摘 要：為實現(xiàn)工礦企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的眾多異步電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)運行狀況實施有效監(jiān)控，本文提出了一種基于CAN總線、以美國德州儀器（Texas Instruments）TMS320LF2407數(shù)字信號處理器為核心的分布式異步電動機在線監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)。從應(yīng)用角度，運用檢測與控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、組態(tài)軟件技術(shù)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)代替原有單一的分散控制模式。該系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化特點，實現(xiàn)了電動機運行狀態(tài)參數(shù)檢測、故障診斷、故障處理的控制與管理一體化。 關(guān)鍵詞：CAN總線;TMS320LF2407數(shù)字信號處理器;在線監(jiān)測;故障診斷 [b][align=center]Design and Implementation of Distributing Asynchronous Motors State Monitoring and Fault Diagnosis system on Line Xie-yunmin[/align][/b] Abstract：In order to monitor the running status of legion asynchronous motors and the drove equipment efficiency in project spot, a sort of distributing asynchronous motors state monitoring and fault diagnosis system on line based on CAN field-bus and Texas Instruments of U.S.A.TMS320LF2407 DSP. From the point of view of appliance, the distributing monitoring system which included the technology of measure and control, network, CAN filed-bus, configuration software etc is replacing the single monitoring system of inhere. The system has characteristic of network, intelligent, integration. The control and manage incorporate of moving state parameter measure, fault diagnosis system, fault disposed had realized. Key Words：CAN filed-bus;TMS320LF2407DSP;State Monitoring on Line;Fault Diagnosis 1 設(shè)計方案的提出 　　工礦企業(yè)中，最重要的負荷是各種大中型異步電動機，這些電動機一旦出現(xiàn)故障將嚴重影響生產(chǎn)，并帶來巨大的經(jīng)濟損失;另一方面，利用與原有的繼電器控制系統(tǒng)工作人員難以對現(xiàn)場生產(chǎn)線上的眾多異步電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)運行狀況實施有效監(jiān)控。從應(yīng)用角度，基于智能儀表技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)的集網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化控制的監(jiān)控系統(tǒng)代替單一的分散控制已成必然。為此，針對某水泥廠的技術(shù)改造，本文提出一種基于CAN總線、以美國德州儀器（Texas Instruments）TMS320LF2407數(shù)字信號處理器為核心的分布式異步電動機在線監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了該企業(yè)的眾多電動機及其拖動系統(tǒng)的安全運行、設(shè)備保護、監(jiān)控、管理一體化。 2 系統(tǒng)構(gòu)成 　　2.1分布式系統(tǒng)組成 　　定子鐵心、定子繞組絕緣、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子本體、滑環(huán)及電刷等故障是大中型異步電動機的較常見故障。目前常用的在線監(jiān)測方法有定子電流頻譜法、振動信號頻譜法及局部放電法等。由于本文針對的是種單一系統(tǒng)，而這些方法對電機的某些故障的診斷具有較高的準確性，所以本文涉及的大中型異步電動機在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)擬采用的診斷技術(shù)采用的是技術(shù)成熟、能全面反映電動機運行狀態(tài)的定子電流頻譜法。定子電流頻譜法實質(zhì)上是將電動機的定子繞組作為監(jiān)測設(shè)備的一個探測線圈參與對電動機的故障檢測。 　　當(dāng)電動機出現(xiàn)某種故障時，定子電流出現(xiàn)與其相應(yīng)的頻域變化，我們根據(jù)發(fā)生不同的故障時，異步電動機定子電流的故障特征頻率不同，通過故障頻率檢測與比較，判斷及處理其故障。 　　值得指出的是，對于復(fù)雜故障系統(tǒng)，其故障的存在具有不同的模糊特性，可以采用專家模糊子系統(tǒng)盡可能多的采集故障信號進行綜合評判以進一步提高故障診斷得準確性。 　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本系統(tǒng)硬件主要包括工業(yè)控制計算機、現(xiàn)場CAN總線接口模塊、數(shù)字信號處理器、信號采集模塊組成。 [align=center] 圖1 基于CAN總線和DSP的分布式異步電動機在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　2.1.1上位機 　　上位機采用研華工控機，操作系統(tǒng)為Windows NT 4.0。軟件采用KingView 6.5組態(tài)軟件編寫。上位機具有監(jiān)視、實時控制、數(shù)據(jù)記錄、報表打印于數(shù)據(jù)庫處理。KingView是基于Windows 98/2000/NT中文平臺上的通用工業(yè)自動化監(jiān)控組態(tài)軟件，是真正32位集成軟件系統(tǒng)。具有全中文瀏覽器界面，使用方便、靈活;實時多任務(wù)，多線程，采樣速度快，可靠性高;廣泛支持國內(nèi)外PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，同時支持OPC、ActiveX、ODBC、TCP/IP、DDE、現(xiàn)場總線、Modem、伺服驅(qū)動等;數(shù)據(jù)和系統(tǒng)功能全面開放，嵌有許多功能強大的控件，同時內(nèi)置許多控制算法（如PID）。還具有優(yōu)秀軟件的延續(xù)性和擴充性、封裝性、通用性等基本特點。 　　直觀的組態(tài)圖形不僅可以使管理人員監(jiān)視到現(xiàn)場生產(chǎn)的動態(tài)流程，并且實現(xiàn)了設(shè)備的運行狀態(tài)的可視化。對其控制功能如開關(guān)操作、參數(shù)設(shè)定設(shè)置了權(quán)限。為一步提高可靠性、上位機設(shè)為兩臺，互為備用。 　　2.1.2CAN總線監(jiān)控系統(tǒng) 　　CAN總線控制系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，工控機及其應(yīng)用軟件構(gòu)成監(jiān)控與調(diào)度層、總線為中間層，數(shù)據(jù)采集單元為低層。上位機由工控機和網(wǎng)卡組成，網(wǎng)卡用于實現(xiàn)工控機與CAN總線的連接，即用于進行RS-232與CAN總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 CAN總線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　監(jiān)控調(diào)度的工業(yè)控制機通過網(wǎng)卡作為數(shù)據(jù)緩沖與CAN總線連接，SJA1000和PCA82C250組成標準CAN總線，實現(xiàn)與數(shù)字信號處理器的數(shù)據(jù)交換。CAN總線的信號傳輸采用差動電平方式，可有效抑制共模干擾。 通信控制器采用PHILIPS公司的SJA1000，總線收發(fā)器使用PCA82C250，提供對總線的差動發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)采用每幀有效字位數(shù)為8位的短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾的概率低。CAN總線的傳輸速率為1Mb/s～5Mb/s，傳輸距離為40m～10Km，滿足該企業(yè)現(xiàn)場的通信要求。 　　2.1.3 DSP系統(tǒng)硬件電路 　　為了使設(shè)計出的系統(tǒng)不僅滿足用戶提出的性能優(yōu)良，維護簡便，價格合理的要求，還要具有可靠性高的優(yōu)勢以適應(yīng)現(xiàn)場復(fù)雜惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。因此針對水泥生產(chǎn)線異步電動機的在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)得設(shè)計，我們選用了德州儀器性價比高、可靠性高，功耗低的TMS320LF2407DSP作為系統(tǒng)核心。DSP對異步電動機進行在線信號采集、測控與故障處理;DSP判斷電動機故銜后，由LCD顯示出故障部位并發(fā)出聲光報警信號;傳感元件用于檢測電動機的電流信號和電壓信號。DSP系統(tǒng)的硬件電路如圖3所示。 [align=center] 圖3 DSP系統(tǒng)的硬件電路[/align] 　　TMS320LF2407控制器是美國德州儀器推出的低成本、低功耗、高性能定點數(shù)字信號處理器TMS320LF240X 中的一種超集控制器，對電動機的數(shù)字化控制非常有用。其具有改進的哈佛結(jié)構(gòu)，兼容TMS320的指令代碼。采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減少了控制器的功耗;30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到30MHz，從而提高了控制器的實時控制能力。片內(nèi)具有高達32K字的FLASH程序存儲器、1.5K 字的數(shù)據(jù)/程序RAM、544字雙口RAM（DARAM）和2K字的單口RAM（SARAM）。具有EVA和EVB兩個事件管理模塊，每個模塊又包括：兩個16位通用定時器、8個16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道。3個捕獲單元、16通道A/D轉(zhuǎn)換器。可擴展64K字程序存儲器、64K字數(shù)據(jù)存儲器和64K字I/O尋址空間共計192K 字的外部存儲器（LF2404）。完全滿足多種對性能和功耗要求苛刻的應(yīng)用。同時也保證了故障前后有充足的數(shù)據(jù)供調(diào)用和分析，滿足了系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理和存儲需求，還具有10位A / D轉(zhuǎn)換器,其最小轉(zhuǎn)換時間為500ns,且可選用事件管理器來觸發(fā)的兩個8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器和一個16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。此外，具有控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）2.0B模塊;串行通信接口（SCI）;基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器;40個可單獨編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳（GPIO）;5個外部中斷（電動機驅(qū)動保護、復(fù)位機兩個可屏蔽中斷）。 　　DSP系統(tǒng)通過電流互感器和電壓互感器等傳感元件，采集異步電機運行中實時電流信號和電壓信號，經(jīng)過放大、低通濾波等信號調(diào)理模塊，經(jīng)過DSP中的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后, DSP 對信號進行快速傅立葉變換，將信號變換至頻域，DSP根據(jù)頻域中是否含有與異步電機故障相對應(yīng)的特征頻率來判斷電機是否發(fā)生故障。如發(fā)生故障則發(fā)出聲光報警，同時由LCD顯示其故障部位。 　　DSP的外圍接口電路中，電源芯片采用TI公司TPS73HD318，其輸出的直流1.6V和3.3V，分別供給DSP內(nèi)核和片內(nèi)外設(shè)。復(fù)位及電壓監(jiān)控芯片選用MAXIM 公司的集成微處理器監(jiān)控復(fù)位電路MAX706。由電流互感器和電壓互感器等傳感元件提取的異步電動機定子電流信號和電壓信號，經(jīng)過抗混疊濾波和采樣保持送入DSP中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D。把4 路模擬輸入設(shè)置為4個單輸入通道或2個差分輸入通道。并實現(xiàn)4個模擬通道的無相差采樣。為滿足系統(tǒng)需要，可程控設(shè)置采樣點。本系統(tǒng)中，電流和電壓每周波采樣30點，采樣頻率為l500Hz。 　　2.2系統(tǒng)工作原理 　　經(jīng)信號采集模塊采集被監(jiān)測異步電動機的定子電流、電壓信號，經(jīng)過一系列的信號預(yù)處理和變換，變換為DSP可以接受的數(shù)字信號并送入DSP。DSP對信號采集模塊送來的數(shù)字信號進行快速傅立葉變換把時域信號從變換為頻域信號，根據(jù)此頻域中是否含有電動機各種故障的特征頻率來判斷電動機是否發(fā)生故障以及故障程度的大小。故障處理模塊則根據(jù)DSP診斷模塊的輸出，及時發(fā)出聲光報警以通知工作人員做出相應(yīng)的處理。必要時，現(xiàn)場還可以通過其通用串行接口USB連接便攜式電腦。由其對電動機故障部位和故障程度在現(xiàn)場做進一步分析和判斷。 3 軟件設(shè)計 　　本系統(tǒng)軟件采用TI公司的集成開發(fā)環(huán)境CCS2.0進行開發(fā)，其中，主程序用C 語言編程，其它如信號處理模塊和故障特征頻率比較和判斷模塊等功能模塊采用匯編語言編程。系統(tǒng)程序還通過TI公司的BOOTLOADER 技術(shù)，在硬件復(fù)位后，主程序從片外FLASH ROM下載到片內(nèi)快速RAM中全速運行，實現(xiàn)系統(tǒng)的自舉功能。 　　整個程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要分為系統(tǒng)初始化、信號采集、信號處理、故障頻率比較和判斷以及故障處理5個模塊。程序運行分為4個階段。系統(tǒng)程序框圖如圖4所示。系統(tǒng)初始化后，首先由信號處理采集模塊每1024個采樣值就給主程序發(fā)出中斷，然后由信號處理模塊對采樣數(shù)據(jù)進行1024采樣值的按時間抽取的快速傅立葉變換（FFT），獲得采樣數(shù)據(jù)的頻域信息，第三階段是故障頻率比較和識別模塊根據(jù)將此頻域信息與內(nèi)部儲存的故障特征頻率表進行比較和判斷，最后是判斷電動機是否發(fā)生故障，如果發(fā)生故障就調(diào)用故障處理模塊進行處理。否則，系統(tǒng)開始下一周期的程序執(zhí)行。 [align=center] 圖4 主程序流程圖[/align] 4 結(jié)束語 　　本文介紹的基于CAN總線和DSP的分布式異步電動機在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有同類故障診斷系統(tǒng)實時性差、診斷性能差等缺陷，達到了一定的實用效果，具有推廣價值。 　　該系統(tǒng)將微機監(jiān)控系統(tǒng)、檢測與控制技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、組態(tài)軟件技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)了電動機運行狀態(tài)參數(shù)檢測、故障診斷與處理的控制與管理一體化，為生產(chǎn)過程的在線監(jiān)測與控制提供了正確依據(jù)，為迅速實現(xiàn)故障診斷與處理提供了可靠的保證。 　　本文作者創(chuàng)新點：設(shè)計了一種基于CAN總線和DSP的分布式異步電動機在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，在軟硬件設(shè)計中采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，具有實時性強、診斷性能好、準確性高等特點。 參考文獻 　　[1]楊飛，鄭貴林. 基于CAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息，2005，7:34-36 　　[2]劉和平.TMS320LF240XDSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2002 　　[3]施金鴻，祈偉等.基于現(xiàn)場總線的智能測控保護系統(tǒng)的研制[J].工業(yè)控制計算機.2006，7:64-65 　　[4]余瓊芳，董愛華等.基于DSP的大中型異步電動機故障診斷模糊專家系統(tǒng)[J].煤礦機電.2003，6:10-12 　　[5]何易.基于DSP的大中型異步電動機在線監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)設(shè)計[J].礦山機械.2004，12:67-68