关键词：CAN总线;TMS320LF2407数字信号处理器;在线监测;故障诊断
State Monitoring and Fault Diagnosis system on Line
Xie-yunmin
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 设计方案的提出
工矿企业中，最重要的负荷是各种大中型异步电动机，这些电动机一旦出现故障将严重影响生产，并带来巨大的经济损失;另一方面，利用与原有的继电器控制系统工作人员难以对现场生产线上的众多异步电动机及其驱动系统运行状况实施有效监控。从应用角度，基于智能仪表技术、现场总线技术的集网络化、智能化、集成化控制的监控系统代替单一的分散控制已成必然。为此，针对某水泥厂的技术改造，本文提出一种基于CAN总线、以美国德州仪器（Texas Instruments）TMS320LF2407数字信号处理器为核心的分布式异步电动机在线监测故障诊断系统，实现了该企业的众多电动机及其拖动系统的安全运行、设备保护、监控、管理一体化。
2 系统构成
2.1分布式系统组成
定子铁心、定子绕组绝缘、转子绕组、转子本体、滑环及电刷等故障是大中型异步电动机的较常见故障。目前常用的在线监测方法有定子电流频谱法、振动信号频谱法及局部放电法等。由于本文针对的是种单一系统，而这些方法对电机的某些故障的诊断具有较高的准确性，所以本文涉及的大中型异步电动机在线监测和故障诊断系统拟采用的诊断技术采用的是技术成熟、能全面反映电动机运行状态的定子电流频谱法。定子电流频谱法实质上是将电动机的定子绕组作为监测设备的一个探测线圈参与对电动机的故障检测。
当电动机出现某种故障时，定子电流出现与其相应的频域变化，我们根据发生不同的故障时，异步电动机定子电流的故障特征频率不同，通过故障频率检测与比较，判断及处理其故障。
值得指出的是，对于复杂故障系统，其故障的存在具有不同的模糊特性，可以采用专家模糊子系统尽可能多的采集故障信号进行综合评判以进一步提高故障诊断得准确性。
系统结构图如图1所示。本系统硬件主要包括工业控制计算机、现场CAN总线接口模块、数字信号处理器、信号采集模块组成。
图1 基于CAN总线和DSP的分布式异步电动机在线监测与故障诊断系统结构图
2.1.1上位机
上位机采用研华工控机，操作系统为Windows NT 4.0。软件采用KingView 6.5组态软件编写。上位机具有监视、实时控制、数据记录、报表打印于数据库处理。KingView是基于Windows 98/2000/NT中文平台上的通用工业自动化监控组态软件，是真正32位集成软件系统。具有全中文浏览器界面，使用方便、灵活;实时多任务，多线程，采样速度快，可靠性高;广泛支持国内外PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等数据采集设备，同时支持OPC、ActiveX、ODBC、TCP/IP、DDE、现场总线、Modem、伺服驱动等;数据和系统功能全面开放，嵌有许多功能强大的控件，同时内置许多控制算法（如PID）。还具有优秀软件的延续性和扩充性、封装性、通用性等基本特点。
直观的组态图形不仅可以使管理人员监视到现场生产的动态流程，并且实现了设备的运行状态的可视化。对其控制功能如开关操作、参数设定设置了权限。为一步提高可靠性、上位机设为两台，互为备用。
2.1.2CAN总线监控系统
CAN总线控制系统采用三层体系结构，工控机及其应用软件构成监控与调度层、总线为中间层，数据采集单元为低层。上位机由工控机和网卡组成，网卡用于实现工控机与CAN总线的连接，即用于进行RS-232与CAN总线之间的协议转换。系统结构图如图2所示。
图2 CAN总线通信系统结构图
监控调度的工业控制机通过网卡作为数据缓冲与CAN总线连接，SJA1000和PCA82C250组成标准CAN总线，实现与数字信号处理器的数据交换。CAN总线的信号传输采用差动电平方式，可有效抑制共模干扰。 通信控制器采用PHILIPS公司的SJA1000，总线收发器使用PCA82C250，提供对总线的差动发送和接收。数据采用每帧有效字位数为8位的短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低。CAN总线的传输速率为1Mb/s～5Mb/s，传输距离为40m～10Km，满足该企业现场的通信要求。
2.1.3 DSP系统硬件电路
为了使设计出的系统不仅满足用户提出的性能优良，维护简便，价格合理的要求，还要具有可靠性高的优势以适应现场复杂恶劣的生产环境。因此针对水泥生产线异步电动机的在线监测和故障诊断系统得设计，我们选用了德州仪器性价比高、可靠性高，功耗低的TMS320LF2407DSP作为系统核心。DSP对异步电动机进行在线信号采集、测控与故障处理;DSP判断电动机故銜后，由LCD显示出故障部位并发出声光报警信号;传感元件用于检测电动机的电流信号和电压信号。DSP系统的硬件电路如图3所示。
图3 DSP系统的硬件电路
TMS320LF2407控制器是美国德州仪器推出的低成本、低功耗、高性能定点数字信号处理器TMS320LF240X 中的一种超集控制器，对电动机的数字化控制非常有用。其具有改进的哈佛结构，兼容TMS320的指令代码。采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减少了控制器的功耗;30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到30MHz，从而提高了控制器的实时控制能力。片内具有高达32K字的FLASH程序存储器、1.5K 字的数据/程序RAM、544字双口RAM（DARAM）和2K字的单口RAM（SARAM）。具有EVA和EVB两个事件管理模块，每个模块又包括：两个16位通用定时器、8个16位的脉宽调制（PWM）通道。3个捕获单元、16通道A/D转换器。可扩展64K字程序存储器、64K字数据存储器和64K字I/O寻址空间共计192K 字的外部存储器（LF2404）。完全满足多种对性能和功耗要求苛刻的应用。同时也保证了故障前后有充足的数据供调用和分析，满足了系统的实时数据处理和存储需求，还具有10位A / D转换器,其最小转换时间为500ns,且可选用事件管理器来触发的两个8通道输入A/D转换器和一个16通道输入的A/D转换器。此外，具有控制器局域网络（CAN）2.0B模块;串行通信接口（SCI）;基于锁相环的时钟发生器;40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚（GPIO）;5个外部中断（电动机驱动保护、复位机两个可屏蔽中断）。
DSP系统通过电流互感器和电压互感器等传感元件，采集异步电机运行中实时电流信号和电压信号，经过放大、低通滤波等信号调理模块，经过DSP中的A/D转换器转换为数字信号后, DSP 对信号进行快速傅立叶变换，将信号变换至频域，DSP根据频域中是否含有与异步电机故障相对应的特征频率来判断电机是否发生故障。如发生故障则发出声光报警，同时由LCD显示其故障部位。
DSP的外围接口电路中，电源芯片采用TI公司TPS73HD318，其输出的直流1.6V和3.3V，分别供给DSP内核和片内外设。复位及电压监控芯片选用MAXIM 公司的集成微处理器监控复位电路MAX706。由电流互感器和电压互感器等传感元件提取的异步电动机定子电流信号和电压信号，经过抗混叠滤波和采样保持送入DSP中的模数转换器A/D。把4 路模拟输入设置为4个单输入通道或2个差分输入通道。并实现4个模拟通道的无相差采样。为满足系统需要，可程控设置采样点。本系统中，电流和电压每周波采样30点，采样频率为l500Hz。
2.2系统工作原理
经信号采集模块采集被监测异步电动机的定子电流、电压信号，经过一系列的信号预处理和变换，变换为DSP可以接受的数字信号并送入DSP。DSP对信号采集模块送来的数字信号进行快速傅立叶变换把时域信号从变换为频域信号，根据此频域中是否含有电动机各种故障的特征频率来判断电动机是否发生故障以及故障程度的大小。故障处理模块则根据DSP诊断模块的输出，及时发出声光报警以通知工作人员做出相应的处理。必要时，现场还可以通过其通用串行接口USB连接便携式电脑。由其对电动机故障部位和故障程度在现场做进一步分析和判断。
3 软件设计
本系统软件采用TI公司的集成开发环境CCS2.0进行开发，其中，主程序用C 语言编程，其它如信号处理模块和故障特征频率比较和判断模块等功能模块采用汇编语言编程。系统程序还通过TI公司的BOOTLOADER 技术，在硬件复位后，主程序从片外FLASH ROM下载到片内快速RAM中全速运行，实现系统的自举功能。
整个程序采用模块化结构，主要分为系统初始化、信号采集、信号处理、故障频率比较和判断以及故障处理5个模块。程序运行分为4个阶段。系统程序框图如图4所示。系统初始化后，首先由信号处理采集模块每1024个采样值就给主程序发出中断，然后由信号处理模块对采样数据进行1024采样值的按时间抽取的快速傅立叶变换（FFT），获得采样数据的频域信息，第三阶段是故障频率比较和识别模块根据将此频域信息与内部储存的故障特征频率表进行比较和判断，最后是判断电动机是否发生故障，如果发生故障就调用故障处理模块进行处理。否则，系统开始下一周期的程序执行。
图4 主程序流程图
4 结束语
本文介绍的基于CAN总线和DSP的分布式异步电动机在线监测和故障诊断系统，克服了现有同类故障诊断系统实时性差、诊断性能差等缺陷，达到了一定的实用效果，具有推广价值。
该系统将微机监控系统、检测与控制技术、现场总线技术、组态软件技术结合起来，实现了电动机运行状态参数检测、故障诊断与处理的控制与管理一体化，为生产过程的在线监测与控制提供了正确依据，为迅速实现故障诊断与处理提供了可靠的保证。
本文作者创新点：设计了一种基于CAN总线和DSP的分布式异步电动机在线监测和故障诊断系统，在软硬件设计中采用了模块化的结构，具有实时性强、诊断性能好、准确性高等特点。
参考文献
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