)量通道電路
系統(tǒng)采用互感器變換的方式，將高電壓、大電流的參量轉(zhuǎn)換為滿足ATT7022輸入要求的弱信號(hào)。正常工作時(shí)，ATT7022電壓和電流通道的最大輸入電壓為±1.5 V。當(dāng)電壓通道有效值在10 mV~1 V的范圍內(nèi)時(shí)，線性誤差小于0.1%；當(dāng)電流通道有效值在2 mV~1V的范圍內(nèi)時(shí)，線性誤差小于0.1%。若電壓超出有效值范圍，會(huì)產(chǎn)生較大的線性誤差，導(dǎo)致測(cè)量偏差較大。根據(jù)這一指標(biāo)和對(duì)應(yīng)通道的被測(cè)量范圍，選擇互感器變比，配置電路參數(shù)，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。電壓、電流采樣測(cè)量通道電路如圖2所示。
電壓采樣測(cè)量通道如圖2(a)所示。系統(tǒng)選用電流型電壓互感器，輸入電壓通過(guò)電阻R；轉(zhuǎn)換為電流；再通過(guò)1：1的變換器，在輸出端得到相同大小的電流；最后通過(guò)輸出電阻R0將電流轉(zhuǎn)換為電壓。其中，R1和C1、R2和C2分別構(gòu)成了采樣通道的抗混疊濾波器，R3和R4提供了偏置電壓。當(dāng)互感器輸入線圈內(nèi)阻R1 =100Ω 時(shí)，根據(jù)式(1)，可以得出轉(zhuǎn)換變比q u=
513，則電機(jī)的額定相電壓220 V經(jīng)測(cè)量通道轉(zhuǎn)換為0.43 V，處于ATT7022線性區(qū)中間段。
電流測(cè)量通道如圖2(b)所示。系統(tǒng)選用100 A/33 m A的電流互感器，變比q i為3 030。電機(jī)額定工作電流為30 A，考慮到對(duì)過(guò)流情況的測(cè)量，應(yīng)使其轉(zhuǎn)換后處于電流通道線性區(qū)的底端。
經(jīng)過(guò)式(2)計(jì)算，得出轉(zhuǎn)換后電壓為0.1 V，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
電壓和電流分別經(jīng)過(guò)采樣后，由內(nèi)部DSP處理器進(jìn)行均方根運(yùn)算，可以得到相應(yīng)電壓和電流的有效值，如式(3)、式(4)所示。對(duì)同相的電壓、電流乘積進(jìn)行均值運(yùn)算得到功率，如式(5)所示。對(duì)功率進(jìn)行數(shù)字序列積分可得到能量，如式(6)所示。所有參數(shù)的計(jì)算結(jié)果存于內(nèi)部的寄存器中，ATT7022不斷地進(jìn)行采集、計(jì)算、更新，并進(jìn)行斷相、相序錯(cuò)誤等故障狀態(tài)的判斷。單片機(jī)可通過(guò)SPI接口讀取這些參數(shù)和故障狀態(tài)標(biāo)志，方便應(yīng)用。
2.2系統(tǒng)校準(zhǔn)
ATT7022本身具有校準(zhǔn)功能，內(nèi)部設(shè)有校準(zhǔn)寄存器。通過(guò)設(shè)置這些寄存器，可以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過(guò)程中需要標(biāo)準(zhǔn)表讀出實(shí)際值，然后與測(cè)量值進(jìn)行比較，按芯片手冊(cè)計(jì)算校準(zhǔn)參數(shù)。這個(gè)過(guò)程需要標(biāo)準(zhǔn)電壓表、電流表以及功率表等設(shè)備，并且對(duì)大電流的測(cè)量需要大型恒流源。整個(gè)過(guò)程所需設(shè)備較多，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較高，適合在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。電壓、電流和功率測(cè)量校準(zhǔn)如表1～表3所示。
本文采用一種由高精度信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，提供給ATT7022作為輸入，進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。由于高電壓、大電流參量經(jīng)過(guò)互感器變換成弱信號(hào)，所以可以用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為50 Hz的正弦電壓信號(hào)，模擬互感器輸出，提供給ATT7022。根據(jù)這個(gè)模仿信號(hào)和互感器變比，可以計(jì)算出其所代表的實(shí)際電壓、電流的大小，再讀出ATT7022此時(shí)的測(cè)量值，就可確定相應(yīng)的校準(zhǔn)參數(shù)。雖然互感器和測(cè)量通道電路存在一定的誤差，但此誤差在本系統(tǒng)誤差要求范圍內(nèi)，可以忽略。對(duì)于功率的校準(zhǔn)，需要在cos（Φ）=1條件下進(jìn)行，即電壓、電流相角為0，這可以通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的兩個(gè)輸出通道間相角來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法簡(jiǎn)捷、方便，同時(shí)又具有很高的精確性，能有效保障試驗(yàn)人員的安全，適于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)應(yīng)用。
3 GPRS數(shù)據(jù)通信
系統(tǒng)采用西門(mén)子GPRS模塊MC55i進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，單片機(jī)通過(guò)串行接口與MC55i連接，通過(guò)AT指令對(duì)其操作。要保證對(duì)塔吊的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，就需要監(jiān)測(cè)終端永遠(yuǎn)在線。終端掉線將使監(jiān)測(cè)失去意義，給安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患，所以單片機(jī)要建立起一種處理機(jī)制，以應(yīng)對(duì)掉線情況發(fā)生，使終端能夠重新建立連接。
GPRS網(wǎng)絡(luò)本身是在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上升級(jí)的，仍然以語(yǔ)音通信優(yōu)先于數(shù)據(jù)通信。當(dāng)GPRS長(zhǎng)時(shí)間在線而不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)會(huì)被自動(dòng)降低，經(jīng)常出現(xiàn)掉線的現(xiàn)象。所以，終端需要以一定的時(shí)間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)包，使自己的優(yōu)先級(jí)不會(huì)被降低，從而保持長(zhǎng)時(shí)間在線，這就是心跳機(jī)制。
在發(fā)送心跳過(guò)程中，可建立雙向通信握手協(xié)議，即終端向服務(wù)器發(fā)送心跳，服務(wù)器接到后向終端回復(fù)應(yīng)答。如果終端在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到應(yīng)答，那么需要判斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，進(jìn)行重新連接。另外，在終端接收數(shù)據(jù)時(shí)，MC55i會(huì)向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，如存在外來(lái)干擾或處于發(fā)送狀態(tài)，單片機(jī)就不能及時(shí)讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，那么MC551將不再進(jìn)行提示，這樣會(huì)造成數(shù)據(jù)堵塞，出現(xiàn)終端“掉線”假象。所以，在發(fā)送心跳時(shí)，終端可以主動(dòng)查詢網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)情況，這樣可以避免上述情況發(fā)生。
在意外斷開(kāi)連接的情況下，MC55i同樣會(huì)向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，發(fā)送表示連接斷開(kāi)字符串，這時(shí)需要單片機(jī)中斷服務(wù)程序及時(shí)處理，重新建立連接。在服務(wù)器關(guān)閉的情況下，終端需要不斷發(fā)送建立連接指令，直至服務(wù)器重新打開(kāi)。這樣處理不會(huì)因服務(wù)器的意外關(guān)閉，而不能再次建立連接。
以上方式可用單片機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來(lái)描述，如圖3所示。通過(guò)這種機(jī)制的處理，保證了終端永遠(yuǎn)在線。
4 軟件流程及試驗(yàn)結(jié)果
終端軟件包括主程序、串行中斷服務(wù)程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序和鍵盤(pán)顯示處理程序。主程序流程如圖4所示。
主程序用于實(shí)現(xiàn)終端整體功能，以及其他子任務(wù)的管理和調(diào)度，串行中斷服務(wù)程序用來(lái)識(shí)別上位機(jī)的控制指令和解析GPRS網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。定時(shí)中斷服務(wù)程序用來(lái)上傳數(shù)據(jù)周期計(jì)時(shí)、心跳計(jì)時(shí)和服務(wù)器響應(yīng)溢出時(shí)間計(jì)時(shí)。鍵盤(pán)顯示處理程序完成工作模式以及工作參數(shù)的設(shè)定。
本文通過(guò)TCP&UDP測(cè)試工具對(duì)終端進(jìn)行測(cè)試，工具軟件作為服務(wù)器，終端作為客戶端，終端與服務(wù)器建立連接，實(shí)現(xiàn)通信測(cè)試的功能。整套數(shù)據(jù)包括4種數(shù)據(jù)幀：心跳幀、數(shù)據(jù)幀、報(bào)警幀和控制幀。例如，“B180045023482”為心跳幀，“B”為幀頭，代表本幀為心跳數(shù)據(jù)；“18004502348”是終端設(shè)備的手機(jī)號(hào)，用來(lái)識(shí)別終端設(shè)備；“Z”為幀尾。“A18004502348UA220.5UB219. 7UC220. 31A035. 318034. 91C035. 1PZ+ 23. 18PW+19. OIPQ +13. 27PF+0.82EP00053EQ00020Z”，為一次采集的數(shù)據(jù)，“UA、UB、UC、IA、IB、IC”為三相電壓、電流；“PZ、PW、PQ”分別為視在功率、有功功率和無(wú)功功率；“EP、EQ”分別為有功電能和無(wú)功電能。“GA100BOOOCOOOXOZ”為報(bào)警幀，“A”、“B”、“C”相后面的3位數(shù)字分別代表“斷相”、“過(guò)壓”、“過(guò)流”；“X”代表相序錯(cuò)誤，其中，“1”表示有故障，“0”表示無(wú)故障。“CONZ”是控制幀，表示遠(yuǎn)程開(kāi)機(jī)指令，“COFFZ”表示遠(yuǎn)程關(guān)機(jī)。測(cè)試過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，遠(yuǎn)程控制響應(yīng)及時(shí)。
