基于GPRS的塔吊电机远程监测终端设计

  许景波1  孟凡玉1  焦天佑1  熊启梅1单冬梅1  催晓萌1  刘泊1时玄宇2

（哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院1，黑龙江哈尔滨150080；大庆油田有限责任公司第四采油厂2，黑龙江大庆163511）

摘要：为了有效监测塔吊电机工作状态，防止事故的发生，设计了塔吊电机远程监测终端。通过AIT7022芯片，实现了电机运行参数的测量以及过压、过流、断相和相序错误等故障状态检测；采用信号发生器校准的方法，完成了适于现场应用的系统校准；建立了GPRS永远在线机制，保障了数据的可靠传输和远程的实时监测；通过TCP＆UDP通信软件测试，验证了终端性能。整个终端对于塔吊的安全作业有着十分重要的意义，具有实用推广价值。

关键词：塔吊电机互感器继电器DSP远程监测校准GPRS通信故障检测

中图分类号：TH86；TP27DOI:10. 16086/j. cnki. issnl000 - 0380. 201605013

0  引言

 随着建筑工程规模的扩大和建设速度的提高，塔式起重机得到越来越广泛的应用。其中电机是塔机工作过程的关键部件，其一旦出现故障，若不能及时发现，不仅会影响施工的正常进行，还有可能给现场施工人员的安全带来威胁。现有塔机电气系统中缺乏对电机的监测设备，有些操作人员为了追求工程进度而违规作业，使电机超负荷运行，又不能及时发现电机故障，给施工过程带来了安全隐患。因此，对塔吊电机运行状态进行实时监测变得尤为重要。通过调研发现，目前国内也有一些对塔吊电机运行状态监测的研究，但几乎没有实现远程实时在线监测。

 本文针对以上问题，设计了基于GPRS的塔吊电机远程监测装置。该装置可以监测电机的电压、电流及功率等运行参数，并对过压、过流、断相、相序错误等状态进行检测报警，设备保持永远在线，远程控制电机的启停。当电机在工作中出现异常状态时，该装置可以及时采取关断措施，避免事故的发生，对于安全生产具有重要意义。

1  监测终端总体设计

 为了实现对电机工作状态的监测，需要实时测量三相电机每相的工作电压、电流、有功功率、无功功率及总功率等参数。本设计采用一款高精度三相电量计量芯片ATT7022。它能够完成上述参数测量，并能对断相、相序错误等故障进行智能判断，节省了单片机的资源，使单片机能够集中处理其他任务。建筑工地现场环境混乱，不易布线，所以数据传输应采取无线方式。GPRS是很好的选择，它信号覆盖范围广、功耗低、数据传输可靠。本设计采用GPRS模块MC55i完成远程监测。

 监测终端的硬件构成框图如图1所示。以单片机STC12C5624AD作为处理器，包括GPRS无线通信模块、ATT7022三相电量测量电路、语音报警电路、继电器控制与保护电路、数码管显示模块、键盘处理电路。ATT7022三相电量测量电路不断地进行电机运行参数的测量与计算，结果存储于内部寄存器，实时更新，供单片机调用读取。GPRS通信电路实现网络接人，测量参数的定时上传，以及监控中心控制指令的接收等功能。数码管显示与键盘处理电路完成就地的人机接口功能，进行测量结果的显示以及参数的设定。语音报警电路可以在紧急情况下，给塔吊操作人员以语音提示。继电器控制电路可以完成电机的启停控制。各部分功能由单片机统一调度，保证整体功能的实现。

2 ATT7022三相电量参数测量

 ArIT7022是一款集信号采集、处理、计算于一体的高精度计量芯片，外围电路简单，内部集成A/D转换器；直接对转换后的电压、电流信号采样，数据输出采用SPI总线，方便与单片机进行接口。芯片支持软件校准，使用方便，完全满足本系统的设计要求。

2.1测量通道电路

 系统采用互感器变换的方式，将高电压、大电流的参量转换为满足ATT7022输入要求的弱信号。正常工作时，ATT7022电压和电流通道的最大输入电压为±1.5 V。当电压通道有效值在10 mV~1 V的范围内时，线性误差小于0.1%；当电流通道有效值在2 mV~1V的范围内时，线性误差小于0.1%。若电压超出有效值范围，会产生较大的线性误差，导致测量偏差较大。根据这一指标和对应通道的被测量范围，选择互感器变比，配置电路参数，进行电路设计。电压、电流采样测量通道电路如图2所示。

 电压采样测量通道如图2(a)所示。系统选用电流型电压互感器，输入电压通过电阻R；转换为电流；再通过1：1的变换器，在输出端得到相同大小的电流；最后通过输出电阻R0将电流转换为电压。其中，R1和C1、R2和C2分别构成了采样通道的抗混叠滤波器，R3和R4提供了偏置电压。当互感器输入线圈内阻R1 =100Ω 时，根据式(1)，可以得出转换变比q u=

513，则电机的额定相电压220 V经测量通道转换为0.43 V，处于ATT7022线性区中间段。

 电流测量通道如图2(b)所示。系统选用100 A/33 m A的电流互感器，变比q i为3 030。电机额定工作电流为30 A，考虑到对过流情况的测量，应使其转换后处于电流通道线性区的底端。

  经过式(2)计算，得出转换后电压为0.1 V，达到了设计要求。

 电压和电流分别经过采样后，由内部DSP处理器进行均方根运算，可以得到相应电压和电流的有效值，如式(3)、式(4)所示。对同相的电压、电流乘积进行均值运算得到功率，如式(5)所示。对功率进行数字序列积分可得到能量，如式(6)所示。所有参数的计算结果存于内部的寄存器中，ATT7022不断地进行采集、计算、更新，并进行断相、相序错误等故障状态的判断。单片机可通过SPI接口读取这些参数和故障状态标志，方便应用。

2.2系统校准

 ATT7022本身具有校准功能，内部设有校准寄存器。通过设置这些寄存器，可以实现全数字化校准。校准过程中需要标准表读出实际值，然后与测量值进行比较，按芯片手册计算校准参数。这个过程需要标准电压表、电流表以及功率表等设备，并且对大电流的测量需要大型恒流源。整个过程所需设备较多，对实验条件要求较高，适合在实验室进行。电压、电流和功率测量校准如表1～表3所示。

 本文采用一种由高精度信号发生器进行校准的方法，信号发生器产生标准信号源，提供给ATT7022作为输入，进行系统校准。由于高电压、大电流参量经过互感器变换成弱信号，所以可以用信号发生器产生频率为50 Hz的正弦电压信号，模拟互感器输出，提供给ATT7022。根据这个模仿信号和互感器变比，可以计算出其所代表的实际电压、电流的大小，再读出ATT7022此时的测量值，就可确定相应的校准参数。虽然互感器和测量通道电路存在一定的误差，但此误差在本系统误差要求范围内，可以忽略。对于功率的校准，需要在cos（Φ）=1条件下进行，即电压、电流相角为0，这可以通过调节信号发生器的两个输出通道间相角来实现。这种方法简捷、方便，同时又具有很高的精确性，能有效保障试验人员的安全，适于现场校准应用。

3  GPRS数据通信

 系统采用西门子GPRS模块MC55i进行数据通信，单片机通过串行接口与MC55i连接，通过AT指令对其操作。要保证对塔吊的实时监测，就需要监测终端永远在线。终端掉线将使监测失去意义，给安全生产带来隐患，所以单片机要建立起一种处理机制，以应对掉线情况发生，使终端能够重新建立连接。

 GPRS网络本身是在GSM网络基础上升级的，仍然以语音通信优先于数据通信。当GPRS长时间在线而不传输数据时，数据业务优先级会被自动降低，经常出现掉线的现象。所以，终端需要以一定的时间间隔发送数据包，使自己的优先级不会被降低，从而保持长时间在线，这就是心跳机制。

 在发送心跳过程中，可建立双向通信握手协议，即终端向服务器发送心跳，服务器接到后向终端回复应答。如果终端在一定时间内没有接收到应答，那么需要判断网络状态，进行重新连接。另外，在终端接收数据时，MC55i会向单片机申请中断，如存在外来干扰或处于发送状态，单片机就不能及时读取网络数据，那么MC551将不再进行提示，这样会造成数据堵塞，出现终端“掉线”假象。所以，在发送心跳时，终端可以主动查询网络接收数据情况，这样可以避免上述情况发生。

 在意外断开连接的情况下，MC55i同样会向单片机申请中断，发送表示连接断开字符串，这时需要单片机中断服务程序及时处理，重新建立连接。在服务器关闭的情况下，终端需要不断发送建立连接指令，直至服务器重新打开。这样处理不会因服务器的意外关闭，而不能再次建立连接。

 以上方式可用单片机的状态转移图来描述，如图3所示。通过这种机制的处理，保证了终端永远在线。

4  软件流程及试验结果

 终端软件包括主程序、串行中断服务程序、定时中断服务程序和键盘显示处理程序。主程序流程如图4所示。

 主程序用于实现终端整体功能，以及其他子任务的管理和调度，串行中断服务程序用来识别上位机的控制指令和解析GPRS网络状态。定时中断服务程序用来上传数据周期计时、心跳计时和服务器响应溢出时间计时。键盘显示处理程序完成工作模式以及工作参数的设定。

 本文通过TCP&UDP测试工具对终端进行测试，工具软件作为服务器，终端作为客户端，终端与服务器建立连接，实现通信测试的功能。整套数据包括4种数据帧：心跳帧、数据帧、报警帧和控制帧。例如，“B180045023482”为心跳帧，“B”为帧头，代表本帧为心跳数据；“18004502348”是终端设备的手机号，用来识别终端设备；“Z”为帧尾。“A18004502348UA220.5UB219. 7UC220. 31A035. 318034. 91C035.  1PZ+ 23.  18PW+19. OIPQ +13. 27PF+0.82EP00053EQ00020Z”，为一次采集的数据，“UA、UB、UC、IA、IB、IC”为三相电压、电流；“PZ、PW、PQ”分别为视在功率、有功功率和无功功率；“EP、EQ”分别为有功电能和无功电能。“GA100BOOOCOOOXOZ”为报警帧，“A”、“B”、“C”相后面的3位数字分别代表“断相”、“过压”、“过流”；“X”代表相序错误，其中，“1”表示有故障，“0”表示无故障。“CONZ”是控制帧，表示远程开机指令，“COFFZ”表示远程关机。测试过程中数据传输稳定可靠，远程控制响应及时。