CN101231526B - 感应电机运行状态的分布式监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种感应电机运行状态的分布式监控系统，构成如下：由前端机通过网络通讯控制器连接到上位机，多个前端机之间通过CAN总线传送监控信号，上位机采用普通PC机，配置普通网卡，前端机由DSP处理与控制板、传感器与接口板构成，其中网络通讯控制器由以太网控制器、隔离变压器、RJ45接口头依次联结构成，信号调理电路包括电流电压变换电路、电压调理电路、光耦与电平变换电路，CAN通讯控制器由DSP的eCAN模块、光耦隔离器、CAN控制器接口构成。本发明的前端机可接入多种监测传感器，具有CAN总线、网络通讯和控制功能，分布式结构能够大范围监控、扩展性好、布线简单。

Description

感应电机运行状态的分布式监控系统

技术领域

本发明涉及一种分布式监控系统，特别是指一种感应电机运行状态的分布式监控系统，能够接入感应电机监测用的各种类型传感器，实时在线处理多源异构监测数据，能够利用网络通讯控制器和CAN通讯控制器在通讯网络和现场总线中传输数据，能够在紧急时刻控制电机运行。

背景技术

感应电机广泛应用工业、农业、交通运输和日常生活相关的各个领域。在传动、机床、风机和各种泵、电梯等设备中，感应电机是重要的动力设备，因此感应电机运行状态的监控日益重要。

目前现有的感应电机运行状态的监控系统分三类。第一类是人工监测，由工作人员现场采集，通过电压表、电流表等测试仪表测量数据，这种监控方法不能做到长期实时监控和自动监控。第二类是采用各类传感器的自动监测，把传感器数据接入到监控站进行处理，这类方法需要把各种不同的传感器接入到监控站，现场布线复杂；监控站计算机的计算量随着监控点数量增加而大大增加，难以完成复杂分析算法。第三类是采用分布式结构的自动监测，但前端监控的单片机计算和控制功能有限，在线计算能力差，与中心计算机的通讯多采用串口通讯，受到通讯速率和通讯距离的限制，不能够实现大范围监控。

现有感应电机的自动监控系统主要有以下几个问题

1)布线复杂、可靠性低。由于感应电机运行状态监测需要较多的传感器，将传感器输出直接连接到监控站，会造成现场大量的布线工作。在需要监测多台感应电机的运行状态时，其布线任务成为监控系统主要任务之一。复杂的布线使监控系统运行可靠性大大降低。

2)前端监控装置的数据处理能力和传输能力弱。目前采用的分布式监控系统，其前端装置能够进行数据采集和简单的数据处理，不能嵌入融合和分析算法，数据处理能力较弱；与中心计算机的通讯多采用串口通讯，受到通讯速率和通讯距离的限制，不能长距离传送大量监测数据，不能进行大范围监测。

3)监测和控制功能难以集成。目前采用的分布式监控系统的监测装置不能实时在线处理传感器数据，通常是把监测数据传输至监控站计算机进行处理，造成控制的实时性差，当感应电机运行过程中出现瞬时异常时，不能及时发现并发出控制命令。

4)系统可扩展性不强。现有的监控系统如果加入新的需要监控的感应电机，则系统需要重新改造，其扩展性不强。

发明内容

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种感应电机运行状态的分布式监控系统。该系统能够接入监测用的各种类型传感器；具有CAN总线通讯能力和网络通讯能力，利用CAN总线传送实时性高的监测数据，利用通讯网络传送大容量监测数据并适应大范围监控的需求；具有实时在线处理多源异构监测数据的能力，能够在线分析电机运行状态；具有在紧急时刻控制电机运行的能力；现场施工中各类传感器就近接入到前端机，前端机利用双绞线作为CAN总线传输线、网线作为网络通讯传输线，现场布线简单，扩展能力强。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：

感应电机运行状态的分布式监控系统的一个或多个前端机通过网络通讯控制器连接到Intranet或局域网，与一个上位机进行数据通讯，多个前端机之间通过CAN通讯控制器实现现场总线级通讯，

上位机采用普通PC机，配置普通网卡；

前端机以DSP TMS320F2812为核心，包括DSP处理与控制板、传感器与接口板，

DSP处理与控制板包括电源电路、存储器电路、时钟与复位电路、信号调理电路、键盘和液晶显示、串行接口电路、CAN通讯控制电路、网络通讯控制电路、控制信号输出电路，

传感器与接口板通过各种信号调理电路接入电流输出的传感器、电压输出的传感器、开关量输出的传感器、脉冲序列量输出的传感器、带CAN接口的传感器；

前端机的网络通讯控制器由LAN ISA Ethernet控制器CS8900A、隔离变压器HR601626、RJ45接口头连接构成；

前端机的信号调理电路包括电流电压变换电路、电压调理电路、光耦与电平变换电路；

前端机的CAN通讯控制器由DSP TMS320F2812的eCAN模块、光耦隔离器、CAN控制器接口PCA82C250连接构成。

感应电机运行状态的分布式监控系统的上位机可为多个。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1.前端机具有网络通讯和现场总线通讯功能，大大简化现场布线工作，提高了系统可靠性。前端机集成信号调理电路、CAN通讯控制电路、网络通讯控制电路，能够就近接入感应电机监控的传感器，通过现场总线CAN传送实时性要求高的监控信息，利用现有通讯网络如Ethernet/局域网传送数据量大的监控数据。利用双绞线和普通网线作为CAN总线和通讯网络的物理介质，大大简化了现场的布线任务，提高了分布式监控系统的可靠性，同时基于通讯网络的数据传输能够实现大范围监控。

2.前端机处理能力增强。前端机由DSP TMS320F2812作为主控器件，能够在线提取监测数据的特征、嵌入复杂分析算法，数据处理能力强。前端机的处理能力减轻了网络传输的压力，减轻了上位机的配置要求，采用普通PC就能够完成相关的工作，增强了监控感应电机的瞬时异常运行的能力，满足控制的实时性要求。

3.前端机集成监测和控制功能。前端机的主控器件DSP TMS320F2812的快速处理能力能够得到感应电机实时的运行状态信息，其控制模块能够在感应电机运行异常时发出控制命令，能够及时避免感应电机的异常如堵转、电流过大等等现象造成电机的损坏。对于电梯、锅炉电机等应用场合保证感应电机正常运行非常重要。

4.可扩展性提高：采用前端机和上位机的结构能够在不改变系统结构的前提下扩展监测对象；只需增加前端机，整体结构不改变。

附图说明

图1感应电机运行状态的分布式监控系统示意图；

图2前端机构成方框图；

图3网络通讯控制器方框图；

图4CAN通讯控制器方框图；

图5各类传感器接入示意图；

图6供暖系统示意图；

图7实施示意图。

具体实施方式

本发明采用的技术手段为“上位机+前端机”结构。“上位机+前端机”结构发挥了前端机的传感器接入、数据处理、数据通讯和控制功能，能够在线处理多源异构传感器的数据，实时获得所需监控信息；减轻上位机的计算负荷，同时避免由于上位机故障引起的整个系统的崩溃。前端机的CAN总线通讯和网络通讯功能使前端机能够传输实时性要求高的监测数据、能够远距离大范围传输大容量数据。上位机采用普通PC机带普通网卡，主要运行分析和显示功能。

请参考图1感应电机运行状态的分布式监控系统示意图，感应电机运行状态的分布式监控系统采用“前端机+上位机”结构。

前端机利用网络通讯控制器经过Intranet/局域网连接到上位机，上位机接收经前端机处理的数据，具有分析、存储、安全评估和预测功能。上位机可以连接多个前端机，构成多台感应电机监控系统。上位机可以有多台，以满足不同的应用。

请参考图2前端机构成方框图，前端机以DSP TMS320F2812为核心，包括DSP处理与控制板、传感器与接口板。

DSP处理与控制板主要具有在线实时特征提取、数据传输、控制信号输出等功能，具有CAN总线通讯和网络通讯功能，能够适应实时性强的监测数据传输需求和大容量远距离数据传输需求。

传感器与接口板功能是接入感应电机监测用的各类传感器，包括电流输出传感器如监测电流信号的霍耳电流传感器CHB-25NP、温度传感器AD590，电压输出的传感器如监测电压信号的霍耳电压传感器CHV-25P/600，开关量输出的传感器如光电速度传感器，脉冲序列输出的传感器输入如监测温度的传感器DS18B20，带CAN接口的传感器；基本涵盖目前感应电机控所用的传感器类型。传感器与接口板还能够接收其他前端机CAN总线信号，能够输出感应电机控制用的PWM(Pulse Width Modulation)信号。

下面叙述该方案的具体结构及工作过程和工作原理：

请继续参考图1和图2，本系统主要结构分为两部分：上位机和前端机。

上位机主要接收多个前端机发送的监测数据，用于(多台)感应电机运行状态的总体监测、显示、运行特点分析、控制指令传送等等。

上位机利用TCP/IP协议通过数据通讯网络如Intranet或局域网与前端机进行通讯。

前端机由DSP处理与控制板、传感器与接口板构成。

DSP处理与控制板包括电源电路、存储器电路、时钟与复位电路、信号调理电路、键盘和显示电路、串行接口电路、CAN控制电路、网络通讯控制电路等。其中信号调理电路能够接入模拟量信号如电流输出传感器信号和电压输出传感器信号、开关量传感器输出信号、脉冲序列量传感器输出信号、带CAN接口的传感器输出信号。

传感器与接口板主要包括感应电机监测所需传感器信号接入接口、CAN总线接口、控制信号接口。完成感应电机监测信号的输入和控制信号的输出。传感器与接口板能够进行扩展以满足不同感应电机监测的特殊要求。

感应电机运行状态经过前端机的传感器与接口板端子进入到各类监测传感器中。传感器输出结果送到前端机的DSP处理与控制板。经过DSP数据处理后通过数据通讯网络上传至上位机。前端机如果发现感应电机出现运行故障，一方面报告上位机，一方面发出控制命令控制感应电机的运行。

请参考图3网络通讯控制器，前端机与上位机通过网络通讯控制器进行通讯。网络通讯控制器由LAN ISA Ethernet控制器CS8900A、隔离变压器HR601626、RJ45接口头连接构成。DSP将发送数据通过数据总线、地址总线和控制总线等总线结构连接到网络控制器CS8900A，通过RXD+和RXD-管脚连接到隔离变压器HR601626，再经过RJ45接口头的RXD+和RXD-传输至上位机。上位机发送数据经过RJ45接口头的TXD+和TXD-连接到隔离变压器HR601626，经过网络控制器CS8900A后进入DSP。

请参考图4CAN通讯控制器，前端机间的通讯采用CAN总线。由DSPTMS320F2812的eCAN模块、光耦隔离器、CAN控制器接口PCA82C250构成。前端机之间传送监测数据和带有CAN接口的传感器数据接入需要通过CAN总线。

请参考图5各类传感器接入图，传感器接入板接入感应电机监控所需传感器。传感器调理电路包括接入电流输出的传感器、电压输出的传感器、开关量输出的传感器、脉冲序列量输出的传感器、带CAN接口的传感器，覆盖了目前所有感应电机可能用到的传感器类型。

电流电压变换电路主要针对电流输出的传感器输入信号，如监测电流信号的霍耳电流传感器CHB-25NP、温度传感器AD590。

电压调理电路主要针对电压输出的传感器信号输入，如监测电压信号的霍耳电压传感器CHV-25P/600。

光耦与电平变换电路主要针对开关量输出的传感器输入如光电速度传感器和脉冲序列输出的传感器输入如监测温度的传感器DS18B20。

下面说明具体应用实例：

请参考图6供暖系统示意图，以供暖锅炉电机监控为例。一个小区的供暖锅炉房由若干个锅炉房构成，若要保证供暖质量，需要监测每个锅炉房中每台锅炉运行状况，送水和回水水温。通常锅炉房间以及与监控中心间隔较远。

请参考图7实施示意图，每个锅炉房由几台锅炉，每台锅炉的运行需要鼓风机、引风机、运煤机、送水机、回水机等多台感应电机。每台感应电机需要监测其电压、电流、温度、转速等物理量。同时还要监测送水温度和回水温度。

本发明的效果如下：

1.采用网络通讯和布线简单适应大范围监控需求。前端机具有网络通讯和现场总线通讯功能，扩大了系统的监控范围，提高了系统可靠性。前端机集成信号调理电路、CAN通讯控制电路、网络通讯控制电路，能够就近接入感应电机监控的传感器，通过现场总线CAN传送实时性要求高的监控信息，利用现有通讯网络如Ethernet网传送数据量大的监控数据。利用双绞线和普通网线作为CAN总线和通讯网络的物理介质，大大简化了现场的布线任务，提高了分布式监控系统的可靠性，同时基于通讯网络的数据传输能够实现大范围监控。

2.前端机处理能力增强。前端机由DSP TMS320F2812作为主控器件，能够在线提取监测数据的特征、融合多源异构传感器数据、嵌入复杂分析算法，数据处理能力强。前端机的处理能力减轻了网络传输的压力，减轻了上位机的配置要求，采用普通PC就能够完成相关的工作，增强了监控感应电机的瞬时异常运行的能力，满足控制的实时性要求。

3.前端机监测和控制一体，确保供暖系统的正常稳定运行。前端机的主控器件DSP TMS320F2812的快速处理能力能够得到感应电机实时的运行状态信息，其控制模块能够在感应电机运行异常时发出控制命令，能够及时避免感应电机的异常如堵转、电流过大等等现象造成电机的损坏，确保供暖系统的正常稳定运行。

4能够扩展监控范围和监控对象：采用前端机和上位机的结构能够在不改变系统结构的前提下扩展监测对象；如果需要增加新的监控感应电机，或者需要增加监控锅炉房，只需增加前端机数量，整体结构不改变。

Claims (2)

1.一种感应电机运行状态的分布式监控系统，其特征在于：该感应电机运行状态的分布式监控系统的一个或多个前端机通过网络通讯控制器连接到Intranet或局域网，与一个上位机进行数据通讯，多个前端机之间通过CAN通讯控制器实现现场总线级通讯，

上位机采用普通PC机，配置普通网卡；

前端机以DSP TMS320F2812为核心，包括DSP处理与控制板、传感器与接口板，

DSP处理与控制板包括电源电路、存储器电路、时钟与复位电路、信号调理电路、键盘和液晶显示、串行接口电路、CAN通讯控制电路、网络通讯控制电路、控制信号输出电路，

传感器与接口板通过各种信号调理电路接入电流输出的传感器、电压输出的传感器、开关量输出的传感器、脉冲序列量输出的传感器、带CAN接口的传感器；

前端机的网络通讯控制器由LAN ISA Ethernet控制器CS8900A、隔离变压器HR601626、RJ45接口头连接构成；

前端机的信号调理电路包括电流电压变换电路、电压调理电路、光耦与电平变换电路；

前端机的CAN通讯控制器由DSP TMS320F2812的eCAN模块、光耦隔离器、CAN控制器接口PCA82C250连接构成。

2.如权利要求1所述的感应电机运行状态的分布式监控系统，其特征在于：上位机为多个。

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