CN104238508A - 一种马达保护器数据通讯优化模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种马达保护器数据通讯优化模块，包括与数据采集站信号连接的马达保护器数据通讯处理模块即通讯模块；所述通讯模块内设置数据组态单元和通讯故障处理单元；所述数据组态单元包括两组通讯数据存储区域，一组存放采集数据即通讯模块采集的马达保护器数据，另一组存放组态数据即存放所有需通讯的数据节点及数据地址；所述通讯故障处理单元，通讯模块上电或复位时对所有设置的通讯节点进行数据采集，并标记可正常通讯的节点，后续通讯周期仅对标记的节点进行通讯；通讯模块按照组态数据的要求读取马达保护器的数据存放于采集数据区域，数据采集站利用一条指令即可将存放于采集数据区域的多台马达保护器的数据采集进入系统。

Description

一种马达保护器数据通讯优化模块

技术领域

本发明涉及马达保护器数据通讯优化模块，属现场总线网络数据采集领域。它解决了现场总线数据采集过程中，所连接马达保护器数量较多数数阻塞而影响整个现场总线通讯网络。 

背景技术

目前我国火力(或核电等)发电厂、石油化工及钢铁等产业均配置有较多数量的电机(马达)，很多电机所配套的开关柜都设有马达保护器并将马达的电流信号通过4－20mA信号传递给PLC或DCS系统，这些信号一般仅作为电机运行状态的显示，不需参与泵的信号连锁；同时，目前市场上的马达保护器一般都具备数据现场总线通讯功能(Modbus-RTU)，因此这些信号可以通过现场总线采集进入监控系统从而减少PLC或DCS的系统负荷以及成本投入。 

有些直接使用数据采集站或操作站(操作站安装组态软件，如IFIX、Intouch等)通过现场总线直接和马达保护器通讯进行数据采集，在一定程度上实现了数据采集功能。但由于系统内的通讯节点过多(通讯节点：马达控制器数量)，虽然每个通讯节点的实际通讯数据很少且数据分散，造成获取数据需多次发送请求指令才能完成，这就直接造成系统完成每台马达控制器需用的时间很长。数据采集站一般采用时间进行判断通讯故障，当个别马达控制器出现通讯故障时整个通讯周期就会浪费更多的时间，从而对其它运行正常的马达控制器数据通讯造成影响。 

目前使用的马达保护器都一般提供Modbus-RTU数据接口，当数据采集系统出现故障时，期间的数据无法保存，对于用户来说这是不可靠和不安全的。 

市场上还有很多网关以及串口服务器产品，其作用一般为通过网络扩串口，或解析Modbus-TCP/IP协议转换为Modbus-RTU协议。这些产品与马达控制器通讯的通讯处理等功能还是由数据采集站来完成，因此个别马达控制器出现通讯故障依然会影响整条通讯总线，进而影响其它马达控制器的数据采集。 

因此，开发一种马达保护器数据通讯优化模块用于解决马达保护器数据采集的问题是非常必要的，对于广大用户来说也是非常迫切的。 

发明内容

本发明的目的是：提供一种马达保护器数据通讯优化模块，优化数据通讯网络，通过减少马达保护器通讯节点的方式减少通讯网络正常通讯轮询总周期。优化马达保护器节点数据采集机制，并增加马达保护器节点故障处理策略并对单个通讯节点进行优化。 

本发明的技术方案是：一种马达保护器数据通讯优化模块，包括与数据采集站信号连接的马达保护器数据通讯处理模块即通讯模块；所述通讯模块内设置数据组态单元和通讯故障处理单元； 

所述数据组态单元包括两组通讯数据存储区域，一组存放采集数据即通讯模块采集的马达保护器数据，另一组存放组态数据即存放所有需通讯的数据节点及数据地址； 

所述通讯故障处理单元，通讯模块上电或复位时对所有设置的通讯节点进行数据采集，并标记可正常通讯的节点，后续通讯周期仅对标记的节点进行通讯； 

通讯模块按照组态数据的要求读取马达保护器的数据存放于采集数据区域，数据采集站利用一条指令即可将存放于采集数据区域的多台马达保护器的数据采集进入系统。 

进一步的，一种马达保护器数据通讯优化模块，包括若干个马达保护器通讯隔离检测模块即隔离检测模块，设置于每个马达保护器与通讯总线的连接节点处，且每个隔离检测模块仅与单台马达保护器进行周期通讯。 

进一步的，所述隔离检测模块内设置故障检测处理单元，当所述隔离检测模块对应的马达保护器出现通讯故障时,隔离检测模块向通讯模块发出节点通讯故障信息并清除对应的马达保护器的标记状态；故障恢复后，隔离检测模块向通讯模块发出节点通讯恢复信息并对对应的马达保护器进行标记。 

进一步的，所述隔离检测模块内设置数据提取单元，包括两组通讯数据存储区域，一组存放采集数据即隔离检测模块采集的马达保护器的数据，另一组存放组态数据即存放对应的马达保护器的数据地址；所述数据提取单元根据所述组态数据，将分散于马达保护器内的零散数据组织排列，通讯模块利用一条指令即可采集到存放于采集数据存储区域存储的对应马达保护器的数据，确保数据采集站可以更有效的进行数据采集。 

进一步的，所述隔离检测模块内设置通讯隔离单元，在每个马达保护器与总线间设置光电隔离通讯回路，对信号、电源进行全隔离。 

进一步的，所述隔离检测模块设置掉电处理策略，当隔离检测模块掉电时，模块会依靠内部的电容进行供电维持，在供电维持期间隔离检测模块向通讯模块发出清除标记指令。 

进一步的，所述隔离检测模块设置空闲处理策略，当隔离检测模块与马达保护器正常，但在阈值范围内一直没有来自通讯模块的数据请求时，隔离检测模块会向通讯模块发出节点标记指令，通讯模块收到后会对相应节点进行标记；如果通讯模块的组态数据存储区没有找到所述节点，则通讯模块会报警并提示节点未组态。 

进一步的，所述阈值的取值范围为200～400ms。 

本发明的有益效果是：通过马达保护器数据通讯优化模块(马达保护器数据通讯处理模块及马达保护器通讯隔离检测模块)的应用，减少了数据采集站直接采集的总线节点数量，有效的提高了数据总线的访问效率；同时通过马达保护器数据通讯处理模块与马达保护器通讯隔离检测模块之间采用了各种策略所组成的故障处理机制，大大降低了故障对数据采集站造成的影响。在系统提高总线利用率的同时也有效降低了数据采集站硬软件成本的投入。 

附图说明

图1、传统数据采集方式的系统结构图； 

图2、应用马达保护器数据通讯优化模块进行数据采集的系统结构图； 

图3、马达保护器通讯处理模块对节点进行数据采集过程的软件结构图； 

图4、马达保护器通讯处理模块数据采集中断处理软件结构图； 

图5、马达保护器通讯处理模块在数据采集过程中收到隔离检测模块标记中断处理和通讯失败中断处理的软件结构图； 

图6、马达保护器通讯隔离检测模块的数据采集过程的软件结构图； 

图7、马达保护器收到数据通讯处理模块发出的数据采集中断处理软件结构图； 

图8、马达保护器通讯隔离检测模块的断电中端处理的软件结构图。 

具体实施方式

马达保护器数据通讯优化模块由：马达保护器数据通讯处理模块及马达保护器通讯隔离检测模块等主要功能模块。通讯模块主要负责采集每台马达保护器的数据，并缓存供数据采集站进行采集；以及完成马达保护器节点通讯状态诊断等功能。隔离检测模块负责与马达保护器进行数据通讯，并将有效数据进行数据按需要进行排列，以及配合通讯模块完成马达保护器节点通讯状态诊断等功能。 

下面结合附图对本发明作进一步的说明。 

图1、2说明： 

本发明的马达保护器数据通讯优化模块和其它数据采集装置的不同之处主要再于： 

传统数据采集系统采用工控机、触摸屏或采用串口服务器等与马达保护器连接，这种数据采集方法其数据采集的控制均由工控机(或触摸屏)控制，工控机的每个接口扩展的现场总线每台马达保护器均由工控机按时间轮流查询数据，每台马达保护器均消耗工控机一定的轮询时间，工控机连接马达保护器越多，工控机所需轮询周期越长。 

应用马达保护器数据通讯优化模块的数据采集系统则有更大的优越性。如图2所示，数据首先由隔离检测模块进行采集、筛选，由此将零散的数据进行打包，将原来由工控机多条 访问指令才能获取的数据，经隔离检测模块处理后一条指令就可以完成这些数据的采集。然后数据上传至马达保护器数据通讯处理模块并由其进行二次处理，将多台仪表的数据进行二次打包，经此处理后的数据更有利于提高传输效率。 

下面计算下数据采集刷新周期：按每条指令访问为150ms，每台马达保护器需访问A、B、C三相电流(地址：400000～400002)、基本故障报警状态位(地址：400022)、电机状态(地址：400030)等数据。马达保护器数据地址列表各不相同，以上数据地址仅参考上海安科瑞ARD3系列保护器通讯地址为例。 

传统数据采集系统，如果工控机配置4条Modbus-RTU总线接口，每条总线上配置8台，合计配置32台马达保护器。单台马达保护器需2～3条指令才能完成数据采集，约需300～450ms时间才能完成单台马达保护器的数据采集，也就是说所有在没有任何故障的情况下，完成32台马达保护器的数据采集约需要9600ms(约9.6秒)才能完成。 

采用马达保护器数据通讯优化模块时，工控机配置2条Modbus-RTU总线接口，每条总线上配置4台马达保护器数据通讯处理模块，每台马达保护器数据通讯处理模块连接8台马达保护器通讯隔离检测模块，合计配置64台马达保护器。每台马达保护器通讯隔离检测模块同时与对应的马达保护器进行数据采集约需用时300～450ms，因所有马达保护器通讯隔离检测模块可同时访问，因此在以上时间内，所有马达保护器的数据均已采集进入通讯隔离检测模块。之后由数据通讯处理模块对8台通讯隔离检测模块进行数据采集，每台仅需1条指令可完成数据采集，合计约需用时1200ms。最后由工控机对每台数据通讯处理模块进行数据采集，合计约需用时1200ms。完成以上数据采集第一个周期约需用时为450ms+1200ms+1200ms,合计2850ms,但三个阶段的数据采集过程均为同时进行，因此工控机的数据在后续的采集周期约每1.2s～1.5s可完成刷新一周期。 

由以上计算得出，采用马达保护器数据通讯优化模块连接传统数据采集系统2倍数量的马达保护器，在通讯正常的用时却为传统数据采集系统用的1/8。如果出现通讯故障时，传统数据采集会增加更多的数据采集周期，而马达保护器数据通讯优化模块由于其采用多种故障策略组成的故障处理机制，则几乎不用额外付出多余的通讯时间。同时可以看出采用马达保护器数据通讯优化模块在同样的实时性要求的情况下，可以更好的节约工控机以及数据采集软件等软硬件采购费用。 

图3、4、5说明： 

马达保护器数据通讯处理模块在程序设计时主要从数据采集的实时性考虑。具体的，通讯模块设置两组通讯数据存储区域。其中一组存放采集数据(通讯模块采集的马达保护器数 据)；另一组存放组态数据，存放所有需通讯的数据节点及数据地址。组态数据按标准Modbus数据访问指令(8字节)、采集数据存储地址(2字节)以及节点标记状态(1字节)组成，合计12个字。通讯模块的按组态数据的要求读取马达保护器的数据存放于采集数据区域，数据采集站仅需一条指令就可以把多台马达保护器的数据采集进行系统，大大减小了数据采集站的访问次数，从而有效的降低了数据总线的负荷。 

在对节点进行数据采集时，具体步骤如图3所示： 

步骤一、模块上电初始化，置位所有节点标记状态。 

步骤二、准备读取第一节点取组态参数。 

步骤三、判断准备读取的节点标记状态，如果是有效，则对该节点进行数据采集；如果是无效，则不进行数据采集，避免浪费数据采集时间。 

步骤四、判断是否已完成所有节点的数据采集，若没有，则读取下一节点取组态参数，并返回步骤三；若完成，则返回步骤二，重新读取第一节点取组态参数。 

如图4所示，马达保护器数据通讯处理模块采用中断方式上传数据采集系统的数据请求，上传数据完成返回原处理过程，以此确保数据采集系统获取数据的实时性。具体过程如下，在数据采集过程中如收到数据采集中断请求，首先解析请求，然后判断是否采集本模块数据，如果是，则准备数据并将数据反馈给数据采集系统，若否，则退出中断程序。 

如图5所示，在数据采集过程中如收到隔离检测模块标记中断处理请求，首先解析请求指令，进行节点标记，完成后退出中断进程。在数据采集过程中如出现数据通讯故障时则调用通讯失败中断处理程序将故障节点进行标记。 

图6、7、8说明： 

马达保护器通讯隔离检测模块在程序设计时主要从两方面考虑，一方面是数据获取的及时性；另一方面为马达保护器通讯状态的实时获取，确保一旦正常通讯立及通知马达保护器数据通讯处理模块可以及时采集到马达保护器数据，同时在马达保护器通讯隔离检测模块出现掉电时及时进入中断程序，通知马达保护器数据通讯处理模块将故障节点进行标记。 

具体的，通讯隔离检测模块内部设置数据提取单元，解决用户所需要的数据存储地址不连续的问题。马达保护器内数据繁多,然而系统需要采集的数据却非常的少且不在连续的地址段。同时采集回来的数据也不是按用户的要求排序，给工程实施以及运行维护带来一定的不便。隔离检测模块内部同样设置了采集和组态两组存储区域，不过其组态数据长度为不定长，由：数据指令长度(1字节)、数据访问指令(长度不定)、采集数据存储地址(2字节)以、数据排列顺序(长度不定)等组成。数据提取单元按以上组态数据，将分散于马达保护器内 的零散数据有效的组织排列，确保数据采集站可以更有效的进行数据采集。 

如图6所示，马达保护器通讯隔离检测模块的数据采集具体步骤如下： 

步骤一、模块上电初始化； 

步骤二、按组态数据采集对应马达保护器数据； 

步骤三、判断数据是否采集成功，如果成功，则对数据进行提取，并转入步骤四；如果不成功，向数据通讯处理模块发出节点标记无效指令，并返回步骤二； 

步骤四、检查本节点是否已经被标记无效，若已被标记无效，则向数据通讯处理模块发出节点标记有效指令；若未被标记无效，则继续采集更新马达保护器数据。 

如图7所示，马达保护器收到数据通讯处理模块发出的数据采集中断处理请求后，首先解析请求指令，判断是否采集本节点数据，如果是，则准备数据并将数据反馈至数据通讯处理模块，并上传数据的计时清零；若不是，则退出中断程序。 

如图8所示，马达保护器通讯隔离检测模块的断电中端后，向数据通讯处理模块发出节点标记无效指令，然后退出中断进程。 

Claims (8)

1.一种马达保护器数据通讯优化模块，其特征在于：包括与数据采集站信号连接的马达保护器数据通讯处理模块即通讯模块；所述通讯模块内设置数据组态单元和通讯故障处理单元；

所述数据组态单元包括两组通讯数据存储区域，一组存放采集数据即通讯模块采集的马达保护器数据，另一组存放组态数据即存放所有需通讯的数据节点及数据地址；

所述通讯故障处理单元，通讯模块上电或复位时对所有设置的通讯节点进行数据采集，并标记可正常通讯的节点，后续通讯周期仅对标记的节点进行通讯；

通讯模块按照组态数据的要求读取马达保护器的数据存放于采集数据区域，数据采集站利用一条指令即可将存放于采集数据区域的多台马达保护器的数据采集进入系统。

2.根据权利要求1所述的一种马达保护器数据通讯优化模块，其特征在于：包括若干个马达保护器通讯隔离检测模块即隔离检测模块，设置于每个马达保护器与通讯总线的连接节点处，且每个隔离检测模块仅与单台马达保护器进行周期通讯。

3.根据权利要求2所述的一种马达保护器数据通讯优化模块，其特征在于：所述隔离检测模块内设置故障检测处理单元，当所述隔离检测模块对应的马达保护器出现通讯故障时,隔离检测模块向通讯模块发出节点通讯故障信息并清除对应的马达保护器的标记状态；故障恢复后，隔离检测模块向通讯模块发出节点通讯恢复信息并对对应的马达保护器进行标记。

4.根据权利要求2所述的一种马达保护器数据通讯优化模块，其特征在于：所述隔离检测模块内设置数据提取单元，包括两组通讯数据存储区域，一组存放采集数据即隔离检测模块采集的马达保护器的数据，另一组存放组态数据即存放对应的马达保护器的数据地址；所述数据提取单元根据所述组态数据，将分散于马达保护器内的零散数据组织排列，通讯模块利用一条指令即可采集到存放于采集数据存储区域存储的对应马达保护器的数据。

5.根据权利要求2所述的一种马达保护器数据通讯优化模块，其特征在于：所述隔离检测模块内设置通讯隔离单元，在每个马达保护器与总线间设置光电隔离通讯回路，对信号、电源进行全隔离。

6.根据权利要求2所述的一种马达保护器数据通讯优化模块，其特征在于：所述隔离检测模块设置掉电处理策略，当隔离检测模块掉电时，模块会依靠内部的电容进行供电维持，在供电维持期间隔离检测模块向通讯模块发出清除标记指令。

7.根据权利要求2所述的一种马达保护器数据通讯优化模块，其特征在于：所述隔离检测模块设置空闲处理策略，当隔离检测模块与马达保护器正常，但在阈值范围内一直没有来自通讯模块的数据请求时，隔离检测模块会向通讯模块发出节点标记指令，通讯模块收到后会对相应节点进行标记；如果通讯模块的组态数据存储区没有找到所述节点，则通讯模块会报警并提示节点未组态。

8.根据权利要求7所述的一种马达保护器数据通讯优化模块，其特征在于：所述阈值的取值范围为200～400ms。