基于DSP與ZigBee的電纜絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫中皋 王新軍 李夢(mèng)軻

摘 要：工礦開(kāi)采設(shè)備在較為惡劣的環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)易造成電纜絕緣老化，通過(guò)檢測(cè)電纜絕緣狀態(tài)可排除安全隱患。傳統(tǒng)絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用有線方式，布線難度大。因此設(shè)計(jì)一種基于DSP與ZigBee技術(shù)的絕緣狀態(tài)實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TMS320F28335為主控器，對(duì)采集的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行同相計(jì)算，并將計(jì)算得到的電阻值通過(guò)串口傳送給ZigBee模塊進(jìn)行壓縮打包，通過(guò)多跳方式傳送至監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)并發(fā)出預(yù)警信息。系統(tǒng)軟件部分采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)檢測(cè)精度高、實(shí)時(shí)性好，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：絕緣狀態(tài);TMS320F28335;ZigBee;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

DOI：10. 11907/rjdk. 201068 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）008-0139-04

Abstract：The mining equipment often operates in a severe environment， which is easy to cause the cable insulation aging. The hidden dangers can be eliminated by detecting the insulation state of the cable. The traditional insulation monitoring system mostly adopts wired mode， which makes wiring difficult. To solve this problem， this paper designs a real-time wireless monitoring system of insulation state based on digital signal processing （DSP） and ZigBee technology. The system uses TMS320F28335 as the main controller， carries on the same phase to the collected voltage and current signals， and transmits the calculated resistance value to ZigBee module through the serial port. ZigBee module compresses and packs the received data， and transmits it to the monitoring terminal through the multi hop mode. The terminal equipment can display， store and alarm. The software part of the system is designed and implemented with C language. The test results show that the system has high detection accuracy， good real-time performance and certain application value.

Key Words：insulation status; TMS320F28335;ZigBee; real time monitoring

0 引言

工礦開(kāi)采設(shè)備工作環(huán)境惡劣，高壓電纜絕緣材料極易老化失效[1]，使電纜出現(xiàn)故障。提前確保電纜絕緣處于良好狀態(tài)可保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，消除安全隱患，提升作業(yè)安全性。目前電纜絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方式主要有直流分量法、直流疊加法、局部放電測(cè)量法和接地線電流法等[2]。葉冠豪等[3]采用直流分量法，通過(guò)測(cè)量電纜水樹(shù)枝在長(zhǎng)期交流工作電壓下發(fā)生整流效應(yīng)從而產(chǎn)生微弱的直流漏電流大小，反映電纜絕緣材料老化程度，但由于水樹(shù)枝只存在于部分電路中，該方法適用范圍有限;李三旦[4]采用直流疊加法，將50V低壓直流電疊加在電纜工作時(shí)的內(nèi)部交流電上，通過(guò)判斷電纜絕緣層微弱的直流電流確認(rèn)電纜絕緣材料老化程度，但該方法易導(dǎo)致電壓互感器產(chǎn)生零序電壓，使繼電器發(fā)生誤判;顧朝敏等[5]采用局部放電法，對(duì)電纜施加高壓，觀察電纜中存在的雜質(zhì)、縫隙等引起的局部放電現(xiàn)象，根據(jù)放電信號(hào)強(qiáng)度判斷電纜絕緣狀態(tài)，但由于局部放電的電信號(hào)十分復(fù)雜，該方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè);程琳等[6]采用接地電流法，通過(guò)監(jiān)測(cè)接地電流反映絕緣電阻狀況，該方法實(shí)現(xiàn)了電纜無(wú)損傷監(jiān)測(cè)，易于實(shí)現(xiàn)。

隨著微處理器在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，采用單片機(jī)等微處理器進(jìn)行絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法提升了結(jié)果可靠性。王婷[7]將MSP430單片機(jī)與GPRS相結(jié)合，采集電纜絕緣電阻值，并采用ZigBee技術(shù)采集絕緣溫度用于判斷異常位置信息;蘇文[8]以DSP為主控器采集礦用高壓電纜特征參數(shù)，并通過(guò)RS485總線將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)終端。本文將DSP和ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有在線監(jiān)測(cè)技術(shù)融合，搭建一種高壓電纜絕緣電阻實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)電壓互感器、電流互感器和溫濕度傳感器采集電纜參數(shù)特征，DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同相、計(jì)算等處理后發(fā)送給ZigBee模塊，之后數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)無(wú)線多跳傳輸后發(fā)送至監(jiān)測(cè)終端。

1 系統(tǒng)總體方案

電纜絕緣狀態(tài)實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，分為信號(hào)采集模塊、DSP主控制器及ZigBee無(wú)線傳輸單元3部分。信號(hào)采集模塊主要采集電纜電壓與電流信號(hào)，并將信號(hào)調(diào)理至合適范圍，送至DSP片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器，另一路信號(hào)經(jīng)過(guò)方波轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)發(fā)送至DSP的eCAP單元，用于同相計(jì)算。DSP主控制器負(fù)責(zé)將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，對(duì)電壓和電流信號(hào)進(jìn)行同相處理，并計(jì)算出絕緣電阻值，與溫濕度信息一起傳送給ZigBee模塊。ZigBee無(wú)線傳輸單元將采集的電纜參數(shù)通過(guò)無(wú)線多跳的方式傳送至監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)串口上傳至上位機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊由交流互感器、增益放大電路、穩(wěn)壓電路及方波轉(zhuǎn)換電路組成，主要功能是將采集的電壓和電流信號(hào)調(diào)理至合適的數(shù)值范圍，包括電壓信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路及電流調(diào)理轉(zhuǎn)換電路兩部分。電壓調(diào)理轉(zhuǎn)換電路原理如圖2所示，電纜電壓信號(hào)經(jīng)電壓互感器TV1005-1M傳送至增益放大器，電阻R17控制互感器輸出的電壓范圍。

增益放大電路主要由運(yùn)算放大器AD620芯片組成，電阻R11與R14相結(jié)合控制AD620輸出信號(hào)幅度為-1.5V～+1.5V。放大后的電壓信號(hào)由四路運(yùn)算放大器LM324組成的加法電路提升到0～3V，其中二極管D14和D15的作用是確保電壓輸出范圍在0～3V，保障DSP的ADC模塊正常運(yùn)行。同時(shí)將已調(diào)理的電壓信號(hào)送入由施密特觸發(fā)器CD4093B組成的方波轉(zhuǎn)換電路，將正弦電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，送入DSP的eCAP單元提取信號(hào)周期并進(jìn)行相位檢測(cè)。

電流調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與電壓調(diào)理轉(zhuǎn)換電路相似，如圖3所示。不同之處為信號(hào)采集采用電流互感器TA1015，由于電流互感器輸出的電流十分微弱，因此電流調(diào)理轉(zhuǎn)換電路中的增益放大部分對(duì)信號(hào)的放大接近1 000倍，而電壓調(diào)理轉(zhuǎn)換電路中的放大倍數(shù)為2～3倍。兩個(gè)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路中的放大倍數(shù)作為參數(shù)在軟件中參與絕緣電阻計(jì)算，從而保證絕緣電阻值計(jì)算準(zhǔn)確。

2.2 DSP主控模塊

2.2.1 DSP選型

系統(tǒng)采用TMS320F28335的DSP芯片作為主控制器。TMS320F28335以功耗低、片上資源豐富等特點(diǎn)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。TMS320F28335的32位浮點(diǎn)運(yùn)算能力可完成較高精度的數(shù)據(jù)處理，150MHz的主頻可保證控制器完成高頻數(shù)據(jù)采集和分析。TMS320F28335片內(nèi)的12位AD轉(zhuǎn)換模塊滿足本文系統(tǒng)測(cè)量精度需求，且具有兩路采樣保持器，保證了系統(tǒng)對(duì)電壓信號(hào)和電流信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采集的設(shè)計(jì)需求。此外，TMS320F28335芯片特有的片內(nèi)增強(qiáng)型脈沖捕獲模塊eCAP可迅速捕獲輸入端口的電平狀態(tài)及脈沖，滿足本文系統(tǒng)對(duì)電壓和電流方波信號(hào)進(jìn)行同相處理的需求。

2.2.2 相位同步及絕緣電阻計(jì)算

保證電壓和電流相位同步是精準(zhǔn)計(jì)算絕緣電阻阻值的前提，且礦用電纜工作電壓多為高頻，增加了相位檢測(cè)難度[9]。如圖4所示，假設(shè)電壓信號(hào)和電流信號(hào)相位差為[Δθ]，本文采用相位同步方法對(duì)電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行同步并計(jì)算絕緣電阻，具體步驟為：①假設(shè)AD轉(zhuǎn)換器采樣頻率為[f]，則經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間間隔為[ΔT=1/f];②采用eCAP分別捕獲電壓和電流方波信號(hào)跳變脈沖，計(jì)算兩個(gè)信號(hào)上升沿跳變時(shí)間間隔，記為[Δt];③將滯后的信號(hào)數(shù)據(jù)向前移動(dòng)[Δn=ΔtΔT]個(gè)數(shù)據(jù)位，得到相位同步后的電壓和電流信號(hào);④采用文獻(xiàn)[8]提出的基于模型參數(shù)識(shí)別的絕緣電阻測(cè)量方法求出絕緣電阻值。

2.2.3 溫濕度采集

系統(tǒng)利用溫濕度傳感器DHT11采集監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度和濕度信息，采集數(shù)據(jù)以串行通訊方式送入DSP。

2.3 ZigBee無(wú)線傳輸單元

ZigBee無(wú)線通信具有低功耗、短距離高速傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。為遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，可采取多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)以接力的方式傳輸，各節(jié)點(diǎn)遵循同樣的通訊協(xié)議，構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸組織網(wǎng)絡(luò)[10-14]。無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)有多種拓?fù)漕愋?，本文系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)采用線性拓?fù)湓O(shè)計(jì)[15]，即采用一對(duì)一節(jié)點(diǎn)傳輸，節(jié)點(diǎn)在部署時(shí)可成一定角度，不需要嚴(yán)格按照直線分布，該方式適用于曲折的礦井隧道等環(huán)境。

本系統(tǒng)傳輸節(jié)點(diǎn)采用TI公司的CC2530F256芯片，該芯片具有功耗低、片上資源豐富的特點(diǎn)，是理想的傳感器節(jié)點(diǎn)處理器芯片。傳輸節(jié)點(diǎn)預(yù)先部署在礦井隧道沿線，經(jīng)過(guò)DSP處理后的數(shù)據(jù)，采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)多跳傳輸[16]，最終數(shù)據(jù)經(jīng)CC2530通用IO口串行方式傳至上位機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體流程如圖5所示。系統(tǒng)軟件主要由3部分組成：軟硬件初始化、基于DSP的數(shù)據(jù)采集和處理、基于ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸。

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)上電后，DSP片內(nèi)Flash軟件程序開(kāi)始運(yùn)行，隨后調(diào)用各硬件模塊初始化程序，按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)對(duì)各模塊進(jìn)行初始化。硬件初始化模塊有DSP的IO口、中斷模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、eCAP模塊及ZigBee發(fā)送和傳輸模塊。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

對(duì)于經(jīng)外圍調(diào)理轉(zhuǎn)換電路傳至DSP的電壓和電流信號(hào)，系統(tǒng)首先采用相位同步算法計(jì)算出電壓、電流信號(hào)的相位差，結(jié)合相位差信息，對(duì)電壓數(shù)據(jù)或電流數(shù)據(jù)進(jìn)行整體移位處理，保證同一時(shí)刻電壓與電流值相互匹配;其次，結(jié)合硬件電路中互感器比例系數(shù)和放大電路放大倍數(shù)等參數(shù)，對(duì)電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)處理，將處理后的電壓信號(hào)及電流信號(hào)基于模型參數(shù)識(shí)別原理計(jì)算出精確的絕緣電阻阻值;最后對(duì)計(jì)算得出的絕緣電阻阻值進(jìn)行判斷，觀察其是否處于用戶設(shè)定的正常范圍內(nèi)，若超出正常范圍，調(diào)用報(bào)警異常處理程序，并在屏幕上顯示警告信息。若電阻值在正常范圍內(nèi)，則顯示系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸

DSP主控制器將處理后的電纜特征參數(shù)以串行通信方式送至ZigBee無(wú)線發(fā)送模塊，數(shù)據(jù)經(jīng)多跳節(jié)點(diǎn)傳至監(jiān)測(cè)終端。節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸采用Z-Stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。協(xié)議棧提供應(yīng)用層API供用戶使用，節(jié)點(diǎn)首先調(diào)用無(wú)線接收函數(shù)接收數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)接收完畢后，節(jié)點(diǎn)調(diào)用無(wú)線傳輸函數(shù)將打包好的數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)射至下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。最后監(jiān)測(cè)終端在接收無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，通過(guò)有線方式傳至上位機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存和觀察。

4 測(cè)試結(jié)果

為測(cè)試系統(tǒng)性能，以實(shí)驗(yàn)室380V電壓、50Hz頻率的交流電電纜作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，選取教學(xué)樓內(nèi)環(huán)形走廊作為測(cè)試區(qū)域，模擬系統(tǒng)在礦井隧道轉(zhuǎn)彎處的工作情況，測(cè)試時(shí)節(jié)點(diǎn)分布與實(shí)景分別如圖6、圖7所示。