基于无线网络的电路故障管理与诊断系统设计

朱 涛, 周天沛,2, 姜 涛, 凌启东

(1. 徐州工业职业技术学院 机电工程技术学院， 江苏 徐州 221140； 2. 中国矿业大学信电学院， 江苏 徐州 221008； 3. 徐州华润电力有限公司， 江苏 徐州 211003)

0 引 言

电路故障严重威胁着企业或设备的生产运行，一方面可以通过有效的措施避免电路故障的发生；另一方面需要有熟练的工程技术人员迅速排除电路故障，以促进生产安全、质量和效率。目前，高水平的电路装调与维修人员匮乏，然而，高校和培训机构使用的一些实验设备中，又缺乏针对性的训练模块，通常采用物理的方法人为设置故障，如拔保险系设置断路、用导线短接设置短路、在地与设备间串电阻设置虚接地等等。一方面，由于每个试验台在每一次训练前都需要管理人员进行手工设置，繁琐、费时，频繁的操作会使元器件使用寿命降低，耗材使用量增加，并有可能出现安全隐患；另一方面，有些基本的电路故障，如保险丝的通断等不能实时监测，需要工作人员到现场逐一排除，造成训练效率低。因此，研发一种高效、实用的电路故障管理系统融入到各类机电培训设备中，对于培养高素质电路装调与维修人员至关重要[1-4]。

为解决以上问题，在实际应用中，根据常用机电设备的电路故障特点，将故障类型分为断路、短路、接触不良、接地四种。将通过单片机控制的继电器、接触器串于电气线路或电器元件之间，再辅以必要的控制电路、输入输出单元，实现电路故障设置；每一个实验管理器都有各自的无线接口，通过无线局域网与上位机通讯，辅以必要的传感器及其外围电路，实现整个实验室电路故障设置与监测的统筹管理，可以准确地把握故障设置的时机，增强故障设置的隐蔽性，让故障设置多样化，确保常规故障监测的实时性，从而提高了故障管理的水平。

图1 电路故障管理系统结构图

1 电路故障管理系统的硬件设计

基于无线网络的电路故障管理系统由硬件和软件组成。硬件由上位机、单片机、接口电路、通讯模块等单元组成。如图1所示，上位机把要设置站点的每一个故障点状况反映在显示屏上，并通过选择开关发送故障设置指令，通过指示灯接收下位机的故障信息。上位机基于Modbus协议[5]通过串口与ZigBee[6]无线模块连接，把要设置的故障信息传送给相应站点的无线模块进行发射和接收，再由单片机根据串口接收下来的信息去动作相应的继电器或接触器，并把监测的故障信息传至上位机，从而达到远程故障管理的目的。

1.1 下位机整体设计

电路故障管理系统的下位机主要是由若干基于无线通讯的实验管理器组成，如图2所示，实验管理器由基于CC2530芯片[7]的通讯模块电路、STC89C53单片机[8]及其外围电路、故障点选择电路和故障监测电路组成。

1.2 基于CC2530的通讯模块电路

基于ZigBee技术的无线网络节点硬件设计选择集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片解决方案。这里选用具有256 KB闪存的CC2530芯片，它是TI公司专门针对2.4 GHz IEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的片上系统(SoC)解决方案[9]，基于CC2530的通讯模块电路如图3所示。

射频部分采用巴伦电容电路和外置高增益SMA天线完成射频的平衡不平衡转换，并完成天线阻抗的匹配，发送距离远，接收灵敏度高。RX和TX为串口接收和发送引脚，通过UART接口与STC89C53单片机或上位机通信，在通讯电平不匹配时，需进行RS232电平转换。

1.3 故障点选择电路

故障点选择电路的功能主要是根据单片机STC89C53的P口信息，驱动相应的继电器线圈带电或断电，达到该电路是短路、断开、接触不良和对地短路状态的目的。在实际应用中，根据需要确定故障点个数，这里以6个为例。

如图4所示，故障点选择电路包括4部分，第1部分是可设通断的开路故障点驱动电路和与故障点一一对应的具有常开触点的开路故障点继电器组(K11,K12,…,K16)，第2部分是接触不良故障点驱动电路和对应的继电器组(K21,K22,…,K26)，第3部分是对地短路的故障点驱动电路和对应的继电器组(K31,K32,…,K36)，第4部分是1 s时钟周期的脉冲驱动电路及其对应的继电器(K41)。整个电路都置于实验管理器的盒子内，仅留出接线端子在外面。以第一个故障点为例，如果设置为断路故障，需把此线路串接在原有线路中，让继电器K11、K21、K31和K41的线圈都不带电；如果设置为短路故障状态，需把此故障点的前后端接线端子与电气设备中的元器件并联，让继电器K11的线圈带电，继电器K21、K31和K41的线圈不带电；如果设置为接触不良故障状态，同样把此线路串接在原有线路中，让继电器K21的线圈带电，继电器K41的线圈周期性带电，继电器K11、K31的线圈不带电，此时电路以1 s为周期时通时断，并且接通时电路中有很大电阻；如果设置为接地故障状态，仅需把该故障点线路的前端与原电路相接，让继电器K31的线圈带电，继电器K11、K21、K41的线圈不带电。

1.4 故障监测电路

故障监测电路的功能主要是判断电气设备的熔断器是处于通电状态，还是处于断电状态，其原理如图5所示，以第1个熔断器FU1为例，当其正常通电时，根据并联电路分流原理，在电阻R11阻值非常大时，电流基本都流经熔断器FU1，此时，反向并联的发光二极管不亮，光敏电阻R1由于没有受到光照，阻值较大，设此时其值为R1a，根据串联电路分压原理，在P1.0端口检测到的电压值a=5R1a/(r1+R1a)V；当因过载等原因使熔断器FU1断掉时，电流便会流经大电阻R11和发光二极管，光敏电阻R1由于受到发光二极管照射，其阻值变小，设此时其值为R1b，在P1.0端口检测到的电压值b=5R1b/(r1+R1b)V。合理选择电阻r1和R1，使a≥2.8 V、b≤0.8 V，从而，通过P1.0～P1.5端口检测到的高低电平即可判断熔断器FU1～FU6的通断。

2 电路故障管理系统的软件设计

电路故障管理系统的软件设计分为上位机监控界面设计、通讯程序设计和系统管理程序设计3部分。

2.1 上位机监控界面设计

MCGS是为工业自动化领域服务的通用计算机系统软件，具有可维护性强、可视性好、操作简便、功能完善的突出特点[10]。利用MCGS的工具箱绘制并组态如图6所示的上位机监控界面。

图6 上位机监控界面

上位机还可以将多个来源下位机的故障信息数据添加到指定的目标数据库中的目标数据表，通过浏览存盘数据的方式查看历史的故障设置数据。

2.2 通讯程序设计

(1) 系统网络通讯结构。ZigBee无线网络通常由3种节点构成。Coordinator：用来创建一个ZigBee网络，并为最初加入网络的节点分配地址，每个ZigBee网络需要且只需要1个Coordinator；Router：可以转发数据，起到路由的作用，也可以收发数据，当成1个数据节点，还能保持网络，为后加入的节点分配地址；End Device：终端节点，通常定义为电池供电的低功耗设备，一般只周期性发送数据，不接收数据。由于在电路故障管理系统网络中，只需要ZigBee模块实现无线数据传输功能，即每个节点随时能够收发数据，同时也能担任其它节点的路由器，而且，所有的数据传输路由都是自动计算的，无需用户干预，所以节点的配置只有Coordinator、Router[11]。

(2) 上位机通讯程序设计。上位机通信通过MCGS软件的标准Modbus-RTU设备构件实现，它必须挂接在通用串口父设备下，通用串口父设备用来设置通信参数和通信端口，其通信参数必须设置成与设备一致，否则无法正常通信。如图7所示，要使上位机能正确操作各试验管理器，必须正确设置标准Modbus-RTU设备构件的采集周期、初始工作状态设备地址、通讯等待时间、采样次数、内部属性，核心工作是组态要具体操作哪些寄存器[12]。

图7 MCGS设备窗口的标准Modbus-RTU设备构件

(3) ZigBee无线网关软件设计。在ZigBee的Cluster Tree拓扑结构中，是由下式来确定网络节点的短地址：

An=Aparent+Cskip(d)Rm+n

(1)

其中：

式中：n为网络的层数； Aparent为父节点网络地址；d为网络深度；Lm为网络最大深度；Rm为最大路由节点数；Cm为最大子节点数。

由上式计算得出的短地址，是由该设备节点在ZigBee网络拓扑中的位置来决定的，而与其IEEE地址和Modbus地址无关。在该系统中，将设备节点的IEEE地址与Modbus地址绑定，从而实现Modbus主、从站点地址定向，利用ZigBee的应用层，通过透明传输的方式进行标准Modbus协议的数据传输，在数据传输的过程中，所采用的设备只是起1个通道作用，把要传输的内容完好的传到对方，不对传输数据作任何修改和处理，Modbus消息帧采用RTU传输模式，在网络上的所有设备都选择此传输模式，否则信息无法传递[13-14]。在实际应用，上位机接1个ZigBee模块，设定为Coordinator，每个下位机接一个ZigBee模块，设定为Router。ZigBee无线网关软件的设计框图如图8所示。

(4)Modbus通讯程序设计。Modbus通信程序的主要功能是设置波特率、接收串口数据、解析串口接收到的数据、通过串口发送数据、判断功能命令、响应查询命令等。当下位收到消息后，首先判断消息中的呼叫地址是否与本机相符，如相符则根据功能码及相关要求读取信息，在CRC校验无误的前提下，去执行相应的任务，然后向主机反馈执行的结果，否则放弃接收此消息，继续执行其它应用程序。在Modbus-RTU协议模式下，前后帧之间停顿时间间隔必须大于等于3.5个字符时间、帧内两个字符之间最大时间间隔小于等于1.5个字符时间。下位机采用STC89C53的一个定时器计算字符间隔时间, 定时器设置为0.5个字符时间，同时设置2个变量作为字符时间计数器。由于检测到的是两个字符停止位之间的时间，在定时器中断程序中,分别将这2个变量不断累加并判断这2个时间段是否为2.5和4.5个字符时间，并在该定时器中断服务程序中设定帧结束标志[15-16]。寄存器的读写操作按如图9所示的流程执行。

2.3 系统管理程序设计

系统管理程序包括用户管理模块和考试管理模块。用户管理模块是对上位机软件的用户进行管理的模块。严格规定操作权限，不同类别的操作由不同权限的人员负责，只有获得相应操作权限的人员，才能进行某些功能的操作。上位机软件用户分为两个级别，系统管理员和普通用户。系统管理员除了可以修改自己的密码以外还可以添加和删除用户，设置故障，查看故障排除记录等；普通用户只能修改自己的密码，查看故障排除记录。考试管理模块是对现场数据进行动态管理的模块，可以单独某1台设备进行故障设置，也可以按照技能鉴定要求对全网所有设备进行统一设置，其工作流程图如图10所示。

3 测试与应用

本系统在实际实验室建设中得到测试验证，测试过程中将基于ZigBee的无线连接通信方式和传统的双绞线物理连接通信方式对比得出优良的性能参数。如图11所示的实物，在我校仪表实训室中安装应用，为10个仪表自动化实验装置通过ZigBee无线通讯模块连接在无线网络中完成各自装置的故障设置与监测的通信和控制功能。经过10个网络节点近一年的测试结果表明，相比传统网络，即充分发挥了Modbus总线协议应用广泛、帧格式简单紧凑、方便数据透明传输的优点，又充分发挥了无线网络组网灵活、易于扩展、简便美观的优点，即省去了大量网络布线的工作，又方便与具有Modbus协议接口的变频器、变送器与仪表互连，使现有设备的升级更加简单快捷，通过智能的故障设置和监测方法，为电路故障诊断与维修教学、训练和考核提供了真实的故障现象和实时的故障监测信息，达到了无损故障设置和远程故障监视的目的。

图11 实验管理器实物面板与无线通讯模块实物

4 结 语

本文对基于无线网络的电路故障管理系统进行了深入的研究，该系统能够实现监控上位机与实验管理器的无线通讯，通过ZigBee的应用层利用透明传输的方式来传输标准的Modbus数据帧，Zigbee的物理层、MAC层和网络层不会影响到所传输的Modbus数据帧，从而保证了所传数据的完整性。该系统为电气设备维修保障人员的电路知识学习、操作技能和维修技能训练提供了一种新颖的无损故障设置方法，避免了通过物理方法设置电路故障，造成电气设备和电器元件寿命缩短和耗材增加等情况的发生，特别是在实验室环境下，无需复杂的网线布置就可组网监控，可随时根据设备更新的状况来更新电路故障数据，体现了成本低、故障扩展性强、应用范围广、升级容易、便于推广等特点，也为工业设备基于Modbus协议构建无线网络提供了可借鉴的解决方案。

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