全状态起重机械电流检测系统的设计与研制

摘 要本文设计了一种全状态起重机械电流检测系统，该系统能够进行起重机械各运转机构电机的电压、电流、功率等电气参数的测量，并将数据通过无线串口通信方式实时传送至计算机端，实现对起重机各机构拖动电机运行数据的存储、动态曲线显示和后台分析等功能，为起重机械的检验检测提供了一种准确可靠的技术手段。

【关键词】起重机械 电流检测 无线通信 实时采集

1 引言

随着经济的快速发展，起重机械的应用越来越广泛，尤其大型、超大型起重机械的数量越来越多。起重机械检验包括定期检验、监督检验和委托检验，提高起重机械检验检测的质量，保障起重机械的运行安全是我们的重要工作目标，为实现这一目标必须有先进的检验检测工具。而在目前起重设备的检验检测中，电气项目所使用的检验仪器多为电压表、电流表等工具，无法全面准确判断起重机械的真实运行状态。为此，我们自主研制了一种全状态起重机械电流检测仪，并开发了一款基于VB6.0串口通信的起重机运行数据检测软件，通过对起重机械各运转机构驱动电机电流电压信号实时检测，获得数据并分析各运转机构的工作状态。

2 检测系统介绍

本检测系统中，便携式计算机（上位机）通过无线通信适配器向全状态起重机械电流检测仪（下位机）发送数据采集指令，数据采集终端电流电压互感器钳在起重机运行电机的三相电源线上，采集到的电流电压信号再由检测仪无线发送至便携式计算机，然后在计算机上实现电流电压数据的存储和分析，系统结构图如图1所示。全状态起重机械电流检测仪、无线通信适配器和便携计算机组成的检测系统如图2所示，其中无线通信适配器和便携计算机之间通过USB数据线连接。

该仪器能够实现如下功能：

（1）起重机供电系统电压和电流参数测量；

（2）供电系统负荷能力、电气装置、动力线路和电机容量等校验；

（3）电机负载情况测量；

（4）拖动同一运转机构的多台电机负载均衡情况测量；

（5）起重机功耗测量和分析；

（6）辅助分析机械设备的运行状态。

3 硬件电路设计

3.1 检测仪电路设计

本文设计的全状态起重机械电流检测仪结构如图3所示，该检测仪结构包括电压和电流互感器、调制滤波电路、电能计量芯片电路、微控制器MCU、液晶显示电路、无线通信电路、蜂鸣报警和按键电路、电源电路。电压和电流互感器，将起重机械电动机的电压电流信号进行转换隔离；调制滤波电路，将互感器转变后的信号调制成适当幅值的电压信号，经滤波处理后传输至电能计量芯片；电能计量芯片电路采用钜泉电子公司的ATT7022E电能计量芯片；微控制器MCU采用德州仪器公司的MSP430F5438芯片，微控制器读取电能计量芯片中的电压电流数据并分析处理；液晶显示器LCD采用128*64点阵带中文字库液晶屏；无线通信电路采用德州仪器公司的CC1101无线射频芯片，用于与无线通信适配器建立无线数据连接；蜂鸣报警和按键电路用于仪器操作。

3.2 无线通信适配器电路设计

无线通信适配器通过USB接口与计算机连接，通过无线通信接口与全状态起重机械电流检测仪连接，实现无线通信和USB通信协议的转换。无线通信适配器结构图如图4所示。微控制器MCU采用德州仪器公司的MSP430F2012芯片，无线通信电路采用德州仪器公司的CC1101无线射频芯片。

4 软件设计

4.1 检测仪嵌入式软件设计

全状态起重机械电流检测仪的嵌入式软件主要实现将电能计量芯片内部存储的电压、电流、功率等数据通过无线通信发送给计算机，同时根据按键状态将相应的数据显示在检测仪的液晶屏幕上。电流检测仪上电启动后，进入系统主程序，首先开始系统初始化，内容包括：初始化MCU单元、LCD、无线通信芯片CC1101、电能计量芯片ATT7022E。初始化完成后，进入开机画面，显示电流检测仪的无线通信地址、电池电量、仪器温度和仪器型号信息。最后，系统开启无线数据接收中断和按键中断用来响应相应的中断请求，系统通过一个定时为1ms的定时器实现读取电能计量芯片数据和刷新LCD的循环程序。进入无线接收中断程序后，微控制器MCU通过SPI接口读取无线通信芯片寄存器中操作指令，读取电能计量芯片中数据，通过无线通信适配器发送至计算机端，实现电流检测仪和计算机的通信连接。

无线通信适配器的嵌入式软件主要实现无线通信协议和USB通信协议的装换，软件流程图如图5所示。

4.2 计算机端应用软件设计

计算机端应用软件程序是基于VB6.0串口通信技术开发的一款操作软件，与全状态起重机械电流检测仪相结合，完成采集数据的存储、显示和分析工作，运行主界面如图6所示。该软件为单窗体操作界面，按功能划分为5个功能模块区，分别为：通信设置区、触发方法区、单电机/多电机工况区、文件操作区和实时/历史数据曲线显示区。主要功能包括：

（1）实现上位机和下位机之间的串口通信，设置串口参数；

（2）数据存储、显示和分析操作的开始和停止功能；

（3）动态实时曲线显示和全过程历史曲线显示功能；

（4）标尺线曲线分析功能；

（5）数据保存、导入和导出的操作功能；

（6）数据文件和图形文件的打印功能。

5 结论

现场测试结果表明，本文设计研制的全状态起重机械电流检测系统能够实现起重机械中各运转电机电压和电流参数的测量，以及相关电气参数的分析判断，通过数据和动态曲线客观反映各电机的实时运行状态，有助于提高起重机械检验检测准确性、可靠性和全面性。同时，该仪器还具有操作界面友好，使用方便，操作简便，便于携带等特点。

参考文献

[1]王伟雄，王新华，黄国健，等.状态监测技术在起重机械安全评估中的作用[J]. 中国特种设备安全，2013，（5）：4-6.

[2]王福绵.起重机械技术检验[M].北京： 学苑出版社，2000：182-217.

[3]傅德源.实用起重机械电气技术手册（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4]曾立武，黄晓锋，等.基于VB6.0串口通信的环境空气质量自动监测系统[J].现代电子技术，2012，35（20）：155-158.

[5]张辉，李荣利，王和平.Visual Basic串口通信及编程实例[M].北京：化学工业出版社，2013：40-58.

作者简介

魏井君（1984-），男，工学硕士学位。现为广州特种机电设备检测研究院工程师，主要从事特种机电设备检验检测工作。

作者单位

广州特种机电设备检测研究院 广东省广州市 510000