一種新型電力電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

譚立志，李二喜，蔣松云

（株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平日益提高，電力電纜用量日益增多，電纜火災(zāi)事故的發(fā)生幾率也隨之增大。目前常用的電力電纜溫度監(jiān)測方法有感溫電纜式測溫系統(tǒng)、熱敏電阻式測溫系統(tǒng)和光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)[1]等三種，但都存在易出現(xiàn)破壞性報(bào)警、報(bào)警溫度固定、故障信號(hào)不全、布線復(fù)雜、維護(hù)工作量大和設(shè)備成本高等不足。針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新型電力電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，能有效監(jiān)控電力電纜設(shè)備工作環(huán)境狀態(tài)，預(yù)防和杜絕電纜火災(zāi)事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)概述

電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)由后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)、嵌入式溫度采集單元、M-Bus數(shù)字溫度傳感器三部分組成。首先M-Bus數(shù)字溫度傳感器監(jiān)測出電纜的實(shí)際溫度值，溫度傳感器通過歐洲儀表總線M-Bus與數(shù)據(jù)采集單元連接，數(shù)據(jù)采集單元將溫度數(shù)據(jù)采集后通過CAN總線上傳給后臺(tái)監(jiān)測工作站，后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，得出溫度變化趨勢曲線，并根據(jù)設(shè)定的不同溫度告警值進(jìn)行分級(jí)報(bào)警。電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2 電路硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器的硬件設(shè)計(jì)

溫度傳感器硬件系統(tǒng)主要由數(shù)字溫度傳感器、主控制器和M-Bus總線接口等3個(gè)部分組成。該溫度傳感器終端采用M-Bus總線，線纜既可完成數(shù)據(jù)通信功能，又可為溫度傳感器單元供電，從而使溫度傳感器單元的硬件設(shè)計(jì)最大程度簡化，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。溫度傳感器單元結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 溫度傳感器單元結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 溫度傳感器主控制器

溫度傳感器主控制器采用TI公司的具有精簡指令集、超低功耗的 16 bit單片機(jī) MSP430F122[2]，主控制器將數(shù)字溫度傳感器的溫度值讀出，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)采集單元發(fā)來的溫度請求命令時(shí)將溫度值通過M-Bus總線上傳到數(shù)據(jù)采集單元裝置。溫度傳感器主控制器外部連接電路圖如圖3所示。

圖3 溫度傳感器主控制器外部連接電路圖

溫度傳感器主控制器（MSP430F122微處理器）的第7腳外接電阻R6和電容C4，組成系統(tǒng)的上電復(fù)位電路，其第5腳、第6腳外接一個(gè)4 MHz的晶體振蕩器T1、電容 C2、C3，組成系統(tǒng)時(shí)鐘電路；第 15腳、16腳連至M-Bus總線接口芯片 TSS721的串口上，其中UTXD0作為輸出口向TSS721芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，URXD0作為輸入口接收數(shù)據(jù)從芯片TSS721發(fā)送過來的數(shù)據(jù)；其25腳接至TSS721的第 5腳，組成系統(tǒng)斷電保護(hù)電路；第 23腳TA1作為雙向I/O口接至溫度傳感器DS18B20，負(fù)責(zé)從溫度傳感器讀取測點(diǎn)溫度值；通過第2腳接在TSS721芯片上的第11腳VDD穩(wěn)壓輸出端，通過M-Bus總線給微處理器供電。

2.1.2溫度傳感器

測溫系統(tǒng)選用目前非常成熟的數(shù)字傳感器芯片DS18B20。DS18B20第1腳、第3腳分別與地線、電源線連接，第2腳外接一個(gè)4.7 kΩ上拉電阻后接至主控制器MSP430F122的第23腳TA1。本系統(tǒng)采用電纜直接接觸測溫的方式，將傳感器DS18B20與主控制器及M-Bus芯片組成的傳感器系統(tǒng)電路板封裝于不銹鋼金屬套內(nèi)并灌入導(dǎo)熱膠封裝，用引線將數(shù)據(jù)線引出，使得傳感器具有防擠壓和防水的能力，并能有效屏蔽電纜線路對(duì)傳感器系統(tǒng)的干擾。

2.1.3 M-Bus接口單元

M-Bus總線是由Paderborn大學(xué)的Horst Ziegler與TI公司的Deutschland GmbH和TechemGmbH共同提出[3]的。TSS721是根據(jù)M-Bus通信標(biāo)準(zhǔn)（EN1434-3）生產(chǎn)的M-Bus總線專用的終端收發(fā)器集成芯片。M-Bus接口電路圖如圖4所示。

圖4 M-Bus接口電路圖

TSS721的兩個(gè)引腳 BUSL1、BUSL2通過 220 Ω 的保護(hù)電阻后接至M-Bus總線上，作為 TSS721與 M-Bus總線間提供數(shù)據(jù)交換的通道；RX和TX引腳連接到從機(jī)處理器 MSP430F122的第 15、16腳，提供 M-Bus集成芯片TSS721與從機(jī)微處理間的數(shù)據(jù)通信；SC為采樣電容連接端，保證TSS721在標(biāo)志狀態(tài)下，能夠獲取靜態(tài)電流；STC為供電電容接入端，保證TSS721在空閑狀態(tài)下提供附件脈沖電流；VDD為穩(wěn)壓輸出端，可提供3.3 V的電壓維持從機(jī)供電；PF引腳與從機(jī)微處理器MSP430F122的第25腳TCK引腳相連，進(jìn)行掉電檢測，掉電時(shí)通知微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)掉電保存。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

嵌入式M-Bus數(shù)據(jù)采集單元硬件部分由主控模塊、電源、M-Bus收發(fā)電路、CAN總線通信電路等組成。在系統(tǒng)初始化完成后，上位機(jī)通過CAN總線將每路MBus上掛靠的傳感器的地址碼發(fā)給嵌入式M-Bus數(shù)據(jù)采集單元并儲(chǔ)存地址碼；采集器主模塊讀取地址碼，通過串口向M-Bus發(fā)送采集命令，通過M-Bus接收電路調(diào)理之后，傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)送入主控模塊A/D；主控模塊通過軟件分析得到數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)；當(dāng)接收到上位機(jī)要求發(fā)送所有掛靠的傳感器命令之后，采集器將數(shù)據(jù)打包上傳至上位機(jī)。數(shù)據(jù)采集單元總體設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集單元總體設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)采用32 bit ARM芯片LPC2387作為核心主控芯片。TinyARM T2387嵌入式工控模塊是將ARM最小系統(tǒng)、以太網(wǎng)控制器、低功耗RTC及海量存儲(chǔ)設(shè)備高度集成于一塊尺寸僅為45 mm×32 mm的PCB板上，結(jié)合同樣可以定制的底板，靈活地配置I/O和各種通信口。例如模擬量輸入/輸出、開關(guān)量輸入/輸出，RS-232、RS-485、CAN-Bus和以太網(wǎng)等，都具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)接入能力，可滿足眾多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)需求。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫度傳感器的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字傳感器DS18B20將測點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度值存于其高速緩存器中，測溫終端中微處理器MSP430F122周而復(fù)始地從數(shù)字傳感器DS18B20中采集并存儲(chǔ)溫度信息。

微處理器對(duì)DS18B20的每一次訪問都以復(fù)位信號(hào)和ROM功能命令開始，對(duì)總線上的DS18B20來說，每一次復(fù)位信號(hào)意味著一次通信的開始，器件的響應(yīng)是以拉低總線向主機(jī)發(fā)出一個(gè)存在脈沖來實(shí)現(xiàn)的，之后器件準(zhǔn)備接收ROM功能命令，然后再完成其他對(duì)應(yīng)操作。

溫度傳感器單元接收模塊初始化后，接收數(shù)據(jù)的起始位的檢測由定時(shí)器的捕捉功能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不需要軟件控制，當(dāng)捕獲器檢測到起始位以后由接收中斷服務(wù)子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子程序完成數(shù)據(jù)發(fā)送。

3.2 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)核心部分為采集系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性有較高的要求。而μC/OS-Ⅱ是一種可移植、可固化、可裁剪及可剝奪型的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[4]。在此開發(fā)平臺(tái)上，將數(shù)據(jù)采集任務(wù)分為3個(gè)任務(wù)，各任務(wù)間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 各任務(wù)間的關(guān)系

（1）Task0主要是進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)的接收、解包處理。當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)行解包識(shí)別，根據(jù)不同命令發(fā)送不同信號(hào)量到任務(wù)2。

（2）Task1主要負(fù)責(zé)和上位機(jī)的通信，根據(jù)Task1的命令信息進(jìn)行相應(yīng)處理。當(dāng)收到發(fā)送數(shù)據(jù)命令時(shí)，讀取傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行打包處理和發(fā)送；當(dāng)收到存儲(chǔ)數(shù)據(jù)ROM碼時(shí)，存儲(chǔ)至文件系統(tǒng)。

（3）Task2主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。讀取文件系統(tǒng)存儲(chǔ)的DS18B20地址碼發(fā)送至M-Bus上，并通過A/D采集。

溫度數(shù)據(jù)的采集是本系統(tǒng)最基本也是最重要的功能。首先讀取文件系統(tǒng)中兩路M-Bus的DS18B20地址碼，通過 UART0和UART3發(fā)送至CAN總線上；然后根據(jù)每路負(fù)載的感溫探頭數(shù)量設(shè)置X9015基準(zhǔn)電平，以便于接收；最后打開ARM的A/D采樣進(jìn)行采集和分析，得出正確的溫度數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)采集流程如圖7所示。

圖7 溫度數(shù)據(jù)采集流程圖

本系統(tǒng) UART0、UART3波特率為2 400 b/s，每一位數(shù)據(jù)時(shí)間為1/2 400 s。為了保證數(shù)據(jù)分析正確率，對(duì)每位進(jìn)行16次A/D采集；然后根據(jù)16個(gè)數(shù)中高、低電平的個(gè)數(shù)確定本位為高電平或低電平。A/D采樣精度為10 bit，每次進(jìn)行兩路的采集，則A/D時(shí)鐘設(shè)置為：

2 400×16×10×2=768 000 Hz

感溫探頭回發(fā)數(shù)據(jù)為3 B，前2 B為溫度數(shù)值，最后一個(gè)字節(jié)為前2 B的校驗(yàn)和。如果數(shù)據(jù)不正確，則丟棄。由于每位采集16次，3 B加起始位、停止位，至少應(yīng)采集 （16×30=480個(gè)）480個(gè)數(shù)據(jù)。為確保采集到數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)每次采集1 400個(gè)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析時(shí)，首先計(jì)算無信號(hào)傳輸時(shí)的總線電壓，再將采集的電壓值與無信號(hào)時(shí)的總線電壓進(jìn)行比較，找到起始位；依次對(duì)各位進(jìn)行判斷。數(shù)據(jù)分析流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)分析流程圖

4 系統(tǒng)測試與運(yùn)行

在現(xiàn)場采集中，一般每路M-Bus上掛靠約30個(gè)感溫探頭。為保證留有一定裕量，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在每路MBus上掛靠50個(gè)感溫探頭，兩路共掛靠100個(gè)感溫探頭。經(jīng)過實(shí)測，此時(shí)每路M-Bus負(fù)載電流為0.15 A左右，采集板36 V電源輸出總電流為0.41 A。數(shù)據(jù)采集單元向M-Bus下發(fā)信號(hào)波形高電平為34.5 V，低電平拉至17 V，峰-峰值為17 V，滿足下位機(jī)供電要求和MBus協(xié)議要求。

未經(jīng)過處理的 27 Ω采樣電阻上的電壓信號(hào)波形如圖9所示。由于M-Bus上掛靠50個(gè)感溫探頭，每個(gè)感溫探頭耗電3 mA，故正常情況下采樣電阻電壓為U采樣電阻=（3×50×27）/1 000 V=4.05 V。

圖9 未經(jīng)過處理的采樣電阻電壓信號(hào)波形圖

當(dāng)有信號(hào)傳輸時(shí)，感溫探頭電流約為10 mA，則電壓峰-峰值為：UPP=（10×27/1000）V=0.27 V。

計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)相符?？梢娦盘?hào)波形經(jīng)過M-Bus接收電路放大 5倍，峰-峰差理論值達(dá)到1.5 V左右。經(jīng)過接收電路調(diào)整后的 27 Ω采樣電阻上的電壓信號(hào)波形如圖10所示。

圖10 經(jīng)過處理的采樣電阻電壓信號(hào)波形圖

由圖10可見，波形符合計(jì)算值，且有了很好的改善，更便于采集和分析。通過測試，數(shù)據(jù)采集單元能夠正常采集溫度，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

上位機(jī)通過收集各個(gè)數(shù)據(jù)采集單元的溫度，根據(jù)數(shù)據(jù)采集單元的具體位置，實(shí)時(shí)模擬顯示出各個(gè)段的溫度數(shù)據(jù)。其中一組實(shí)測電纜溫度如圖11所示。

圖11 一組實(shí)測電纜溫度

通過測試，數(shù)據(jù)采集單元能夠正常與上位機(jī)通信，正常采集溫度，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

從實(shí)際應(yīng)用情況來看，該系統(tǒng)達(dá)到了專業(yè)化監(jiān)測系統(tǒng)的水平。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠；同時(shí)具有布線和維護(hù)簡單、智能化程度高、能全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)同類產(chǎn)品的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有較大的參考價(jià)值。

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