高可靠多功能電量監(jiān)控器的研制

劉忠強，張 立，張春曉，孔祥飛，申安安

（沈陽儀表科學研究院有限公司，沈陽110043）

在城市市政建設(shè)中，雨水、污水等泵站的自動化技術(shù)日趨向信息化方向發(fā)展[1]，目前，在國內(nèi)大部分城市泵站控制和管理還處于相對落后的狀態(tài)，泵站的維護工作多采用人工定期巡視，巡視人員兩次巡視時間間隔較長，電機一旦發(fā)生過流、過壓等系統(tǒng)故障，無法及時報警，無法合理、及時地控制泵站電機的啟停，不能及時做出相應(yīng)的技術(shù)處理，嚴重時將會燒毀電機，造成積水無法排出等事故，影響正常的交通秩序，凸現(xiàn)出人工巡視的弊端，因此，泵站的正常運作至關(guān)重要，各泵站將對水泵電機的監(jiān)控作為日常一項重要工作[2]，實時了解與監(jiān)控水泵電機參數(shù)的工作狀態(tài)，此外，在電機運行的電網(wǎng)中，存在嚴重的電氣干擾，極易導(dǎo)致電子設(shè)備損壞，故在此研制了城市防澇排水泵站測控系統(tǒng)的電量監(jiān)控器，該電量監(jiān)控器采用多種保護措施，實現(xiàn)水泵電機在高干擾應(yīng)用環(huán)境下的高可靠，當本地無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，通過現(xiàn)場串口配置，通過RS485 連接能迅速啟用現(xiàn)場有線通信[3]，增加了現(xiàn)場設(shè)備的冗余性。

1 泵站測控系統(tǒng)架構(gòu)

城市防澇排水泵站測控系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示[4]。排水泵站所安裝的泵站監(jiān)控儀包括無線雨量儀、無線流量儀、無線液位儀、無線電量監(jiān)控器和無線射頻識別RFID（Radio Frequency IDentification）門禁等監(jiān)控設(shè)備，該設(shè)備將采集到的信息通過無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)[5]傳送轉(zhuǎn)發(fā)到ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過RS485總線上傳到泵站中央監(jiān)控器，并接受本站中央監(jiān)控器下發(fā)的控制命令，執(zhí)行相應(yīng)的控制動作，泵站中央監(jiān)控器也將信息發(fā)送到城市泵站監(jiān)控中心，并接收城市泵站監(jiān)控中心的指令，再通過通訊下達到泵站電量監(jiān)控器，控制現(xiàn)場泵站電機的啟停[6]。

圖1 城市防澇排水泵站測控系統(tǒng)的架構(gòu)Fig.1 Structure of measurement and control system of urban flood prevention and drainage pump station

2 電量監(jiān)控器硬件設(shè)計

電量監(jiān)控器作為泵站監(jiān)控設(shè)備中的重要一員，電量監(jiān)控器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電量監(jiān)控器結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of electricity monitor structure

高可靠多功能電量監(jiān)控器采用意法半導(dǎo)體（ST）公司推出的基于ARM Cortex-M3系列STM32微控制器為控制核心[7]，負責控制相關(guān)部件及數(shù)據(jù)處理；電源模塊為電量監(jiān)控器提供需要的對應(yīng)電壓及功率；電參數(shù)測量模塊采集泵站電機的電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因素、頻率和有功電度等電參數(shù)；本地配置通信模塊采用RS232 方式，支持升級電量監(jiān)控器程序、參數(shù)的設(shè)置與查詢；數(shù)字量檢測模塊具有8 路接口電路，檢測直流供電電源是否有效供電，檢測電機處于啟動狀態(tài)還是停機狀態(tài)，采集相應(yīng)電機啟停按鍵的狀態(tài)信息；存儲信息模塊采用Flash 數(shù)據(jù)存儲器，存儲器主要負責存放運行時的電參數(shù)信息，能夠保存7 d的電參數(shù)信息，另外還存放電量監(jiān)控器的一些配置參數(shù)；數(shù)字量控制模塊具有4 路接口電路，用于電機的啟?？刂萍罢Z音報警的開關(guān)動作，當水泵電機啟動時，語音報警器發(fā)出語音告警；人機鍵盤模塊及本地顯示器模塊實現(xiàn)人與監(jiān)控器的信息交互，液晶顯示模塊能查詢電壓電流等電參數(shù)信息和電機的啟停狀態(tài)；無線及有線通信模塊負責與泵站中央控制器進行信息的收發(fā)雙向傳輸。

電量監(jiān)控器所處的水泵電機環(huán)境，主要存在的干擾是雷擊、浪涌，進而引發(fā)過電壓、過電流等問題，嚴重影響電子產(chǎn)品安全與壽命，在此，過電流保護采用自恢復(fù)保險專用防護元件；過電壓保護使用穩(wěn)壓二極管、瞬態(tài)電壓抑制器、壓敏電阻、氣體放電管等專用防護元件，無線通信電路對電源紋波的要求高，設(shè)計時采用了濾波電路，將電子監(jiān)控器應(yīng)用于強電環(huán)境中，設(shè)備和人的安全性是必須解決的，對于可靠性的設(shè)計主要包含在各個單元電路中。

3 各單元電路的設(shè)計

3.1 電源管理電路

電量監(jiān)控器電源管理電路如圖3所示。

電源模塊解決在電機高干擾條件下電源可靠性問題，系統(tǒng)采用12 V 供電，電量監(jiān)控器具有直流電源和蓄電池雙電源供電，供電方式的選擇是自適應(yīng)識別的，當直流電源出現(xiàn)故障時，自動切換為蓄電池供電，電源模塊采用多重保護電路和濾波電路、隔離電路實現(xiàn)系統(tǒng)的電源高可靠性，熔斷器F1增加了電源的過電流保護；壓敏電阻VDR1，氣體放電管T1，雙向瞬態(tài)電壓抑制器D1與D5，單向瞬態(tài)電壓抑制器D2和穩(wěn)壓管D4增加了電源的過電壓保護；差模濾波器L1，L2和共模濾波器L3減少了電源紋波，系統(tǒng)電源部分采用隔離電源U2設(shè)計，將該系統(tǒng)的電源與市電部分隔離開來。

圖3 電源管理電路Fig.3 Power management circuit

該電量監(jiān)控器采用MORNSUN的隔離穩(wěn)壓電源WRB1205S-2W，輸出5 V 電源，之后采用電容濾波，濾除高頻和低頻干擾，進一步降低電源紋波，5 V轉(zhuǎn)換3.3 V 采用Advanced Monolithic Systems 公司的AMS1117-3.3 芯片。

3.2 電參數(shù)測量電路

電參數(shù)測量模塊功能結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中，交流電即為水泵電機的供電線路，電量監(jiān)控器電參數(shù)測量模塊采集單相或三相交流電電壓、電流信號，電壓經(jīng)過分壓電阻，電流經(jīng)過高精度電流互感器[8]，把大電壓電流轉(zhuǎn)換為小電壓電流，然后通過濾波電路，信號進入電能計量芯片，實時采樣處理濾波后的信號，得出單相相電壓、相電流有效值、視在功率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、線頻率等信息，STM32 微控制器通過SPI總線讀取電能計量芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，在此，電能計量芯片采用Cirrus Logic單相功率IC 芯片CS5484，利用三片分別用于交流電的A、B、C相，組合成三相功率采集[9]，信號隔離芯片采用光耦隔離器。

圖4 電參數(shù)測量功能結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of electrical parameter measurement structure

電參數(shù)測量模塊一相電壓采集電路如圖5所示，圖中，U1為獨立的一相電壓，電路采用壓敏電阻VDR2與雙向瞬態(tài)電壓抑制器D8并聯(lián)的形式達到電路中的浪涌雙重保護[10]。通過6個電阻分壓，將大電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰妷?，滿足后端電能計量芯片要求的最大輸入電壓，電阻采用精度高的直插大電阻串聯(lián)，滿足系統(tǒng)的高精度及高穩(wěn)定要求，之后通過電阻及電容對信號進行濾波，文中的電量監(jiān)控器具有測量三路單相、三相三線制或三相四線制[11]中的三相電的電參數(shù)，三相電應(yīng)用中，將三相的VINU-，VINV-，VINW-共地連接。

圖5 電參數(shù)測量一相電壓采集電路Fig.5 One phase voltage acquisition circuit for electric parameter measurement

電參數(shù)測量模塊一相電流采集電路如圖6所示，圖中，U3為高精度電流互感器，用于將電機的大電流轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰娏鳎籖9為采樣電阻，將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺瑢INA+與IINA-的電壓限伏在電能計量芯片要求的最大輸入電壓以下，采樣電阻選擇高精度電阻，同時R7與R10使信號變換為差分信號，雙向瞬態(tài)電壓抑制器D7與D9組成電壓限幅電路，將浪涌大電壓限幅在芯片可接受的最大電壓以下，三相電應(yīng)用中將三相電流中的GND-N 共地連接。

圖6 電參數(shù)測量一相電流采集電路Fig.6 One phase current acquisition circuit for electric parameter measurement

圖7 電參數(shù)測量模塊與MCU 連接電路Fig.7 Electrical parameter measurement module and MCU interface circuit

電參數(shù)測量模塊與MCU 連接電路如圖7所示。系統(tǒng)中2 片CS5484 芯片U14，U15實現(xiàn)三路單相電壓有效值、電流有效值、視在功率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、線頻率等信息獲取，MCU 通過SPI總線讀取電能計量芯片相關(guān)寄存器信息，經(jīng)過運算處理算出三相合相電參數(shù)。

CS5484 芯片U14的XIN 管腳與XOUT 管腳外接晶振，CPUCLK 連接到CS5484 芯片U15的XIN，系統(tǒng)只用1個晶振，實現(xiàn)了2 片CS5484 芯片時鐘的同步，電參數(shù)測量模塊采用獨立的隔離電源模塊，將5 V 電源轉(zhuǎn)換為3.3 V 電源，CS5484與MCU之間采用數(shù)字隔離器Si8461，其中5 路信號從MCU發(fā)給CS5484，1 路信號從CS5484 發(fā)給MCU，通過電源隔離、信號隔離，電參數(shù)測量模塊與系統(tǒng)其它部分完全隔離，實現(xiàn)了強電對設(shè)備和人的安全性，同時解決了不同部分電路相互干擾的問題。

3.3 數(shù)字量檢測模塊電路

監(jiān)控器數(shù)字量檢測模塊電路如圖8所示，接口電路包括熔斷器F2，壓敏電阻R45，光電耦合器TLP521。壓敏電阻有效地抑制開關(guān)浪涌；光電耦合器隔離了外部開關(guān)信號與內(nèi)部電路，解決了外部開關(guān)信號對微控制器電路的干擾。

圖8 數(shù)字量檢測模塊電路Fig.8 Digital quantity detection module circuit

電能計量芯片采用Cirrus Logic 芯片CS5484[12]。

3.4 數(shù)字量控制模塊電路

高可靠多功能電量監(jiān)控器數(shù)字量控制模塊電路如圖9所示，接口電路包括光電耦合器、續(xù)流二極管D20，輸出為繼電器輸出，光電耦合器將微控制信號與外部控制繼電器的信號進行電氣隔離，繼電器釋放時，繼電器線圈存在的電感會使線圈兩端產(chǎn)生較高感應(yīng)電壓，增加續(xù)流二極管，繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流由二極管流過，因此不會產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，從而保護了晶體管Q1。

圖9 數(shù)字量控制模塊電路Fig.9 Digital quantity control module circuit

3.5 有線通信模塊電路

高可靠多功能電量監(jiān)控器有線通信模塊電路結(jié)構(gòu)圖如圖10所示，圖中，有線通信RS485模塊采用獨立的隔離電源模塊，將5 V 電源與RS485的5 V電源隔離開，485 芯片采用ISL3152，ISL3152與MCU 之間采用光電耦合器CPL-060，通過電源隔離、信號隔離，有線通信RS485模塊輸出與系統(tǒng)其它部分完全隔離，RS485通信模塊的輸出端A與B之間連接有雙向瞬態(tài)電壓抑制器D17，輸出端A與機殼之間連接一個雙向瞬態(tài)電壓抑制器D18，輸出端B與機殼之間連接一個雙向瞬態(tài)電壓抑制器D16，增加了過電壓保護，輸出端A與端子之間連接熔斷器TC2，輸出端B與端子之間連接熔斷器TC1，增加過電流保護，根據(jù)不同的系統(tǒng)應(yīng)用，可以通過開關(guān)選擇是否將上拉電阻、下拉電阻、匹配電阻接入電路中[13]。

圖10 有線通信模塊電路Fig.10 Wired communication module circuit

3.6 無線通信模塊電路

監(jiān)控器無線通信模塊電路如圖11所示，該系統(tǒng)無線通信采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行信息數(shù)據(jù)的傳輸，無線通信模塊選擇Digi 公司的XBee-PRO模塊，視距傳輸距離能達到3200 m，室內(nèi)有隔擋物傳輸距離也能達到90 m，滿足泵站范圍內(nèi)的通信距離，圖中，F(xiàn)B1為磁珠，磁珠與電容C37和C38的濾波進一步降低了電源的紋波。

圖11 無線通信模塊電路Fig.11 Wireless communication module circuit

4 軟件設(shè)計

在電量監(jiān)控器軟件設(shè)計中，采用了面向過程的模塊劃分方法進行設(shè)計，STM32的軟件開發(fā)主要采用庫函數(shù)的方法，少部分代碼直接采用操作寄存器的編程方法[14]。

整個應(yīng)用程序軟件包括底層驅(qū)動模塊、標定模塊、電參數(shù)采集處理模塊、報警模塊、液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊、存儲及參量配置模塊、測試模式模塊、升級模塊、數(shù)據(jù)上傳模塊、定時模塊、Modbus處理模塊、維護功能模塊等，電量監(jiān)控器中電參數(shù)采集處理模塊為核心，其流程如圖12所示。

5 系統(tǒng)測試

5.1 電參數(shù)精度測試

電參數(shù)精度測試如圖13所示，三相標準源發(fā)出標準信號給電量監(jiān)控器，從電腦的上位機軟件讀出電量監(jiān)控器傳輸給電腦的參數(shù)數(shù)據(jù)，電量監(jiān)控器實現(xiàn)的精度與預(yù)期的指標對比見表1。

5.2 無線通信測試

圖12 電參數(shù)采集處理流程Fig.12 Flow chart of electric parameter acquisition and processing

圖13 電參數(shù)精度測試示意圖Fig.13 Schematic of electrical parameter accuracy test

表1 實現(xiàn)的精度與預(yù)期指標的對比Tab.1 Comparison between the accuracy achieved and the expected indexes

5.2.1 發(fā)射功率測試無線通信發(fā)射功率測試如圖14所示，電量監(jiān)控器進入測試模式，使電量監(jiān)控器無線通信模塊發(fā)射端全功率連續(xù)發(fā)射傳輸給N4010 無線連接測試儀，在電量監(jiān)控器連續(xù)發(fā)射情況下，在電腦端安捷倫89600 軟件中讀出電量監(jiān)控器無線通信模塊的輸出功率。

圖14 無線通信發(fā)射功率測試示意圖Fig.14 Schematic of wireless communication transmission power test

5.2.2 接收靈敏度測試

無線通信接收靈敏度測試如圖15所示，電量監(jiān)控器進入測試模式，關(guān)閉電量監(jiān)控器無線通信模塊發(fā)射端輸出，N4010 無線連接測試儀在最小要求接收功率值下發(fā)射100 包字節(jié)長度為22 B的數(shù)據(jù)，計算機測試上位機統(tǒng)計電量監(jiān)控器的RS232端口的接收成功率應(yīng)≤0.1%[15]。

圖15 無線通信接收靈敏度測試示意圖Fig.15 Schematic of wireless communication receiving sensitivity test

電量監(jiān)控器無線通信參數(shù)實現(xiàn)指標與預(yù)期指標的對比見表2。

表2 無線通信參數(shù)實現(xiàn)指標與預(yù)期指標的對比Tab.2 Comparison between the realization indexes and expected indexes of wireless communication parameters

5.3 功能測試

電量監(jiān)控器安裝于現(xiàn)場，在電機運行及天氣惡劣的現(xiàn)場環(huán)境中，電量監(jiān)控器啟停電機功能正常，上傳數(shù)據(jù)準確，無丟包現(xiàn)象，各種功能穩(wěn)定運行。

6 結(jié)語

所設(shè)計的高可靠、多功能電量監(jiān)控器硬件和軟件均采用模塊化設(shè)計方法，該系統(tǒng)具有測量水泵電機的電參數(shù)、檢測電機啟停狀態(tài)、控制電機的啟動與停止、現(xiàn)場報警、現(xiàn)場數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)遠傳等多種功能；在支持無線通信的情況下，有線通信的加入是故障的有益快速解決手段；在電路上的過電壓、過電流保護措施有效地解決了浪涌問題；采用隔離技術(shù)有效地解決了強電應(yīng)用中安全問題和不同電路的互相干擾問題，使電量監(jiān)控器穩(wěn)定運行在電機運行的環(huán)境，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了城市防澇排水泵站的全自動化，不但實現(xiàn)了泵站抽水泵運轉(zhuǎn)情況的實時監(jiān)控，為及時處理故障提供條件，同時實現(xiàn)了城市防澇排水泵站的無人值守，具有實用和推廣價值。