Мониторинг параметров трехфазного асинхронного двигателя используя Zigbee протокол

Аннотация

В работе представляется новый метод, беспроводного управления и система мониторинга для асинхронных двигатель с использованием протоколов Zigbee. Мы знаем, что асинхронный двигатель в основном используется в промышленных установках; следовательно, анализ асинхронного двигателя существенно необходимо, чтобы узнать степень изношенности двигателя для лучшей производительности. Этот метод использует различные датчики для измерения параметра асинхронного двигателя и данные передаются на базовую станцию с использованием беспроводного протокола Zigbee. С помощью компьютерного интерфейса с Zigbee двигатель можно запускать, останавливать и это может защитить двигатель от некоторых неисправностей, таких как перегрузки по току, перегрева обмоток, высокого/низкого напряжения. Система сбора данных сохраняет все полученные данные параметров двигателя в базе данных. Управление, мониторинг и защита системы реализуются в реальном времени. Использование технологии беспроводной связи (Zigbee) для контроля и мониторинга параметров индукции показано в этом исследовании.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, протокол Zigbee, беспроводная передача данных

I. ВСТУПЛЕНИЕ

В промышленных условиях, из-за их безопасного и простого строения, трехфазные асинхронные электродвигатели в основном используются в промышленных установках, для приводов механических систем, используемых в большинстве производственных процессов. Производительность двигателя непосредственно влияет на качество продукции, следовательно, необходимо отслеживать его производительность. Некоторые контролирующие методы были предложены для получения лучшей системы контроля для них. В конце 20-го века, развитие в области силовой электроники, техники и компьютерных технологий запустили новый прогресс в технологии управления и автоматизации. Согласно Zhang P., в различных системах или системе управления процессом используются в основном электродвигатели, особенно асинхронные двигатели, из-за их пригодности в системах промышленности и многих других преимуществ [2]. Производительность двигателя зависит от электрических параметров двигателя, поэтому способы контроля высокопроизводительных двигателей переменного тока очень чувствительны к параметрам двигателя.

Согласно Vas P., параметры асинхронного двигателя можно измерить экспериментально, при остановленном роторе и без нагрузки [3, 4]. Все электрические и неэлектрические параметры, такие как частота, ток, напряжение, температура, и скорость асинхронных двигателей очень важны для приводных систем. Производительность асинхронного двигателя напрямую зависит от целых основных качеств. Если какой-либо параметр асинхронного двигателя изменится, то качество продукции также изменяется, следовательно, управление машиной в процессе производства по-прежнему является опасной операцией в некотором отраслях промышленности.

В этом случае, пульт дистанционного управления и методы мониторинга становится хорошим решением. Беспроводной связи данные используются в различных отраслях промышленности, таких как Wi-Fi, Bluetooth, 3G, потому что они способны к передачи данных на высокой скорости. Эти устройства используют много системных ресурсов и являются соизмеримы со скоростью передачи. IEEE разработала 802.15.4, он же ZigBee.

Zigbee в основном используется в промышленности по-разному, по этому Yanfei L., Cheng W & Li J., Zhu X., Tang N., Sui J. используют это устройство из-за их низкой стоимости, интеллектуальной сетевой топологии и энергосбережения [5, 6]. Zigbee является двунаправленным беспроводным протоколом передачи данных, именно поэтому данные могут быть получены или отправлены одновременно, а также множество устройств и машин можно контролировать.

Почему ZigBee должна быть основная система для использованы? Потому что, традиционные практические защиты для обнаружения двигательных дефектов и защиты двигателей, используют различные типы релейной защиты, такие как реле температуры, реле тока, электромагнитные переключатели, контакторы и реле времени. Они увеличивают стоимость системы, снижают эффективность и чувствительность системы, увеличивают время для обнаружения неисправностей. Но в цифровых системах, основанных на ZigBee, стоимость системы мониторинга параметров уменьшается, эффективность и чувствительность системы возрастает, по сравнению с традиционной системой.

Colak I., Celik H. Sefa I. & Bektas, A., Bayindir R, в некоторых случаях, параметры двигателя использовали для отображения электрических и механических характеристик двигателя с помощью ПК [13, 14].

В работе [14], все измерения, связанные с асинхронным двигателем были сделаны, и защита от отказа асинхронного двигателя, была достигнута за счет разработки системы мониторинга в реальном времени против отказа асинхронного двигателя. Однако стоимость системы увеличивается за счет датчиков температуры или других датчиков, используемых для сбора информации о напряжении и токе с двигателя и передачи по сети на ПК, в соответствии с Bektas A., Colak I., Bayindir R. [14]. Разработанная система состоит из двух разделов аппаратной и программной, таких как Atmel Atmega 8-16PU микропроцессора, Zigbee 2мВт, проводного датчика температуры производства фирмы Maxim/Dallas и инкрементного энкодера с 360 импульсов на оборот, трансформатора тока 5А/0.5А производства компании Entes, трансформатора напряжение 220В/5В, настольного компьютера, и программного пакета Delphi для проектирования интерфейса программы или X-CTU для управления трехфазным асинхронным двигателем с ПК через протокол Zigbee и микроконтроллер.

II. ХАРАКТЕРИСТИКИ ZIGBEE

Стандарт IEEE 802.15.4/Zigbee включает особенности низкого энергопотребления, необходимые только для двух основных режимов (Tx/Rx для асинхронного двигателя), его высокой плотностью узлов для каждой сети, низкой стоимостью и простотой реализации.

Характеристики Zigbee:

• 2.4 ГГц и 868/915 МГц двойной режимы PHY;

Это соответствует 3-м безлицензионным полосам: первая 2.4-2.4835 ГГц, вторая 868-870 МГц и последняя 902-928 МГц. Число каналов, выбранных для каждого частотного диапазона фиксируется, 16 полос высших частот имеет отношение для всего мира, и нижние полосы – в районах Северной Америки, Европы, Австралии и Новой Зеландии.

• Низкое энергопотребление
• Большинство скоростей передачи данных для каждого из этих полосовых частот фиксируются как 250кбит для 2.4 ГГц, 40кбит–915 МГц, и 20кбит–868 МГц;
• Имеет высокую пропускную способность и малое время задержки для приложений с низким рабочим циклом (<0,1%).
• Канал доступа использует Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA)
• Адресация пространства до 64 битных адресов IEEE устройств, 65535 сетей;
• Типичный диапазон 50 м;
• Полностью надежный "hand-shaked" протокол передачи данных;
• Различные топологии как показано на рисунке ниже: звезда, ячеистая, одноранговая сеть.

III. Технология сети ZigBee

ZigBee является новой технологией, малой дальности и низким энергопотреблением, беспроводной сети для многих областей, и он является также темой исследования беспроводных технологий связи на коротких расстояниях. Он широко используется в промышленности, при контроле и управлении, на площадках сельскохозяйственных земель, автоматизации дома и зданий, автоматическом управлении, медицине и других областях [14–14]. Потому что его преимущества это малая мощность потребления, низкая стоимость, самоорганизация и т.д. Лучше всего указаны нижние три слоя (Physical, Data Link, and Network), его расстояние передачи более 10 м и он совместим с частотными диапазонами – 2,4 ГГц и 900 МГц. Согласно Gang Z., Shuguang L. – это двусторонняя технология связи. Эта технология имеет огромный потенциал в считывании и управлении устройствами [23]. ZigBee поддерживает топологии сети звезда, кластерная и ячеистая, как показано на рис.1.

Согласно Zhu XQ., Wang JM, может быть только один координатор в каждой сети [24]. В топологии звезда, где координатор ZigBee отвечает за инициирование и поддержания устройств в сети, другие устройства непосредственно общаются с координатором. Эта топология подходит для сетей с централизованным устройством и приложений критичных к времени. В кластерном дереве координаторы сетей по-прежнему отвечает за сеть и техническое обслуживание; однако, маршрутизаторы могут быть использованы для расширения сети. Маршрутизаторы управляют потоками данных с помощью иерархической стратегии маршрутизации в сети.

В ячеистой сети координаторы ответственны за запуск сети и при выборе определенных ключевых параметров сети, но сеть может быть расширена за счет использования ZigBee маршрутизаторов. Маршрутизаторы могут быть использованы для расширения сети. Согласно Li J., Zhu X., Tang N. Sui J, ячеистая сеть позволяет полностью создать связь равный-равному. Если узел не доступен, тогда другой маршрут используется для доставки данных [25].

IV. Предлагаемая беспроводная система мониторинга двигателя

Мощная система беспроводного мониторинга для асинхронного двигателя была достигнута с помощью беспроводного протокола ZigBee. Основная блок-схема показана на рис. 2. Она состоять из двух частей: 1) оборудование; 2) программное обеспечение.

А. Оборудование

В этом системе протокол ZigBee используется для настройки беспроводной линии связи между ПК и блоком управления асинхронного двигателя. Используя устройство ZigBee данные передается с компьютера на блок управления. Блок управления состоит из микроконтроллера, датчиков скорость и других устройств контролирующие параметры двигателя.

Часть схемы с оборудованием состоит из следующего:

1. В испытательном стенде для исследовании использован трехфазный асинхронный двигатель 0,37кВт/1400 оборотов;
2. Три трансформаторы напряжения с коэффициентом трансформации 220/5 В, подключенных к каждой фазе АД;
3. Три трансформаторы тока с соотношении 5/0.5, подключенных к каждой фазе АД;
4. Программируемый проводной цифровой датчик температуры DS18B20 фирмы Maxim/Dallas, с коэффициентом трансформации 10 мВ при каждом увеличении температуры на 10С.
5. Инкрементный энкодер с 360 импульсов на оборот, используемый для измерения частоты вращения ротора.
6. AC-DC преобразователи.
7. Микроконтроллер Atmel Atmega 8-16 PU микроконтроллер и реле.

Три сигнала напряжений, три сигнала токов и один сигнал температуры используются в качестве входных значений в A/D микроконтроллера и один сигнал для скорости использует в качестве цифрового входа в микроконтроллер. Программное обеспечение и измерения этих сигналов описаны в подразделе программного обеспечения.

Б. Программное обеспечение

X-CTU используется для предоставления простого в использовании графического пользовательского интерфейса. Это приложение для Windows. X-CTU поддерживается на всех персональных компьютерах под управлением операционных систем Windows 98SE и выше. При запуске, на экране появляется окно X-CTU с четырьмя вкладками в верхней части программы, как показано на рис. 3. Каждый вкладка имеет свою функцию. Первая вкладка предназначена для настройки ПК, вторая для тестирования диапазона частот, третья для терминала и последняя для настройки модема.

• PC Settings : позволяет пользователю настраивать и выберите нужный COM порт, чтобы соответствовать настройкам радиостанций;
• Rage Test: позволяет пользователю выполнить тест диапазона между двумя радиостанциями;
• Terminal: позволяет получить доступ к компьютерным COM портам с терминальной программы, а также позволяет получить возможность доступа к прошивке радиостанции с помощью АТ команд;
• Modem Configuration : позволяет программировать параметры настройки радиостанций с помощью графического пользовательского интерфейса, а также позволяет пользователю изменять версии прошивок.

С. Пакет и размер данных

С помощью X-CTU мы можем послать пакет данных 32 байт и этот пакет данных можно скорректировать в любой вид текста и размер отправления.

V. ВЫВОДЫ

Таким образом система мониторинга параметров для асинхронного двигателя с использованием протокола Zigbee реализована и испытана. Она способна выполнять некоторые операции, такие как запуск двигатель через RF, измерения, его остановку, мониторинг и контроль всех параметров асинхронного двигателя, как фазных напряжений, фазных токов, температуры обмоток, скорости. Все значения параметров передаются в управляющий компьютер и с помощью графического интерфейса все эти значения параметров отображается на мониторе графически и хранить в Excel файл для мониторинга долгое время.

Она может быть использован не только для промышленного применения, но также и в образовательных целях для экспериментальных исследований.

Литература

1. Hazzab A., Bousserhane IK., Zerbo M. and Sicard P. “Real Time Implementation of Fuzzy Gain Scheduling of PI Controller for Induction Motor Machine Control”, Neural Processing Letters, .24 (3): 203-215, (2006).
2. Zhang P., Du Y., Habetler TG, Lu B., “A Survey of Condition Monitoring and Protection Methods for Medium-Voltage Induction Motors”, IEEE Transactions On Industry Applications,.47 (1): 34-45 (2011).
3. Vas, P., “Sensorless Vector and Direct Torque Control”, Oxford University Press, New York, 31-60 (1998).
4. Vas, P., “Parameter Estimation, Condition Monitoring, and Diagnosis of Electrical Machines”, Clarendon Press, Oxford, (1993).
5. Yanfei L., Cheng W., Chengbo Y., Xiaojun Q., “Research on Zigbee wireless sensors network based on modbus protocol”, International Forum on Information Technology and Applications, 2009. IFITA '09, Chengdu, China, 1: 487 – 490,(2009).
6. Li J., Zhu X., Tang N., Sui J., “Study on ZigBee network architecture and routing algorithm”, 2nd International Conference on Signal Processing Systems (ICSPS), Dalian China, 2 389 – 393 (2010).
7. Masica, K., “Recommended practices guide door securing Xbee wireless networks in process control system environments”, Lawrence Livermore National Laboratory, 9-19 (2007).
8. Bayindir R., Sefa I., Colak I., Bektas A., “Fault detection and protection of induction motors using Sensors”, IEEE Transactions on Energy Conversion, 23(3): 734-741 (2008).
9. Bayindir R., Demirbas, S., Irmak, E., Bekiroglu, E., “Design and implementation of microcontroller based starting and protection relay for induction motors”, Journal of Polytechnic, 1: 1-2(2007).
10. Siddique, A., Yadava, G. S., Singh, B. A., “Review of stator fault monitoring techniques of induction motors.” IEEE Transactions on Energy Conversion, 20 (1): 106-114 (2005).
11. Tandon, N., Yadava, G. S., Ramakrishna, K. M.A., “Comparison of some condition monitoring techniques for the detection of defect in induction motor ball bearings”, Mechanical Systems and Signal Processing, 21 (1): 244-256 (2007).
12. Bayindir R., Sefa I., “Novel approach based on microcontroller to online protection of induction motors”, Energy Conversion and Management, 48 (3): 850-856, (March 2007).
13. Colak I., Celik H., Sefa I. And Demirbas S., “Online protection system for induction motors”, Energy Conversion and Management, 46: 2773-2786 (2005).
14. Bektas, A., Colak, I., Bayindir R., “A PLC based application for induction motor protection”, Journal of Polytechnic, 10 (2): 117 (2007). IEEE STD 802.15.4.www.zigbee.org.
15. Cao L., Jiang W., Zhang Z., “Networked wireless meter reading system based on ZigBee technology”, Control and Decision Conference,Chinese, 3455 – 3460 (2008).
16. Park WK., Choi CS., Han J., Han I., “Design and implementation of ZigBee based URC applicable to legacy home appliances”, IEEE International Symposium Consumer Electronics, ISCE 2007.1-6 (2007).
17. Yiming Z., Xianglong Y., Xishan G., Mingang Z., Liren W., “A design of greenhouse monitoring & control system based on zigbee wireless sensor network”, International Conference Wireless Communications, Networking and Mobile Computing, WiCom 2007, 2563 – 2567 (2007).
18. Watanabe K., Ise M., Niwamoto H., “An energyefficient architecture of wireless home network based on MAC broadcast and transmission power control”, IEEE Transactions on Consumer Electronics,.53 (1): 124-130 (2007).
19. Park WK., Han I., Park KR., “ZigBee based dynamic scheme for multiple legacy IR controllable digital consumer devices”. IEEE Transactions on Consumer Electronics,.53 (1): 172-177 (2007).
20. Dong Y., Gu P., Si S., “The implementation of indoor location system to control ZigBee home network”. SICE ICASE 2006 in Bexco, Busan, Korea,.10: 2158-2161 (2006).
21. Choi JM., Ahn BK., You-Sung Cha YS., “Remote-controlled home robot server with ZigBee sensor network”, SICE-ICASE 2006 in Bexco, Busan, Korea, 10: 3739-3743 (2006).
22. Gang Z., Shuguang L, “Study on electrical switching device junction temperature monitoring system based on Zigbee technology”, International Conference on Computer Application and System Modeling (ICCASM), Taiyuan, China,.4: 692-695 (2010).
23. Zhu XQ., Wang JM., “The research and implementation of ZigBee protocol network” Journal of Electronic Technology, 1:129-132 (2006).
24. Li J., Zhu X., Tang N., Sui J., “Study on ZigBee network architecture and routing algorithm”, 2nd International Conference on Signal Processing Systems (ICSPS), Dalian China, 2: 389 – 393 (2010).
25. Baran L., “A PLC based monitoring and control of power factor of a three phase induction motors”, MSc Thesis, Gazi University, Institute of Science and Technology, Ankara (2009).
26. Ramazan BAYINDIR1, Mehmet SEN2 “A Parameter Monitoring System for Induction Motors Based on Zigbee Protocol” Gazi University Journal of ScienceGU J Sci 24(4):763-771 (2011)