摘 要：為實(shí)現(xiàn)工礦企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的眾多異步電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況實(shí)施有效監(jiān)控，本文提出了一種基于CAN總線、以美國(guó)德州儀器（Texas Instruments）TMS320LF2407數(shù)字信號(hào)處理器為核心的分布式異步電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)。從應(yīng)用角度，運(yùn)用檢測(cè)與控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)、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(hào)處理器;在線監(jiān)測(cè);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(jì)方案的提出 　　工礦企業(yè)中，最重要的負(fù)荷是各種大中型異步電動(dòng)機(jī)，這些電動(dòng)機(jī)一旦出現(xiàn)故障將嚴(yán)重影響生產(chǎn)，并帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線上的眾多異步電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況實(shí)施有效監(jiān)控。從應(yīng)用角度，基于智能儀表技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)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(duì)某水泥廠的技術(shù)改造，本文提出一種基于CAN總線、以美國(guó)德州儀器（Texas Instruments）TMS320LF2407數(shù)字信號(hào)處理器為核心的分布式異步電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了該企業(yè)的眾多電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行、設(shè)備保護(hù)、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(dòng)機(jī)的較常見(jiàn)故障。目前常用的在線監(jiān)測(cè)方法有定子電流頻譜法、振動(dòng)信號(hào)頻譜法及局部放電法等。由于本文針對(duì)的是種單一系統(tǒng)，而這些方法對(duì)電機(jī)的某些故障的診斷具有較高的準(zhǔn)確性，所以本文涉及的大中型異步電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)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(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的定子電流頻譜法。定子電流頻譜法實(shí)質(zhì)上是將電動(dòng)機(jī)的定子繞組作為監(jiān)測(cè)設(shè)備的一個(gè)探測(cè)線圈參與對(duì)電動(dòng)機(jī)的故障檢測(cè)。 　　當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)某種故障時(shí)，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(shí)，異步電動(dòng)機(jī)定子電流的故障特征頻率不同，通過(guò)故障頻率檢測(cè)與比較，判斷及處理其故障。 　　值得指出的是，對(duì)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(hào)進(jìn)行綜合評(píng)判以進(jìn)一步提高故障診斷得準(zhǔn)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(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)CAN總線接口模塊、數(shù)字信號(hào)處理器、信號(hào)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(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　2.1.1上位機(jī) 　　上位機(jī)采用研華工控機(jī)，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(jī)具有監(jiān)視、實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)表打印于數(shù)據(jù)庫(kù)處理。KingView是基于Windows 98/2000/NT中文平臺(tái)上的通用工業(yè)自動(dòng)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(shí)時(shí)多任務(wù)，多線程，采樣速度快，可靠性高;廣泛支持國(guó)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(shí)支持OPC、ActiveX、ODBC、TCP/IP、DDE、現(xiàn)場(chǎng)總線、Modem、伺服驅(qū)動(dòng)等;數(shù)據(jù)和系統(tǒng)功能全面開(kāi)放，嵌有許多功能強(qiáng)大的控件，同時(shí)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(kuò)充性、封裝性、通用性等基本特點(diǎn)。 　　直觀的組態(tài)圖形不僅可以使管理人員監(jiān)視到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)流程，并且實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的可視化。對(duì)其控制功能如開(kāi)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(jī)設(shè)為兩臺(tái)，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(jī)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(jī)由工控機(jī)和網(wǎng)卡組成，網(wǎng)卡用于實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與CAN總線的連接，即用于進(jìn)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(jī)通過(guò)網(wǎng)卡作為數(shù)據(jù)緩沖與CAN總線連接，SJA1000和PCA82C250組成標(biāo)準(zhǔn)CAN總線，實(shí)現(xiàn)與數(shù)字信號(hào)處理器的數(shù)據(jù)交換。CAN總線的信號(hào)傳輸采用差動(dòng)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(duì)總線的差動(dòng)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(shí)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(chǎng)的通信要求。 　　2.1.3 DSP系統(tǒng)硬件電路 　　為了使設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)不僅滿足用戶提出的性能優(yōu)良，維護(hù)簡(jiǎn)便，價(jià)格合理的要求，還要具有可靠性高的優(yōu)勢(shì)以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。因此針對(duì)水泥生產(chǎn)線異步電動(dòng)機(jī)的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)得設(shè)計(jì)，我們選用了德州儀器性價(jià)比高、可靠性高，功耗低的TMS320LF2407DSP作為系統(tǒng)核心。DSP對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行在線信號(hào)采集、測(cè)控與故障處理;DSP判斷電動(dòng)機(jī)故銜后，由LCD顯示出故障部位并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào);傳感元件用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的電流信號(hào)和電壓信號(hào)。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(guó)德州儀器推出的低成本、低功耗、高性能定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF240X 中的一種超集控制器，對(duì)電動(dòng)機(jī)的數(shù)字化控制非常有用。其具有改進(jìn)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(shí)時(shí)控制能力。片內(nèi)具有高達(dá)32K字的FLASH程序存儲(chǔ)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(gè)事件管理模塊，每個(gè)模塊又包括：兩個(gè)16位通用定時(shí)器、8個(gè)16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道。3個(gè)捕獲單元、16通道A/D轉(zhuǎn)換器?？蓴U(kuò)展64K字程序存儲(chǔ)器、64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K字I/O尋址空間共計(jì)192K 字的外部存儲(chǔ)器（LF2404）。完全滿足多種對(duì)性能和功耗要求苛刻的應(yīng)用。同時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)需求，還具有10位A / D轉(zhuǎn)換器,其最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns,且可選用事件管理器來(lái)觸發(fā)的兩個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)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(shí)鐘發(fā)生器;40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳（GPIO）;5個(gè)外部中斷（電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位機(jī)兩個(gè)可屏蔽中斷）。 　　DSP系統(tǒng)通過(guò)電流互感器和電壓互感器等傳感元件，采集異步電機(jī)運(yùn)行中實(shí)時(shí)電流信號(hào)和電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、低通濾波等信號(hào)調(diào)理模塊，經(jīng)過(guò)DSP中的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后, DSP 對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，將信號(hào)變換至頻域，DSP根據(jù)頻域中是否含有與異步電機(jī)故障相對(duì)應(yīng)的特征頻率來(lái)判斷電機(jī)是否發(fā)生故障。如發(fā)生故障則發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)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(dòng)機(jī)定子電流信號(hào)和電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(gè)單輸入通道或2個(gè)差分輸入通道。并實(shí)現(xiàn)4個(gè)模擬通道的無(wú)相差采樣。為滿足系統(tǒng)需要，可程控設(shè)置采樣點(diǎn)。本系統(tǒng)中，電流和電壓每周波采樣30點(diǎn)，采樣頻率為l500Hz。 　　2.2系統(tǒng)工作原理 　　經(jīng)信號(hào)采集模塊采集被監(jiān)測(cè)異步電動(dòng)機(jī)的定子電流、電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列的信號(hào)預(yù)處理和變換，變換為DSP可以接受的數(shù)字信號(hào)并送入DSP。DSP對(duì)信號(hào)采集模塊送來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換把時(shí)域信號(hào)從變換為頻域信號(hào)，根據(jù)此頻域中是否含有電動(dòng)機(jī)各種故障的特征頻率來(lái)判斷電動(dòng)機(jī)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(shí)發(fā)出聲光報(bào)警以通知工作人員做出相應(yīng)的處理。必要時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)還可以通過(guò)其通用串行接口USB連接便攜式電腦。由其對(duì)電動(dòng)機(jī)故障部位和故障程度在現(xiàn)場(chǎng)做進(jìn)一步分析和判斷。 3 軟件設(shè)計(jì) 　　本系統(tǒng)軟件采用TI公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS2.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其中，主程序用C 語(yǔ)言編程，其它如信號(hào)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(yǔ)言編程。系統(tǒng)程序還通過(guò)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(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自舉功能。 　　整個(gè)程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要分為系統(tǒng)初始化、信號(hào)采集、信號(hào)處理、故障頻率比較和判斷以及故障處理5個(gè)模塊。程序運(yùn)行分為4個(gè)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(hào)處理采集模塊每1024個(gè)采樣值就給主程序發(fā)出中斷，然后由信號(hào)處理模塊對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行1024采樣值的按時(shí)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(shí)別模塊根據(jù)將此頻域信息與內(nèi)部?jī)?chǔ)存的故障特征頻率表進(jìn)行比較和判斷，最后是判斷電動(dòng)機(jī)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(jìn)行處理。否則，系統(tǒng)開(kāi)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(yǔ) 　　本文介紹的基于CAN總線和DSP的分布式異步電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有同類故障診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差、診斷性能差等缺陷，達(dá)到了一定的實(shí)用效果，具有推廣價(jià)值。 　　該系統(tǒng)將微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、檢測(cè)與控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、組態(tài)軟件技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)、故障診斷與處理的控制與管理一體化，為生產(chǎn)過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)與控制提供了正確依據(jù)，為迅速實(shí)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(diǎn)：設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線和DSP的分布式異步電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，在軟硬件設(shè)計(jì)中采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、診斷性能好、準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)。 參考文獻(xiàn) 　　[1]楊飛，鄭貴林. 基于CAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)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(chǎng)總線的智能測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)的研制[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī).2006，7:64-65 　　[4]余瓊芳，董愛(ài)華等.基于DSP的大中型異步電動(dòng)機(jī)故障診斷模糊專家系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)電.2003，6:10-12 　　[5]何易.基于DSP的大中型異步電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械.2004，12:67-68