刘忠强，张 立，张春晓，孔祥飞，申安安

（沈阳仪表科学研究院有限公司，沈阳110043）

在城市市政建设中，雨水、污水等泵站的自动化技术日趋向信息化方向发展[1]，目前，在国内大部分城市泵站控制和管理还处于相对落后的状态，泵站的维护工作多采用人工定期巡视，巡视人员两次巡视时间间隔较长，电机一旦发生过流、过压等系统故障，无法及时报警，无法合理、及时地控制泵站电机的启停，不能及时做出相应的技术处理，严重时将会烧毁电机，造成积水无法排出等事故，影响正常的交通秩序，凸现出人工巡视的弊端，因此，泵站的正常运作至关重要，各泵站将对水泵电机的监控作为日常一项重要工作[2]，实时了解与监控水泵电机参数的工作状态，此外，在电机运行的电网中，存在严重的电气干扰，极易导致电子设备损坏，故在此研制了城市防涝排水泵站测控系统的电量监控器，该电量监控器采用多种保护措施，实现水泵电机在高干扰应用环境下的高可靠，当本地无线网络出现故障时，通过现场串口配置，通过RS485 连接能迅速启用现场有线通信[3]，增加了现场设备的冗余性。

1 泵站测控系统架构

城市防涝排水泵站测控系统的架构如图1所示[4]。排水泵站所安装的泵站监控仪包括无线雨量仪、无线流量仪、无线液位仪、无线电量监控器和无线射频识别RFID（Radio Frequency IDentification）门禁等监控设备，该设备将采集到的信息通过无线ZigBee网络[5]传送转发到ZigBee协调器，ZigBee协调器将数据通过RS485总线上传到泵站中央监控器，并接受本站中央监控器下发的控制命令，执行相应的控制动作，泵站中央监控器也将信息发送到城市泵站监控中心，并接收城市泵站监控中心的指令，再通过通讯下达到泵站电量监控器，控制现场泵站电机的启停[6]。

图1 城市防涝排水泵站测控系统的架构Fig.1 Structure of measurement and control system of urban flood prevention and drainage pump station

2 电量监控器硬件设计

电量监控器作为泵站监控设备中的重要一员，电量监控器结构如图2所示。

图2 电量监控器结构框图Fig.2 Block diagram of electricity monitor structure

高可靠多功能电量监控器采用意法半导体（ST）公司推出的基于ARM Cortex-M3系列STM32微控制器为控制核心[7]，负责控制相关部件及数据处理；电源模块为电量监控器提供需要的对应电压及功率；电参数测量模块采集泵站电机的电流、电压、有功功率、无功功率、功率因素、频率和有功电度等电参数；本地配置通信模块采用RS232 方式，支持升级电量监控器程序、参数的设置与查询；数字量检测模块具有8 路接口电路，检测直流供电电源是否有效供电，检测电机处于启动状态还是停机状态，采集相应电机启停按键的状态信息；存储信息模块采用Flash 数据存储器，存储器主要负责存放运行时的电参数信息，能够保存7 d的电参数信息，另外还存放电量监控器的一些配置参数；数字量控制模块具有4 路接口电路，用于电机的启停控制及语音报警的开关动作，当水泵电机启动时，语音报警器发出语音告警；人机键盘模块及本地显示器模块实现人与监控器的信息交互，液晶显示模块能查询电压电流等电参数信息和电机的启停状态；无线及有线通信模块负责与泵站中央控制器进行信息的收发双向传输。

电量监控器所处的水泵电机环境，主要存在的干扰是雷击、浪涌，进而引发过电压、过电流等问题，严重影响电子产品安全与寿命，在此，过电流保护采用自恢复保险专用防护元件；过电压保护使用稳压二极管、瞬态电压抑制器、压敏电阻、气体放电管等专用防护元件，无线通信电路对电源纹波的要求高，设计时采用了滤波电路，将电子监控器应用于强电环境中，设备和人的安全性是必须解决的，对于可靠性的设计主要包含在各个单元电路中。

3 各单元电路的设计

3.1 电源管理电路

电量监控器电源管理电路如图3所示。

电源模块解决在电机高干扰条件下电源可靠性问题，系统采用12 V 供电，电量监控器具有直流电源和蓄电池双电源供电，供电方式的选择是自适应识别的，当直流电源出现故障时，自动切换为蓄电池供电，电源模块采用多重保护电路和滤波电路、隔离电路实现系统的电源高可靠性，熔断器F1增加了电源的过电流保护；压敏电阻VDR1，气体放电管T1，双向瞬态电压抑制器D1与D5，单向瞬态电压抑制器D2和稳压管D4增加了电源的过电压保护；差模滤波器L1，L2和共模滤波器L3减少了电源纹波，系统电源部分采用隔离电源U2设计，将该系统的电源与市电部分隔离开来。

图3 电源管理电路Fig.3 Power management circuit

该电量监控器采用MORNSUN的隔离稳压电源WRB1205S-2W，输出5 V 电源，之后采用电容滤波，滤除高频和低频干扰，进一步降低电源纹波，5 V转换3.3 V 采用Advanced Monolithic Systems 公司的AMS1117-3.3 芯片。

3.2 电参数测量电路

电参数测量模块功能结构如图4所示，图中，交流电即为水泵电机的供电线路，电量监控器电参数测量模块采集单相或三相交流电电压、电流信号，电压经过分压电阻，电流经过高精度电流互感器[8]，把大电压电流转换为小电压电流，然后通过滤波电路，信号进入电能计量芯片，实时采样处理滤波后的信号，得出单相相电压、相电流有效值、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数、线频率等信息，STM32 微控制器通过SPI总线读取电能计量芯片转换后的数据，在此，电能计量芯片采用Cirrus Logic单相功率IC 芯片CS5484，利用三片分别用于交流电的A、B、C相，组合成三相功率采集[9]，信号隔离芯片采用光耦隔离器。

图4 电参数测量功能结构框图Fig.4 Block diagram of electrical parameter measurement structure

电参数测量模块一相电压采集电路如图5所示，图中，U1为独立的一相电压，电路采用压敏电阻VDR2与双向瞬态电压抑制器D8并联的形式达到电路中的浪涌双重保护[10]。通过6个电阻分压，将大电压转变为小电压，满足后端电能计量芯片要求的最大输入电压，电阻采用精度高的直插大电阻串联，满足系统的高精度及高稳定要求，之后通过电阻及电容对信号进行滤波，文中的电量监控器具有测量三路单相、三相三线制或三相四线制[11]中的三相电的电参数，三相电应用中，将三相的VINU-，VINV-，VINW-共地连接。

图5 电参数测量一相电压采集电路Fig.5 One phase voltage acquisition circuit for electric parameter measurement

电参数测量模块一相电流采集电路如图6所示，图中，U3为高精度电流互感器，用于将电机的大电流转变为小电流；R9为采样电阻，将电流信号转变为电压信号，将IINA+与IINA-的电压限伏在电能计量芯片要求的最大输入电压以下，采样电阻选择高精度电阻，同时R7与R10使信号变换为差分信号，双向瞬态电压抑制器D7与D9组成电压限幅电路，将浪涌大电压限幅在芯片可接受的最大电压以下，三相电应用中将三相电流中的GND-N 共地连接。

图6 电参数测量一相电流采集电路Fig.6 One phase current acquisition circuit for electric parameter measurement

图7 电参数测量模块与MCU 连接电路Fig.7 Electrical parameter measurement module and MCU interface circuit

电参数测量模块与MCU 连接电路如图7所示。系统中2 片CS5484 芯片U14，U15实现三路单相电压有效值、电流有效值、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数、线频率等信息获取，MCU 通过SPI总线读取电能计量芯片相关寄存器信息，经过运算处理算出三相合相电参数。

CS5484 芯片U14的XIN 管脚与XOUT 管脚外接晶振，CPUCLK 连接到CS5484 芯片U15的XIN，系统只用1个晶振，实现了2 片CS5484 芯片时钟的同步，电参数测量模块采用独立的隔离电源模块，将5 V 电源转换为3.3 V 电源，CS5484与MCU之间采用数字隔离器Si8461，其中5 路信号从MCU发给CS5484，1 路信号从CS5484 发给MCU，通过电源隔离、信号隔离，电参数测量模块与系统其它部分完全隔离，实现了强电对设备和人的安全性，同时解决了不同部分电路相互干扰的问题。

3.3 数字量检测模块电路

监控器数字量检测模块电路如图8所示，接口电路包括熔断器F2，压敏电阻R45，光电耦合器TLP521。压敏电阻有效地抑制开关浪涌；光电耦合器隔离了外部开关信号与内部电路，解决了外部开关信号对微控制器电路的干扰。

图8 数字量检测模块电路Fig.8 Digital quantity detection module circuit

电能计量芯片采用Cirrus Logic 芯片CS5484[12]。

3.4 数字量控制模块电路

高可靠多功能电量监控器数字量控制模块电路如图9所示，接口电路包括光电耦合器、续流二极管D20，输出为继电器输出，光电耦合器将微控制信号与外部控制继电器的信号进行电气隔离，继电器释放时，继电器线圈存在的电感会使线圈两端产生较高感应电压，增加续流二极管，继电器线圈产生的感应电流由二极管流过，因此不会产生很高的感应电压，从而保护了晶体管Q1。

图9 数字量控制模块电路Fig.9 Digital quantity control module circuit

3.5 有线通信模块电路

高可靠多功能电量监控器有线通信模块电路结构图如图10所示，图中，有线通信RS485模块采用独立的隔离电源模块，将5 V 电源与RS485的5 V电源隔离开，485 芯片采用ISL3152，ISL3152与MCU 之间采用光电耦合器CPL-060，通过电源隔离、信号隔离，有线通信RS485模块输出与系统其它部分完全隔离，RS485通信模块的输出端A与B之间连接有双向瞬态电压抑制器D17，输出端A与机壳之间连接一个双向瞬态电压抑制器D18，输出端B与机壳之间连接一个双向瞬态电压抑制器D16，增加了过电压保护，输出端A与端子之间连接熔断器TC2，输出端B与端子之间连接熔断器TC1，增加过电流保护，根据不同的系统应用，可以通过开关选择是否将上拉电阻、下拉电阻、匹配电阻接入电路中[13]。

图10 有线通信模块电路Fig.10 Wired communication module circuit

3.6 无线通信模块电路

监控器无线通信模块电路如图11所示，该系统无线通信采用ZigBee网络进行信息数据的传输，无线通信模块选择Digi 公司的XBee-PRO模块，视距传输距离能达到3200 m，室内有隔挡物传输距离也能达到90 m，满足泵站范围内的通信距离，图中，FB1为磁珠，磁珠与电容C37和C38的滤波进一步降低了电源的纹波。

图11 无线通信模块电路Fig.11 Wireless communication module circuit

4 软件设计

在电量监控器软件设计中，采用了面向过程的模块划分方法进行设计，STM32的软件开发主要采用库函数的方法，少部分代码直接采用操作寄存器的编程方法[14]。

整个应用程序软件包括底层驱动模块、标定模块、电参数采集处理模块、报警模块、液晶显示模块、按键输入模块、存储及参量配置模块、测试模式模块、升级模块、数据上传模块、定时模块、Modbus处理模块、维护功能模块等，电量监控器中电参数采集处理模块为核心，其流程如图12所示。

5 系统测试

5.1 电参数精度测试

电参数精度测试如图13所示，三相标准源发出标准信号给电量监控器，从电脑的上位机软件读出电量监控器传输给电脑的参数数据，电量监控器实现的精度与预期的指标对比见表1。

5.2 无线通信测试

图12 电参数采集处理流程Fig.12 Flow chart of electric parameter acquisition and processing

图13 电参数精度测试示意图Fig.13 Schematic of electrical parameter accuracy test

表1 实现的精度与预期指标的对比Tab.1 Comparison between the accuracy achieved and the expected indexes

5.2.1 发射功率测试无线通信发射功率测试如图14所示，电量监控器进入测试模式，使电量监控器无线通信模块发射端全功率连续发射传输给N4010 无线连接测试仪，在电量监控器连续发射情况下，在电脑端安捷伦89600 软件中读出电量监控器无线通信模块的输出功率。

图14 无线通信发射功率测试示意图Fig.14 Schematic of wireless communication transmission power test

5.2.2 接收灵敏度测试

无线通信接收灵敏度测试如图15所示，电量监控器进入测试模式，关闭电量监控器无线通信模块发射端输出，N4010 无线连接测试仪在最小要求接收功率值下发射100 包字节长度为22 B的数据，计算机测试上位机统计电量监控器的RS232端口的接收成功率应≤0.1%[15]。

图15 无线通信接收灵敏度测试示意图Fig.15 Schematic of wireless communication receiving sensitivity test

电量监控器无线通信参数实现指标与预期指标的对比见表2。

表2 无线通信参数实现指标与预期指标的对比Tab.2 Comparison between the realization indexes and expected indexes of wireless communication parameters

5.3 功能测试

电量监控器安装于现场，在电机运行及天气恶劣的现场环境中，电量监控器启停电机功能正常，上传数据准确，无丢包现象，各种功能稳定运行。

6 结语

所设计的高可靠、多功能电量监控器硬件和软件均采用模块化设计方法，该系统具有测量水泵电机的电参数、检测电机启停状态、控制电机的启动与停止、现场报警、现场数据查询、数据远传等多种功能；在支持无线通信的情况下，有线通信的加入是故障的有益快速解决手段；在电路上的过电压、过电流保护措施有效地解决了浪涌问题；采用隔离技术有效地解决了强电应用中安全问题和不同电路的互相干扰问题，使电量监控器稳定运行在电机运行的环境，整个系统实现了城市防涝排水泵站的全自动化，不但实现了泵站抽水泵运转情况的实时监控，为及时处理故障提供条件，同时实现了城市防涝排水泵站的无人值守，具有实用和推广价值。