摘 要：為實現工礦企業生產現場的眾多異步電動機及其驅動系統運行狀況實施有效監控，本文提出了一種基于CAN總線、以美國德州儀器（Texas Instruments）TMS320LF2407數字信號處理器為核心的分布式異步電動機在線監測故障診斷系統。從應用角度，運用檢測與控制技術、網絡技術、現場總線技術、組態軟件技術的分布式監控系統代替原有單一的分散控制模式。該系統具有網絡化、智能化、集成化特點，實現了電動機運行狀態參數檢測、故障診斷、故障處理的控制與管理一體化。 關鍵詞：CAN總線;TMS320LF2407數字信號處理器;在線監測;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 設計方案的提出 　　工礦企業中，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故障將嚴重影響生產，并帶來巨大的經濟損失;另一方面，利用與原有的繼電器控制系統工作人員難以對現場生產線上的眾多異步電動機及其驅動系統運行狀況實施有效監控。從應用角度，基于智能儀表技術、現場總線技術的集網絡化、智能化、集成化控制的監控系統代替單一的分散控制已成必然。為此，針對某水泥廠的技術改造，本文提出一種基于CAN總線、以美國德州儀器（Texas Instruments）TMS320LF2407數字信號處理器為核心的分布式異步電動機在線監測故障診斷系統，實現了該企業的眾多電動機及其拖動系統的安全運行、設備保護、監控、管理一體化。 2 系統構成 　　2.1分布式系統組成 　　定子鐵心、定子繞組絕緣、轉子繞組、轉子本體、滑環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，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測和故障診斷系統擬采用的診斷技術采用的是技術成熟、能全面反映電動機運行狀態的定子電流頻譜法。定子電流頻譜法實質上是將電動機的定子繞組作為監測設備的一個探測線圈參與對電動機的故障檢測。 　　當電動機出現某種故障時，定子電流出現與其相應的頻域變化，我們根據發生不同的故障時，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，對于復雜故障系統，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。 　　系統結構圖如圖1所示。本系統硬件主要包括工業控制計算機、現場CAN總線接口模塊、數字信號處理器、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測與故障診斷系統結構圖[/align] 　　2.1.1上位機 　　上位機采用研華工控機，操作系統為Windows NT 4.0。軟件采用KingView 6.5組態軟件編寫。上位機具有監視、實時控制、數據記錄、報表打印于數據庫處理。KingView是基于Windows 98/2000/NT中文平臺上的通用工業自動化監控組態軟件，是真正32位集成軟件系統。具有全中文瀏覽器界面，使用方便、靈活;實時多任務，多線程，采樣速度快，可靠性高;廣泛支持國內外PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等數據采集設備，同時支持OPC、ActiveX、ODBC、TCP/IP、DDE、現場總線、Modem、伺服驅動等;數據和系統功能全面開放，嵌有許多功能強大的控件，同時內置許多控制算法（如PID）。還具有優秀軟件的延續性和擴充性、封裝性、通用性等基本特點。 　　直觀的組態圖形不僅可以使管理人員監視到現場生產的動態流程，并且實現了設備的運行狀態的可視化。對其控制功能如開關操作、參數設定設置了權限。為一步提高可靠性、上位機設為兩臺，互為備用。 　　2.1.2CAN總線監控系統 　　CAN總線控制系統采用三層體系結構，工控機及其應用軟件構成監控與調度層、總線為中間層，數據采集單元為低層。上位機由工控機和網卡組成，網卡用于實現工控機與CAN總線的連接，即用于進行RS-232與CAN總線之間的協議轉換。系統結構圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 CAN總線通信系統結構圖[/align] 　　監控調度的工業控制機通過網卡作為數據緩沖與CAN總線連接，SJA1000和PCA82C250組成標準CAN總線，實現與數字信號處理器的數據交換。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，總線收發器使用PCA82C250，提供對總線的差動發送和接收。數據采用每幀有效字位數為8位的短幀結構，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，滿足該企業現場的通信要求。 　　2.1.3 DSP系統硬件電路 　　為了使設計出的系統不僅滿足用戶提出的性能優良，維護簡便，價格合理的要求，還要具有可靠性高的優勢以適應現場復雜惡劣的生產環境。因此針對水泥生產線異步電動機的在線監測和故障診斷系統得設計，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系統的硬件電路如圖3所示。 [align=center] 圖3 DSP系統的硬件電路[/align] 　　TMS320LF2407控制器是美國德州儀器推出的低成本、低功耗、高性能定點數字信號處理器TMS320LF240X 中的一種超集控制器，對電動機的數字化控制非常有用。其具有改進的哈佛結構，兼容TMS320的指令代碼。采用高性能靜態CMOS技術，使得供電電壓降為3.3V，減少了控制器的功耗;30MIPS的執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。片內具有高達32K字的FLASH程序存儲器、1.5K 字的數據/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位的脈寬調制（PWM）通道。3個捕獲單元、16通道A/D轉換器。可擴展64K字程序存儲器、64K字數據存儲器和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用。同時也保證了故障前后有充足的數據供調用和分析，滿足了系統的實時數據處理和存儲需求，還具有10位A / D轉換器,其最小轉換時間為500ns,且可選用事件管理器來觸發的兩個8通道輸入A/D轉換器和一個16通道輸入的A/D轉換器。此外，具有控制器局域網絡（CAN）2.0B模塊;串行通信接口（SCI）;基于鎖相環的時鐘發生器;40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳（GPIO）;5個外部中斷（電動機驅動保護、復位機兩個可屏蔽中斷）。 　　DSP系統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，經過放大、低通濾波等信號調理模塊，經過DSP中的A/D轉換器轉換為數字信號后, DSP 對信號進行快速傅立葉變換，將信號變換至頻域，DSP根據頻域中是否含有與異步電機故障相對應的特征頻率來判斷電機是否發生故障。如發生故障則發出聲光報警，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內核和片內外設。復位及電壓監控芯片選用MAXIM 公司的集成微處理器監控復位電路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，經過抗混疊濾波和采樣保持送入DSP中的模數轉換器A/D。把4 路模擬輸入設置為4個單輸入通道或2個差分輸入通道。并實現4個模擬通道的無相差采樣。為滿足系統需要，可程控設置采樣點。本系統中，電流和電壓每周波采樣30點，采樣頻率為l500Hz。 　　2.2系統工作原理 　　經信號采集模塊采集被監測異步電動機的定子電流、電壓信號，經過一系列的信號預處理和變換，變換為DSP可以接受的數字信號并送入DSP。DSP對信號采集模塊送來的數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生故障以及故障程度的大小。故障處理模塊則根據DSP診斷模塊的輸出，及時發出聲光報警以通知工作人員做出相應的處理。必要時，現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場做進一步分析和判斷。 3 軟件設計 　　本系統軟件采用TI公司的集成開發環境CCS2.0進行開發，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。系統程序還通過TI公司的BOOTLOADER 技術，在硬件復位后，主程序從片外FLASH ROM下載到片內快速RAM中全速運行，實現系統的自舉功能。 　　整個程序采用模塊化結構，主要分為系統初始化、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。系統程序框圖如圖4所示。系統初始化后，首先由信號處理采集模塊每1024個采樣值就給主程序發出中斷，然后由信號處理模塊對采樣數據進行1024采樣值的按時間抽取的快速傅立葉變換（FFT），獲得采樣數據的頻域信息，第三階段是故障頻率比較和識別模塊根據將此頻域信息與內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生故障，如果發生故障就調用故障處理模塊進行處理。否則，系統開始下一周期的程序執行。 [align=center] 圖4 主程序流程圖[/align] 4 結束語 　　本文介紹的基于CAN總線和DSP的分布式異步電動機在線監測和故障診斷系統，克服了現有同類故障診斷系統實時性差、診斷性能差等缺陷，達到了一定的實用效果，具有推廣價值。 　　該系統將微機監控系統、檢測與控制技術、現場總線技術、組態軟件技術結合起來，實現了電動機運行狀態參數檢測、故障診斷與處理的控制與管理一體化，為生產過程的在線監測與控制提供了正確依據，為迅速實現故障診斷與處理提供了可靠的保證。 　　本文作者創新點：設計了一種基于CAN總線和DSP的分布式異步電動機在線監測和故障診斷系統，在軟硬件設計中采用了模塊化的結構，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總線的監控系統設計[J].微計算機信息，2005，7:34-36 　　[2]劉和平.TMS320LF240XDSP結構、原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社.2002 　　[3]施金鴻，祈偉等.基于現場總線的智能測控保護系統的研制[J].工業控制計算機.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[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測故障診斷系統設計[J].礦山機械.2004，12:67-68