隔离开关控制器故障录波与波形分析系统的研究

西安工程大学机电工程学院 李玉川 张 敏 李东珂

西安工程大学计算机学院 黄国兵

隔离开关控制器故障录波与波形分析系统的研究

西安工程大学机电工程学院 李玉川 张 敏 李东珂

西安工程大学计算机学院 黄国兵

作为隔离开关智能组件的重要组成部分，其工作电机对智能组件的作用非常重要，但由于电机在运行的过程中会出现各种故障，可能降低智能设备的可靠性。为了减少工作电机的故障率，本文旨在研究一种故障录波与波形分析系统，为寻找故障原因提供数据支持。该系统以ARM处理器为核心进行数据采集，并采用铁氧体存储器对CPU存储进行扩展；采用VC++集成开发环境设计波形分析软件，实现数据提取与波形显示。所设计的系统符合预期，并投入工程使用。

隔离开关；故障录波；波形分析

0 引言

隔离开关操作机构的工作电机发生的故障形式多样，包括过载、堵转、短路、启动超时。造成故障的因素有机械故障、负荷急剧增加、气温等，但不论哪种原因，工作电机发生故障后均导致电气设备无法正常运转，造成巨大的经济损失。工作电机发生故障的原因究竟是什么，需要监测并记录其运行参数，通过对运行参数进行分析，找出改进电机设计的方案。为此，本文研究了一种隔离开关控制器故障录波与波形分析系统，通过测量电机的运行电流，包括启动电流和稳态电流，记录电机保护动作和电机启动时波形，并设计波形分析软件供专业人员对电机故障进行定量分析。

1 系统硬件组成

隔离开关由工作电机带动刀闸进行分、合、停操作，电机的正转、反转与隔离开关的开合对应，由此实现隔离开关的自动控制。

图1 隔离开关控制器功能模块图

如图1所示，在电机运行的过程中，隔离开关智能组件的控制核心不断地对电机交流信号进行采样，采样信号经交流信号调理电路传输给处理器。录波启动条件是通过判断采样信号是否越限，越限启动录波；此外，电机启动瞬间存在较大的冲击电流，这种冲击就相当于短路状态，所以在电机启动时，自动进行录波。录波数据均存储在非易失性铁氧体存储器中。

1.1 控制核心的选择

控制电路的核心器件是美国德州仪器公司基于ARM Cortex-M3内核的高性能的微控制器，LM3S9D96针对工业现场应用设计，包括远程监控、运动控制、工厂自动化和控制、电力能源控制等，不易受干扰，可低功耗运行。同时该处理器还在片内集成了网络控制芯片、支持IEEE1588硬件时钟同步，片内程序存储器满足应用要求，选用该芯片可以很大程度简化硬件系统的设计。

1.2 电机三相交流信号调理电路

图2 电机三相交流信号调理电路

如图2所示，电机三相交流信号调理电路由滤波电路、微型精密互感器和电压跟随电路等部分组成。设备通过检测电机上的电流信号，将采集到的电流信号经过调理电路调理后传送到处理器，处理器将接收到的信号进行比较和分析，判断电机的状态，以此输出控制信号[1]。当发现故障时，便会启动录波程序，超过一定故障允许时限，处理器及时切断供电电源，停止继电器动作，保护电机。

1.3 存储器扩展电路

图3 存储器扩展电路

如图3所示，本系统采用两片铁氧体存储器FM25H20对处理器进行存储扩展，这样一方面可以不占用处理器的数据存储区，另一方面避免因处理器损坏引起数据丢失。FM25H20采用3.3V电源对其供电，主控CPU通过8位I/O接口分时访问FM25H20的指令寄存器、地址寄存器与数据寄存器，完成对其内部存储器的访问。执行录波程序时，记录电机启动时3条波形，每条有750个周波，记录电机故障时8条波形，每条50个周波，波形信息可以长期保存。

2 系统软件设计

2.1 与控制器通信协议设计

波形分析软件通过Modbus协议与控制器通信，将存储的录波信息传输给上位机。针对工作电机故障分析软件与控制器之间的交互信息特点，本系统在遵循Modbus协议标准的基础上，扩展了0x72-0x75四条命令，分别实现召唤电机工作状态、召唤控制器配置参数、召唤故障录波曲线、下载控制器配置参数等功能。

（1）召唤电机工作状态（0x72）

存储器记录的电机工作状态信息包括：储能电机保护动作次数、储能电机启动次数、储能电机累计运行时间、保护装置复位次数。

（2）召唤控制器配置参数（0x73）

控制器的配置参数包括：Modbus设备标识地址、通信波特率编码、电流校准系数、工作电机额定电流、工作电机额定功率、过载电流定值、过载电流积分定值、堵转电流定值、堵转时间定值、短路电流定值、短路时间定值、工作电机单次启动最长时间，总共12个参数，41个字节，折合21个Modbus协议标准寄存器。

（3）召唤故障波形信息（0x74）

召唤工作电机故障波形信息的报文比较复杂。控制器记录波形信息包括故障录波曲线8条和启动录波曲线3条，每条曲线都包括事件发生的时间、事件类型等曲线概貌信息。

（4）下载控制器配置参数（0x75）

下载控制器配置参数的命令的格式采用了Modbus协议写命令帧的格式，该命令与0x73命令的响应帧格式相同。控制器收到该命令后，修改装置中的配置参数，并写入Flash闪电存储器，并向工作电机故障分析软件返回操作成功或失败的结果[2]。

图4 人机交互界面

2.2 数据的管理

工作电机故障分析软件处理的数据主要包括电机启动波形信息、装置配置信息、故障波形信息三种。为了方便数据信息管理和数据分析处理，本软件设计了三个类CProcessWaveData、CConfigData和CFaultWaveData分对别上述三种数据对象进行管理[3]。其中，CProcessWaveData管理电机最后3次启动过程的波形，每个波形由750周交流信号组成；CConfigData管理装置的配置信息，包括2串口、电机的基本参数等；CFaultWaveData管理电机最后8次故障录波的波形信息，每个故障录波的波形由50周交流信号组成。

2.3 人机界面设计

图4为本系统软件的人机交互界面，使用VC++集成环境开发，采用MFC基于对话框的应用程序框架设计。图形界面使用应用程序框架中消息处理函数OnPaint和设备环境DC提供绘图函数来实现[4],并实现了曲线绘制、曲线放大/缩小、以及曲线选择、平移和录波文件的保存/读取等操作。曲线绘制是在对话框中开辟专门的曲线显示区域，使用应用程序框架中WM_PAINT消息处理函数OnPaint来绘制[5]；曲线放大/缩小可以通过改变时间间隔实现，用户根据录波曲线的信息量，可选择一个画面显示2、4、10、20、40个周波进行曲线放大/缩小操作；曲线平移主要是修改当前显示曲线中起始周波号m_nStartWaveNum的值，曲线显示少于40周波的波形时，用户可以向前/向后平移波形；控制器储存8条故障曲线，3条启动曲线，用户选择曲线时，在List控件中选择相应的波形事件时会生成NM_CLICK消息，该消息的处理函数OnClickEventList获取用户选择的条目号，然后调用RefreshCurve函数刷新画面；为准确分析故障原因，本软件采用MFC推荐的串向化文件访问方法进行波形信息的文件的存储访问，以便现场技术人员将获取的故障波形数据带回实验室让电机专家对对电机现场运行情况进行分析。

3 结论

本文根据隔离开关工作电机故障情况，介绍了录波系统的硬件和软件组成，并对所设计系统进行测试，可以正常工作，提高了故障分析的效率和准确性，有较大的经济价值和推广价值。

[1]丁玉美.数字信号处理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.

[2]许波.ModBus通信协议的研究与实现[M].安徽合肥:安徽大学,2010.

[3]夏云龙.最新Visual C++使用手册[M].电子工业出版社,2012,6.

[4]席庆,等.Visual C++ 6.0使用编程技术[M].中国水利电力出版社,2009.

[5]张杰.VC++绘制监测数据曲线研究[M].安徽淮南:安徽理工大学,2010.

李玉川（1992—），陕西榆林人，西安工程大学机电学院2015级研究生在读，研究方向：机电控制。