CN101005205A

CN101005205A - 电机监护系统

Info

Publication number: CN101005205A
Application number: CN 200610018264
Authority: CN
Inventors: 郝卫平; 杨华; 赵宁; 陆家天; 蒋春海
Original assignee: CHUANGNENG TECH DEVELOPMENT Co Ltd NANNING
Current assignee: CHUANGNENG TECH DEVELOPMENT Co Ltd NANNING
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2007-07-25

Abstract

本发明的目的是提供一种保护和分析电动机的系统，不仅能够通过采集电动机的运行数据来判断保护电机，而且还能够保存电动机的运行数据方便维护人员分析，并能通过历史数据分析电动机的经济运行状态和进行故障预警。本系统分为上、下位机两部分，下位机为电动机监控仪，主要负责电动机运行电参数采集，将数据传送给上位机，判断并保护电动机；上位机采用普通商用计算机，运行软件，把下位机送来的数据进行压缩和保存，并根据实时数据和历史数据进行经济运行分析和故障预警。一个上位机可以连接多个下位机。

Description

电机监护系统

技术领域

本发明涉及一种电动机保护和分析系统，特别是涉及一种电动机实时保护和历史数据(电参数)分析及故障预警系统。

背景技术

当前的电机保护装置一般是采用硬件方式，如热继电器和电机缺相保护器等，这种方式的保护由于无法真正模拟电动机运行特性，容易造成保护失效或误动作。也有的保护装置采用单片机对采集的数据做判断来进行保护，但由于仅采集电动机的电流和电压，也只能对电动机当前时刻的数据做出判断，无法对电机整个运行过程进行分析并根据分析结果对电机采取保护措施、报警或进行故障预警。

发明内容

本发明的目的是提供一种保护和分析电动机的系统，不仅能够通过采集电动机的运行数据来判断保护电机，而且还能够保存电动机的运行数据方便维护人员分析，并能通过历史数据分析电动机的经济运行状态和进行故障预警。

本发明的技术方案如下：

本系统分为上、下位机两部分，下位机为电动机监控仪，主要负责电动机运行电参数采集，将数据传送给上位机，判断并保护电动机；上位机采用普通商用计算机，运行软件，把下位机送来的数据进行压缩和保存，并根据实时数据和历史数据进行经济运行分析和故障预警。一个上位机可以连接多个下位机。

计算机运行的管理程序包括以下步骤：通过所述通讯模块读取所述电动机监控仪的数据；使用MODBUS通讯协议进行CRC校验；建立实时数据库(结构数组)；将数据记录到文件以及实时数据显示、实时曲线显示；读取数据文件数据；经济运行分析及历史曲线显示。管理程序中还包括打印管理、用户管理和电动机管理。用户管理功能模块可以对多个用户管理，包括用户信息录入、修改、删除、用户登录。电动机管理可以对多台电机进行管理，包括添加电机、修改电机和删除电机。

在上述实时数据显示步骤中还包括如下步骤：读取实时数据库；以全部电机方式或从区域表中选择某区域电机方式或从自定义电机表中选择自定义电机方式选择电机；处理实时数据库中的数据；显示输出。

在上述实时曲线显示步骤中还包括如下步骤：选择指定电机；以电压方式或电流方式或有功功率方式或无功功率方式对任一相数据进行曲线缩放、平移；处理数据；显示输出；

在上述历史曲线显示步骤中还包括如下步骤：选择指定电机；以电压方式或电流方式或有功功率方式或无功功率方式对任一相的指定日期的数据进行曲线缩放、平移；处理历史数据；显示输出；

在上述经济运行显示步骤包括如下步骤：选择电机；选择日期；处理历史数据；分析结果输出。

电动机监控仪由信号采集模块、单片机、存储模块、电源模块、液显模块、通讯模块及继电器组成。信号采集模块采集电动机的电流和电压信号，并计算出电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率，送给单片机，进行电能的累计，并根据电动机的运行数据进行故障的判断和保护，控制继电器来控制电动机的启停。单片机中将运行数据送至液显模块(LCD)进行显示，并通过通讯模块与计算机进行数据交换。

电动机监控仪中运行的软件包括以下步骤：初始化；按键处理；读取电压、电流；读取有功、无功；数据处理；分析电机运行状态；显示处理；故障处理；通讯。

在上述按键处理步骤中还包括如下步骤：判断是否有按键按下，在有按键按下且经一段延时后仍有相同按键处于按下状态时保存健值，在其他情况下直接结束。

在上述读取电压、电流步骤中还包括如下步骤：判断过零点是否丢失，在过零点丢失时设定相应相电压、电流为0，如不丢失则直接进行下一步；按顺序分别对三相进行过零中断判断，结果为中断时读取其相电压、相电流，不是时直接结束；

在上述读取有功、无功步骤中还包括这样的步骤：分别读取三相的有功、无功功率；计算累计三相有功功率和。

在上述数据处理步骤中还包括如下步骤：计算各相电压实际值；计算各相电流实际值；计算三相有功功率和；计算有功功率实际值；计算三相无功功率和；计算无功功率实际值。

在上述分析电机运行状态步骤中还包括如下步骤：通过判断任一相电流或/和相电压是否超过设定值来判断电动机的运行状态是否为停止状态；通过比较运行时间与启动时间来判断电动机处于启动或运行状态，运行时间小于启动时间为启动状态，运行时间大于等于启动时间为运行状态。

在上述显示处理步骤包括如下步骤：当前有故障时显示故障代码；根据当前在主画面时轮换显示三相电流、三相电压、有功无功功率、功率因数，或当前在菜单画面时轮换显示相应菜单项、设置状态。

在上述故障处理步骤包括如下步骤：判断运行中是否有故障，如有则结束；如没有则依次判断是否有相电压过压，相电压欠压，缺相，过载，三相不平衡，过流，堵转，短路这些情况出现，如有则进行相应项目的报警，并进行相应的报警计时累加，在相应的报警计时累加达到设定值时进行相应的故障报警。

在上述通讯步骤包括如下步骤：在接收到数据包、进行数据包CRC16效验正确、读取数据包头且为本机地址时读取功能码，否则结束；根据功能码的数值进行相应的操作：

功能码为设定值一时，读取寄存器地址，读取相应的实时数据；

功能码为设定值二时，读取寄存器地址，读取寄存器数值，将数据值写入相应的开关量；

功能码为设定值三时，读取寄存器地址，读取E2ROM中相应参数；

功能码为设定值四时，读取寄存器地址，读取寄存器数值，将数值写E2ROM中相应参数；

进行了以上任一种功能码对应的操作之后，生成回复数据包；添加CRC16效验码；数据包发送；结束；

功能码均不为以上四种设定值时结束。

本发明的优点在于：1.电动机电参数采集齐全，可采集三相的电压、电流、有功功率、无功功率，并能根据采集到的数据计算出电动机的视在功率、功率因数和累计电能，可根据这些数据对电动机的运行状态进行较精确的分析，方便进行故障保护，2.电动机保护由稳定性强的单片机进行控制，控制精确，动作阀值稳定可靠。

附图说明

图1是本发明的系统框图

图2是本发明的电动机监控仪的结构框图

图3是本发明的电动机监控仪的电源板原理图

图4是本发明的电动机监控仪的微处理器板原理图1

图5是本发明的电动机监控仪的微处理器板原理图2

具体实施方案

从图1系统连接框图可知，一台上位计算机通过总线可以连接多台下位的电动机监控仪。

电动机监控仪的连接见图2。电压转换电路、主电流转换电路连接到电能模块上，单片机分别与电能模块、存储模块、液显模块、通讯模块及继电器相连，通讯模块通过总线与上位机相连。

信号采集模块含电压转换电路、主电流转换电路，以及与所述电压转换电路、主电流转换电路相连接的电能芯片。

由图3可以看到，电动机监控仪的电源部分外部输入电源为直流9～30V，适应范围广，方便工厂根据实际情况外接不同的电源，也可避免由于电压波动较大造成的故障。电源入口有一个二极管(D1)防止电源反接，可恢复保险(F1)作为电源保护。通过电压变换模块(D2)将输入电压转变成5V的标准电压供给监控仪电源，电压变换芯片采用的型号是34063。两个继电器(K2、K3)可根据实际设置成不同的功能，继电器(K2)提供一组无源的常闭触点一般作为故障保护停机，继电器(K3)提供一组无源常开触点。两个继电器(K2、K3)是由两个三极管(Q2、Q4)控制，控制信号由微处理器板引入。电动机三相交流电压采集转换也是电源板上，每一相在入口均有一个压敏电阻(RV1、RV2、RV3)做保护，经过4个电阻(C相为R1、R4、R7、R13)分压，转换成交流0～0.35V的信号，并用一个TVS做限幅保护，提供给微处理器板上的电能转换芯片进行采集。

由图4可以看到，电动机主回路通过三个普通的穿芯式电流互感器后，在外部通过转换电阻，转换成交流0～0.35V的信号，TVS(瞬态电压抑制)做限幅，然后送给电能芯片(U1)采集。电能芯片采用的是美国ADI公司的多功能电能芯片ADE7758，该芯片的特点是高精度，独有的ADC(模数转换器)和DSP(数字信号处理器)在环境和时间有很大变化的条件下，仍能保证高准确度。功能齐全，电能芯片可输出有功、无功、视在电能，电流电压有效值，以及波形采样数据等。电能芯片采用SPI串行接口与单片机通讯，电能芯片与单片机通讯的引脚全部通过高速光耦(U2、U3、U4、U5、U6)与单片机连接，高速光耦采用的型号是6N137。当每个回路电压、电流过零点时，通过中断(U1的18脚AIR)通知单片机取数据。单片机通过在开启多功能电能芯片ADE7758的使能端U1的21脚，在23脚(ASK)发时钟信号，写22脚(ADI)，读24脚(ADO)完成两者之间的数据交换。

由图5可以看到，电动机监控仪的单片机(U10)采用Microchip公司的PIC16F76芯片，该芯片是一款28脚的8位单片机，内部看门狗，其特点是工作稳定，抗干扰能力强，端口驱动能力强，功能丰富，带有SPI、I2C通讯接口，方便连接外部器件。单片机通过读取电能芯片采集到的电动机运行数据，然后将数据送给外部的液显模块进行显示。监控仪采用的液显模块是定制的字段型LCD模块，该模块是一块6位的字段型LCD，还带有4个按键和两个指示灯，4个按键作为监控仪参数的设置、显示切换和故障应答等功能。两个指示灯中一个位故障指示灯，一个为设置指示灯。单片机将运行数据传至LCD显示，平时轮换显示三相电流有效值，可通过按键切换轮换显示三相电压或功率，也可以通过按键进入菜单中去设置各个故障的保护阀值参数。LCD模块通过插座J9与单片机连接。单片机通过采集到的各种电参数(电压、电流、功率等)与设定的保护参数做运算和比较，进行故障判断，故障发生时，经过设定的延时，驱动电源板中的继电器(K2)进行保护，并将相应的故障代码在LCD液显模块进行故障显示。故障排除后，可人工按下按键中的故障复位键清除故障，或在上位机进行复位。监控仪中参数的存储模块采用的是串型接口的EEROM存储芯片(U9)，Microchip公司的93LC56B，该芯片采用SPI串型接口与单片机连接，监控仪将人工设置的参数和累计电能保存到存储芯片(U9)中，监控仪在上电的时候也会自动将保存的参数读出来。单片机与计算机通讯的通讯模块采用TI公司的防雷型485通讯芯片(U11)，型号为SN65LBC184P，该芯片的特点是：集成的瞬变电压抵制，对超出总线终端的ESD保护，增强了通讯的可靠性。通讯芯片(U11)与单片机的连接中间有两片高速光耦(U7、U8)进行隔离，进一步对监控仪进行保护。监控仪通过通讯芯片与上位机连接，在一条485总线上，可挂接128台监控仪，上位机定时轮换查询各台监控仪，并将监控仪的数据进行保存和分析。

Claims

1.一种电动机保护和分析系统，由电动机监控仪及计算机组成，所述电动机监控仪由信号采集模块、单片机、存储模块、电源模块、液显模块、通讯模块及继电器组成，其特征为

所述信号采集模块含电压转换电路、主电流转换电路，以及与所述电压转换电路、主电流转换电路相连接的电能芯片；

所述单片机分别与电能芯片、存储模块、液显模块、通讯模块及继电器相连；

所述计算机运行管理程序，并通过所述通讯模块与单片机通信。

2.如权利要求1所述的电动机保护和分析系统，其特征是，所述单片机运行软件，所述软件包括以下步骤：初始化；按键处理；读取电压、电流；读取有功、无功；数据处理；分析电机运行状态；显示处理；故障处理；通讯。

3.如权利要求1所述的电动机保护和分析系统，其特征是，所述计算机运行的管理程序包括以下步骤：通过所述通讯模块读取所述电动机监控仪的数据；CRC校验；建立实时数据库；将数据记录到文件以及实时数据显示、实时曲线显示；历史曲线显示；经济运行分析；设备管理；设备预警。

4.如权利要求2所述的电动机保护和分析系统，其特征是，所述初始化步骤包括如下步骤：初始化单片机；初始化全局数据；初始化通讯参数；初始化E2ROM；初始化LCD；初始化定时器；读取增益数据；初始化电能芯片(ADE7758)；开中断。所述读取电压、电流步骤包括如下步骤：判断过零点是否丢失，在过零点丢失时设定相应相电压、电流为0，如不丢失则直接进行下一步；按顺序分别对三相进行过零中断判断，结果为中断时读取其相电压、相电流，不是时直接结束；所述读取有功、无功步骤包括分别读取三相的有功、无功功率；计算累计三相有功功率和。所述数据处理步骤包括如下步骤：计算各相电压实际值；计算各相电流实际值；计算三相有功功率和；计算有功功率实际值；计算三相无功功率和；计算无功功率实际值。

5.如权利要求2所述的电动机保护和分析系统，其特征是，所述显示处理步骤包括如下步骤：当前有故障时显示故障代码；根据当前在主画面时轮换显示三相电流、三相电压、有功无功功率、功率因数，或当前在菜单画面时轮换显示相应菜单项、设置状态。所述故障处理步骤包括如下步骤：判断运行中是否有故障，如有则结束；如没有则依次判断是否有相电压过压，相电压欠压，缺相，过载，三相不平衡，过流，堵转，短路这些情况出现，如有则进行相应项目的报警，并进行相应的报警计时累加，在相应的报警计时累加达到设定值时进行相应的故障报警。

6.如权利要求3所述的电动机保护和分析系统，其特征是，所述实时数据显示步骤包括如下步骤：读取实时数据库；以全部电机方式或从区域表中选择某区域电机方式或从自定义电机表中选择自定义电机方式选择电机；处理实时数据库中的数据；显示输出。所述实时曲线显示步骤包括如下步骤：选择指定电机；以电压方式或电流方式或有功功率方式或无功功率方式对任一相数据进行曲线缩放、平移；处理数据；显示输出；所述历史曲线显示步骤包括如下步骤：选择指定电机；以电压方式或电流方式或有功功率方式或无功功率方式对任一相的指定日期的数据进行曲线缩放、平移；处理历史数据；显示输出。

7.如权利要求3所述的电动机保护和分析系统，其特征是，所述经济运行分析步骤包括如下步骤：选择电机；选择日期；处理历史数据；分析结果输出。所述设备预警步骤包括如下步骤：读取电动机额定参数，处理历史数据，预测电机运行参数，和实际运行参数比较，两者数据差别大于设定大小则报警。所述设备管理步骤包括如下步骤：读取电机运行时间，和设定维修周期比较，大于则提示进行电机维护。

8.如权利要求1所述的电动机保护和分析系统，其特征是，一个计算机可以连接、管理多个电动机监控仪。