基于GPRS的塔吊电机远程监测终端设计

许景波　孟凡玉　焦天佑　熊启梅

单冬梅1　崔晓萌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)

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崔晓萌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ATT7022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

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[1-5]。

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[6-8]。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入，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。

图1　系统硬件电路组成框图

2ATT7022三相电量参数测量

ATT7022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～1 V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[9]。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Ri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R′=100 Ω时，根据式(1),可以得出转换变比qu=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。

(1)

电流测量通道如图2(b)所示。系统选用100 A/33 mA的电流互感器，变比qi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。

图2　电压、电流采样测量通道电路

经过式(2)计算，得出转换后电压为0.1 V，达到了设计要求。

(2)

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[10]。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。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：U、I为电压、电流的有效值；P为平均功率；E为累计的能量；N为一个周期内的采样点数。

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。

表1　电压测量校准

表2　电流测量校准

表3　功率测量校准

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。

3GPRS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[11-13]。

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MC55i将不再进行提示，这样会造成数据堵塞，出现终端“掉线”假象[14-15]。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。

图3　单片机状态机转换图

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。

图4　主程序流程图

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，“B18004502348Z”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。“A18004502348UA220.5UB219.7UC220.3IA035.3IB034.9IC035.1PZ+23.18PW+19.01PQ+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。“GA100B000C000X0Z”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。

5结束语

塔吊电机监测终端可以实时监测电机的工作状态参数，对故障进行检测报警，实现了远程数据传输与控制，对确保塔吊的正常运行、降低事故的发生率、保证人员的安全起到了关键作用。GPRS数据通信技术，具有传输距离远、信号稳定、功耗小等优点，非常适合应用于远程监测系统，具有推广应用的价值。

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Design of the Remote Monitoring Terminal Based on GPRS for Tower Crane Motor

Abstract：In order to effectively monitor the operating conditions of tower crane motor,and avoid the accident occurrence,the monitoring terminal for tower crane motor is designed.The running parameters of motor,and the state of faults,such as overvoltage,overcurrent,break phase and phase sequence errors,are measured and detected through ATT7022 chip.The calibration of system is conducted by using signal generator,which is more suitable for field application.The mechanism of GPRS online forever is setup to ensure reliable data transmission and real time remote monitoring.The performance of terminal is verified through TCP&UCP communication software test.The terminal is of great significance for the safe operation of tower crane and has practical spread value.

Keywords:Tower crane motorTransformerRelayDSPRemote monitoringCalibrationGPRS communicationFault detection

中图分类号：TH86;TP27

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605013

2013年住建部研究开发基金资助项目(编号：2013-R3-7)；

2015年哈尔滨理工大学创新创业训练基金资助项目。

修改稿收到日期：2015-11-11。

第一作者许景波(1973-)，男，2007年毕业于哈尔滨工业大学仪器科学与技术专业，获博士学位，教授；主要从事机械工程测试、嵌入式测控仪器方向的研究。