基于电力线载波通信的电机振动监测系统设计.pdf

仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 自 动 化 技术 与 应 用 2 0 1 1 年 第3 0 卷 第6 期 n s t r u men t a t ion a n d Me a s ur m e n t 基于电力线载波通信的电机振动监测系统设计 王 丽 ， 华泽玺 ， 刘明慧 ， 王绍杰 ( 西南交通大学 电气工程学院 ， 四川 成都 6 1 0 0 3 1 ) 摘要 ： 电机的长期异常振动影响机组 的安全运 行和效率 ， 故有必要对其进行在 线监测 以便及早 发现故障。 鉴于 电力载波技术在数据 传输中可以降低通信线路布线成本， 设计了一种基于电力线载波通信的电机振动监测方案。 系统以电涡流传感器和电容式振 动传感器为基础， 采用P L 3 2 0 1 和AT ME GA 8 分别作为通信控制芯片和主控芯片， 上位P C机程序采用VC 语言编写， 完成数据 显示 、报警、打印以及存储等功能 。实验证 明 ， 该系统 可以达到 电机振动状态监测的 目的。 关键词 ： 电机振动 ； 电力载波通信 ； 电涡流传感器 ； P L 3 2 0 1 中图分类号 ： T P 2 7 4 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 3 7 2 4 t ( 2 0 1 1 ) 0 6 - 0 0 7 5 0 5 De s i g n o f On l i n e Vi b r a t i o n Mo n i t o r i n g S y s t e m f o r Mo t o r s B a s e d o n P o we r L i n e Ca r r i e r Co mmu n ic a t i o n WAN G L i ， HUA Z e - x i ， LI U Mi n g h u i ， WANG S h a o - j i e ( S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， Ch e n g d u 6 1 0 0 3 1 C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e l o n g t i me a b n o r ma l v i b r a t i o n o f mo t o r s a f f e c t e d t h e s a f e t y i n o p e r a t i o n a n d i t e ffi c i e n c y ， S O i t i s n e c e s s a r y t o mo n i t o r t h e v i b r a t i o n a n d f a i l u r e s s h o u l d b e f o u n d i n t i me I n v i e w o f t h e a d v a n t a g e s o f p o we r l i n e c a r r i e r t e c h n i q u e wh i c h g r e a t l y d e c r e a s e s t h e c o s t o f r o u t i n g c o mmu n i c a t i o n l i n e ， a p r o j e c t o f v i b r a t i o n mo n i t o r i n g f o r mo t o r s b a s e d o n p o we r l i n e c o mmu n i c a t i o n i s d e s i g n e d I t u s e d e d d y c u r r e n t s e n s o r s a nd v i b r a t i o n s e n s o r s t o c o l l e c t t h e v i b r a t i o n ， PL3 2 0 1 a n d ATM EGA8 a s i t s c o mm u n i c a t i o n c o n t r o l c h i p a n d m a i n c o n t r o l c h i p I t a l s o u s e d VC+ p r o g r a m mi n g l a n g u a g e t o p r o g r a m t h e c o u r s e fo r PC t o c o mp l e t e t h e d a t a d i s p l a y ， a l a r m， p r i n t a n d s t o r a g e c a p a b i l i t i e s E x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m c a n mo n i t o r t h e v i b r a t i o n o f mo t o r s Ke y wo r ds ： v i b r a t i o n o f mo t o r ； P LC； e d d y c u r r e n t s e n s o r ； P L3 2 01 1 引 言 电机 本身 和 支撑它 的底 座及 其负 载构 成一个 复杂 的机械 系统 ， 在运行 中会发生振 动 ， 在 电气或机械 上发 生异常情况时 ， 振动会发生变化 ， 例如 ： 轴 承不 同心或磨 损， 容易引起电机转子偏心 ， 运转中会引起定子振动。 振动可使大轴产生疲劳而损坏。故振动的监测对 电机 而言也是一项重要的诊断内容。通过对 电机自身振动 特征进行在线监测 ， 能够对 电机 出现 的机械 问题进行 合 理判断， 及时纠正， 进而避免电机长时间故障运行， 减少 基金项 目：西南交通大学学位与研究生教 育研 究基金 ( 编号 2 0 0 9 Yy 0 3) 收稿 日期： 2 0 1 1 0 3 3 0 电机机械 损耗 ， 降低 电机使 用成本 。 设计 的系统可实 时采集 电机 的振动数据 ， 用 V C程 序 对所采集数据 加 以分析 、显示 ， 从 而辅助 判断 电机 的 运 行状况 。系统采用 电力 载波技术进行通信 ， 电力载波 通信是一种利用 电力线传输数据和话音信号的通信方 式I 2 】 。随着电力系统的发展， 供电网络越来越完善， 覆盖 面积越来越大 ， 使得 电力 载波通信方式易于 实现、组 网 灵活， 较传统的通信方式而言， 可以降低通信线路的布 线成本 。 系统总体设计 根 据现场各 电机监测 点与监测 中心问 的拓 扑结构 ， 为满足监测中心同时监测多台电机振动的需求 ， 采用了 自 动 化 技 术与 应 用 2 0 1 1 年 第3 0 卷 第6 期 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 l n s t r u m e n t a t i on a n d M e a s u r me n t 基 于 电力 载 波通信 的 主从 式上 下位 机结 构 。 整体 结 构 如 图 1所示 。 铁路系统列 1 Cp 蛙P l 力线 l 数 据 鬃t 1 攀 l I l l ， l 图 1 系统整体结构 系统 由四部分组成： 下位机模块， 电力传输线路 ， 数 据 集 中器和 上位 机 。 下位机 模 块包括 传 感器 采集 模 块 和 载波通信模 块 ， 通 过 电力 线载波技术将 下位机 采集 到 的实 时振动数据 经 电力 线传输到 数据集 中器 ， 数据集 中 器对这 些数据进 行集 中预 处理 ， 而后 经 由串 口将 数据送 入上 位 PC机 ， 由上 位机进行 数据处理 ， 完成 数据显示 、 报警 和存 储等 功能 ， 实 时监 测 电机 的运 行状态 。 3 系统硬 件设计 系统 硬件设 计分 为下位 机模块 和数据 集 中器 设计 。 3 1下位机模块 下位机模块以电力载波芯片 P L3 2 0 l 为核心， 结合 振动传感模 块 ， 并辅 以载 波通信外 围 电路 、 电源 电路和 晶振 电路 ， 结 构如 图 2所 示 。 P L 2 11 l r Xlrl PI7 -t劫 簿 鹱 穴 黠 卜 载 波 舭 lO 撮 合 4 S l鳓 - I 滤 渡 激 镯 电 黠I- 憩 路 2 V 1) o _ _ l 圃 3 。5 图 2 下位机模块结构 通信控 制芯片 P L 3 2 0 1 是一款多功 能数字载波 专用 芯 片 ， 内嵌增 强型 8 0 5 1兼容微 处理器 ， 片 内具 有 8 1 6 位双模 式 AL U， 能够 8 倍速于标 准 8 0 5 1 处理器 ， 同时还 具 有两 个全双 工 UART( 通 用 同步 异步 接收 发送 器) ， 外围扩展了扩频通信调制 解调电路 ， 支持 CD MA ( 码分多址) 多地址数据同时传送【 引 ， 简化了下位机的硬 件 结 构 。 P L 3 2 0 l 芯 片 内集 成的载波 通信模块可 采用直接序 列 扩频通信 方式 ， 即将信 息频带展 宽使其在 很宽 的频 带 内传 输 。系统 以牺 牲带 宽 为代 价 来提 高系 统 的抗干 扰 性 能 ， 使信 息传 输更 为可靠 。 由S h a n n o n公式可知： 在白噪声干扰条件下 ， 通信 系统的信道容量为 C=Bl o g 2 ( 1 +S ) 式中 ： B为信道 带宽 ， Hz ； S为信号平 均功率 ， W ； N 为噪声平 均功率 ， w 。对 于干扰 环境 中的典型情 况 ， S N 1 ， 应用幂级数展 开 ， 则可得 C | B 一、 4 4S | N 这 说 明从理 论上 来讲 ， 对于 任 意给定 的信 噪 比 ， 只 要增加 用于传 输信息 的带宽 ， 就可 以增 加在信 道 中无误 差 传输的信息速率 。P L 3 2 0 1 采用直接序列扩频方 式 ， 当 终端传感器 采集模 块与数 据集 中器 进行 通信 时 ， 终端信 号由P L3 2 0 l进行扩频调制， 经功率放大后送人电力线 传输 。有用的扩频信号在传输过程 中与 电力线上的背 景 噪声混 合 同被 数据 集 中器 接 收 ， 经过 滤波 限幅后 ， 数据集 中器 的 P L 3 2 0 1 芯片将接 收到的混合信号进行 解 调解扩。这样 ， 有用的信号完全被恢复， 而背景噪声的 频谱 则被 扩展 ， 相对 于有 用 信号 功率 已经变 得 非常小 ， 噪声干扰被有效抑制。 下 位机 模 块 安 装 于 电机 运 行 现 场 ， 功 能 是 接 收上 位机 的指令 ， 采 集振动 传感 模块 的 电机 振动 数据 ， 通 过 载 波 耦合 电路将 采集 的数 据 进 行 载波 调 制 ， 耦 合 到 电 力 线 上 。 3 1 1 传感器选型及数据采集量处理 从转子动力学 、轴承学的理论上分析 ， 大型旋转机 械 的运动 状态 ， 主要 取决 于其核 心 转轴 ， 电机 亦是如 此 。而 电涡流 传感器 能准确 测量被 测体 ( 必须是 金属导 体) 与传感器探 头端面之 间静态 和动态 的相对 位移变化 ， 即可间接 测量转轴 的状态 ， 对诸 如转子 的不平衡 、不对 中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判 定提供依据。电涡流传感器采用变换 电压型( D c V DC V) 前 置器 ， 前置器是 一个 电子信号 处理器 ， 它 能把普 通型 电涡流传 感器 的输 出转 换成 可直 接 输入 计算 机 的 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 l n s t r ume n t a t i on an d Mea s u r men t 电平 ， 经过前置器 的处 理 ， 产生 随探头 端面与 被测金 属 导 体 间隙线性 变化 的输 出 电压 。 电涡 流传 感器 的输 出 电 与位移 的关系 为 S 曲线 ， 由曲线可知 ， 前置器 输 出 电压 为 ： U =U0+u村s i n2 r 式 中： U 为间距 时的位移 电压 ； U 为振动峰值 电 压 ； 为被测体振动 频率 。 依据 传 感器位 移 与 电压 的 线性 关系 可得 到对 应 的 位 移变 化为 ： 问 F =5 o + s i n 2 J r f 其 中 为间距最大变化量 。经过 A D转换 后 ， 通 过 P L 3 2 0 1的 P1 3 管脚 可以采集到振动 的位移量 。经 过信号调 理 ， 可以利用 P L 3 2 0 l 计数器 对振动产生 的波 形进 行计数 即可得 电机 振动 的频 率 ， 即 。 电机 的整体 振动情 况 由振动传感器 来进行 测量 ， 可 采用微型 电容式i轴加速度传感器 3 MMA7 2 6 0 0 T， 它可 以分别把 X、Y、Z轴 3个 自由度 的振动加速度信号 转 换为 3路模拟 电压 信号l 。传感器安 装于 电机 顶盖 ， 和 电机 以相 同频率 与振幅共 同振动 ， 数据采集处理 方式 同 电涡 流传感 器类 似 。 图 3 传感器安装位置图 探 大 传感器 的安装方 式如图 3 所 示。 电涡流传感器 用于 监测轴承 的轴摆 度 ， 测点探 头应安装在轴 承垂直 中心 线 一 侧 ； 振动传感器 用来监测 电机机架和顶盖 的振动情况 ， 可密 贴于 电机顶盖 。 3 1 2 载波通信外围电路 载波 通信 外 围 电路 包括 功率放 大 电路 、 耦 合 电路 和接收 电路。其 电路 图如 图 4所示 。功率放大 电路如 图 4 ( a ) 所示 ， t要 由晶体管组 成 ， 电路将 经过 P I 3 2 0 1 芯 片 处理后 的载波脉冲信号放 大 ， 然后耦合到 电力线 上。载 波信号 由 P L3 2 0 l 芯片 的 P3 7输 出， 经 电容和 电阻耦 自动化技术与应用 2 01 1年第 3 0卷第 6期 合 ， 阻断交流成分， 而后信号由 、 、 、 组成的互补 对 称功率放大 电路进行功率 放大 ， 经 电容传 送到载波耦 合 单元 ， 通过 耦合线 圈耦 合到 电力线 t - I I 。 o ( a ) 功率放大电路图 7 ( b ) 耦合接收电路 图 4 载波通信外围电路 载 波耦 合单元 山电容器 和变压 器组成 ， 如 图 4 ( b ) 所 示 ， 其 作 用 是将 电力 线上 的 载 波信 号耦 合 过 来 ， 通过 S I G i n引脚送 入 P I 3 2 0 1 。接收 电路是用来接 收电网中的 载波凋制信号 ， 由 并联谐振 回路 对信号进行 带通滤 波 ，滤 除来 自 电网 中的 噪 声 ，由于 载 波 中 心 频 率 为 l 2 0 k t I z ， 通过计算 ， 选取 电容为 1 8 n F， 电感为 l mH。 3 2 数据集中器 绶 潼 卜 国 攀 敞 夫 逛 箨 1- g T 躐 鼷嚣 l ，O 竺 _ 卜 l，l S D A P l 舟 R T -0 嚣 L) ( D ) l 0 l T ) c 1) X Tj i P I NT 0 l l 图 5 数据集中器结构 T e c h n iq u e s o f A u t o ma t io nA p p lic a t io n s I 7 7 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 1 年 第3 0 卷 第6 期 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 I n s t r umen t a t ion a n d Me as u r men t 数 据集 中器 中的载 波通 信模 块 是作 为接 收 端使 用 的 ， 故其 外围 电路对 应于下位 机模 块的 发送端 ， 由功率 放 大 电路 、接收 电路等组成 。而 同时数据集 中器 还需通 过串 口向上位机发送数据 ， 故采用单片机 A TME GE 8 为 主控芯片， 数据集中器结构如图 5所示。 通 过对 ATME GA8编程实现振 动传感模 块的通路 选择 ， 而后建立连接 ， 快速读取采样数据 后与 P C机实现 串 口通信 。其 中： RS T为复位端 ； S CL为 串行总 线时钟 输入端； S D A 为串行总线数据输入 输出端 ； R T为收 发控制端 ， 当该管脚为 高 电平时 ， 芯 片处于接 收状 态 ， 当 该管脚为低电平时， 芯片处于发送状态； R XD T XD为数 据收 发输入 输 出端 。 4 系统软件 设计 软件设计 主要包 括三部 分 ： 电力 载波通信模 块 的程 序设计； 数据集中器功能实现程序 ； 上位 PC机的数据处 理程 序 。 4 1 载波通信模块程序 载波通 信为总 线方 式通信 ， 载波模 块的 常态须设 置 为 接收态【 。在 下位机 与集 中器 的通信 中 ， 集 中器 应该 设 定为 主机 ， 定 时通过 载波 通道 向下位 机 发送 协议 ， 比 较 后只 有地 址 相 同的 下位 机 才 允许 按 规 约 进行 应 答 。 接收 和发送 一 般均 设计 为 外部 中断 方式 处理 。每 次进 入 中断 ， 完成对 l字节数 据 的接 收 或发送 ， 载波 中断处 理流程 如 图 6所示 。 图 6 载波中断处理流程 进 入 载波通信 中断 时 ， 首 先判断 载波 收发控 制器 的 状 态 ， 是接 收或 发送 ， 保护相 关寄存器 的值后 ， 做 出相应 的处 理 ， 载 波通信 单元 在每 次置 为发送 状态 后 ， 硬件会 首先 发送 4 0个伪码 周期 的全 “ l ”序 列 ， 用于 使接收端 与发送端伪随机码产生 同步。载波通信单元置为接收 态 时 ， 硬件在 伪 随机码 同步 后 ， 从 数据 流 中检 出帧头序 列 ， 而 后 真 正 开 始 接 收 数 据 ， 并 以 字 节 方 式 送 到 SSC BUF寄存器 中。当载波模块收到 或者 发送完一个 字 节时 ， 都 会触 发一 次载波 中断 。 4 2 数据集中器程序 数 据集 中器 采用 计数 器 中断 方 式采 集 各终 端模 块 发送 的数据 。可通 过单片机对 P L 3 2 0 l 片进行初始 化 设 置 ， 下 位机 模 块 与集 中器之 间 的 电力 线载 波 通信 由 R T、RXD TXD和 S YNC在单 片机 的控 制下完成 ， 程 序 流程 图如 图 7所示 。 初 始 化 地 址 指 针 赋 值 地 址 指 针 +1 发 送 采 集 终 端 地 址 地 址 指 针 l 竺 皇竺 l 超 兰塑 一 Y ； 是 竺 可 图7 数据集中器程序流程 图 4 3 上 位 P C机 程序 上位机 以 Wi n d o ws 为操作环境 ， 以Vi s u a l C + + 6 0为软件 开发工具 ， 可 以方便地 实现与 串 口通信r ， 编写 各种 数字信号 处理算 法 ， 进 而快速 的分析 出 电机 振动的 各种 特性 ， 绘制信号 的 图形。上位 机软件 主要完成 系统 参数设置 、数据多种方 式显示 、数据存储 及报表 、数据 分 析与 计算 、超 限双重 报警 等功 能 。 上位 机程序 采用 定时 的方 法对 串 口进行 操作 ， 在程 序 中设置一个定时器 ， 并编写一个定时器处理函数 ， 当 定时程序启 动 时会 自动调 用定 时器处 理 函数 ， 判 断接收 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 I n s t r u m e n t at i o n an d Me as u r men t “ 自动化 技术与应用 2 01 1 年第 3 0卷第 6期 缓冲区是否有数据 写入 ， 有 则进行相 应的处理 后将结 果 显示在计 算机屏 幕上 ， 没 有则继 续定时读 取 。 工作 人 员登 陆监测系统 后 ， 首 先打开 串 口设 备并对 其进 行初 始化 ， 再读 取存储 在文件 中的安 全范 围值 ， 之 后才选择通道接 收数据 ， 接收 的数据 可 以选择其 显示模 式 ， 如数值显示 、图形显示 ， 并 同时对数据进 行存储 ， 若 数据超 出了读取的安全范 围值 ， 可进 行声音 和图像双 重 报警 。系统 还可 以通 过各 种算法 及 历 史记 录对 数据 进 行分析 并生成相应 报表 ， 系统 流程 图如图 8所示 。 图8 系统流程图 5 实验结果分析 利用该 系统对某 一老化 的抽风机 组 电机进 行监测 ， 测试周期为两周 ， 测点布置在顶盖轴 向( Va， 测点 l 和测 点 2 ) 和轴伸端 水平径 向( Vh， 测点 3 和 测点 4 ) ， 测试参数 分别选 择 为加速 度有 效值 和振 幅有效 值 。将 电机 更换 前与更换 后的振动 数据进行 了对 比 ， 如表 l所示 。 表 1 测量结果分析 从表 l 可以看出， 该系统可明显监测出电机故障时 振动数据的异常 。使用该 系统可测量多个电机的振动 数据 ， 当电机设 备运行不正常 时 ， 就可 以及时发 现 ， 及时 维护、维修， 从而系统延长电机设备运行的平均无故障 时间( MT B F ) ， 缩短平均故障修复时间( MT TR) 。 6 结束语 本文介绍的设计方 案采用了 P L 3 2 0 1 载波专用单 片 机 ， 其 丰富 的 片 外 围功 能模 块使 得 硬件 电路得 以简 化 ， 利 用低压 电力 载波通信作 为通信媒介 ， 具有成本低 、 通信准确可靠 、布 线容 易 、测点位置可 随时变换等诸多 优点 。上 何机采用 VC +6 0编 写程 序 ， 方便 的实现 与 串 口通 信 。通 过监 测系统 可实 时 发现 电机 工作状 态 的 故 障 隐患 ， 以便 能够及时 报警 、维护 ， 提 高 了设 备安 全 性 和运行 质量 。 参考文献： f l 】王昌长 ， 李幅祺 ， 高胜友 电力设备的在线监测与故障诊 断【 M】 北京： 清华大学出版社， 2 0 0 6 ： 2 3 4 2 3 5 I 2 张淑娥等 电力系统通信技术I M】 北京 ： 中国 电力出版 社 ， 2 0 0 5 ： 5 1 6 2 ， 2 6 4 1 3 1 北京福星哓程 电子科技股份有 限公司 P L 3 2 0 1 芯片手册 I Z 1 h t t p： ， WWw x i a o c h e n g c o m 2 0 0 8 蔡嘉 ， 王 长松 基于 US B 2 0的高速振动信号 采集 系统 仪表技术与传感器 ， 2 0 0 8 ( 1 2 ) 6 4 6 6 【 5 j周文举 基于P L 3 2 0 l 的载波通信远程抄表 系统 自动 化仪表， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 5 ) ： 2 7 3 0 I 6 】俞天白 基于电力线载波通信技术的照明控制系统的应 用【 D】 杭州 ： 浙江大学 ， 2 0 0 6 7 1 龚建伟 V i s u a l C + T u r b o C 串口通信编程实践【 M 北京 ： 电子工业 出版社 ， 2 0 0 4 ： 2 8 3 1 作者 简介：王 丽 ( 1 9 8 5一)， 女 ， 硕士 研 究生，主要研 究方 向 检 测 技 术 与 电 气 自动 化 装 置 。 T e c h n iq u e s o f A u t o ma t io nA p p l ic a t io n s J 7 9