CN105607522A - 带远传功能的离心压缩机信息终端及信息采集与处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业监测技术领域，具体涉及一种适合离心压缩机的具有远传功能的信息终端及信息采集与处理方法。该信息终端包括MCU、直流电输入接口、电源管理模块、数据存储模块、数据分析模块、故障预警模块、Profibus协议模块、Profibus从接口、GSM/GPRS模块、以太网接口、光电隔离模块、Modbus主接口和Modbus从接口。本发明降低成本，有效提高离心压缩机控制系统的智能化水平；实现现场供电状态的检测，并能实现停电后系统数据的保存和预警；引入Modbus？RTU接口方式规范离心压缩机控制系统的对外接口，方便了离心压缩机与其他系统的集成。

Description

带远传功能的离心压缩机信息终端及信息采集与处理方法

技术领域

本发明涉及工业监测技术领域，具体表现为一种适合离心压缩机的具有远传功能的智能信息终端及信息采集与处理方法。

背景技术

离心压缩机作为一种多种工业应用领域的核心部件，对其运行工况进行全面掌控是确保其安全可靠运行的重要基础，也是实现故障预测预警的重要环节。目前，对于离心压缩机的控制往往都采用可编程控制器(PLC)实现，其中西门子S7-300系列PLC被大量使用，这些PLC的主要功能是完成对离心压缩机的控制，难于直接在这些PLC中完成工况数据保存、故障预警、状态数据远传等功能。虽然目前市面上已经有不少针对S7-300系列PLC的远传通信模块，然而这些模块往往功能单一，难于满足离心压缩机的应用需求，并且成本较高。为此，本发明给出了一种具有远传功能的离心压缩机智能信息终端，利用该终端可以方便地实现与普通S7-300系列PLC的数据传输，同时集成数据保存、数据远传功能，同时增强了其智能分析和预警能力，规范了离心压缩机对外的控制接口形态，较好地满足了离心压缩机应用的实际需求，在此基础上发明了一套离心压缩机工况数据采集、分析预警和存储方法。

发明内容

针对现有的离心压缩机应用方面的不足，本发明给出了带远传功能的离心压缩机信息终端及信息采集与处理方法，本发明集数据采集、数据记录、数据分析预警、变频器控制、与PLC通信、数据远传和远程控制于一体，较好地满足了各类离心压缩机控制系统的需求。

为实现上述目的，本发明设计一种带远传功能的离心压缩机信息终端，具体技术方案如下：

一种带远传功能的离心压缩机信息终端，包括MCU、直流电输入接口、电源管理模块、数据存储模块、数据分析模块、故障预警模块、Profibus协议模块、Profibus从接口、GSM/GPRS模块、以太网接口、光电隔离模块、Modbus主接口和Modbus从接口；其中，直流电输入接口的输入端接24V直流电源，输出端与电源管理模块相连；电源管理模块的输出端与MCU相连；数据存储模块、数据分析模块、故障预警模块、GSM/GPRS模块、以太网接口和Profibus协议模块接口分别与MCU双向连接；Modbus主接口和Modbus从接口通过光电隔离模块与MCU双向连接；直流电输入接口用于接收24V的直流电输入；电源管理模块用于产生智能信息采集终端所需的各类电源类型；GSM/GPRS模块用于实现GPRS通信和短信发送；Profibus从接口用于实现与PLC的Profibus总线组网通信；Modbus主接口用于实现与变频器等设备的组网通信；Modbus从接口用于实现规范的对外的ModbusRTU接口，进而实现与其他部分的组网通信；以太网接口用于实现TCP/IP通信；数据分析模块和故障预警模块用于实现实时采集数据的分析预警；MCU为本终端的控制单元，用于协调各部分的工作。

进一步地，该信息终端还包括后备电源和开停电检测电路，其中后备电源为终端提供临时供电；开停电检测电路用于检测24V的直流电输入是否有电，并将结果输入MCU；后备电源与电源管理模块相连；开停电检测电路分别与直流电输入接口和MCU相连。

进一步地，该信息终端还包括非易失性存储器，用于存储系统设置参数、24V的直流电输入的开停电日志和本终端所采集的关键参数信息；非易失性存储器与MCU双向连接。

本发明还提供了一种带远传功能的离心压缩机信息采集与处理方法，包括以下步骤：

1)参数配置：用户配置系统参数、运行参数和预警规则，所述系统参数包括报警方式、短信报警内容、通信方式、协议类型、Profibus通信参数、Modbus通信接口参数、采集时间间隔ΔAT、上传时间间隔ΔST；所述运行参数包括分析模型，过滤阈值；所述预警规则主要包括对各类故障的预警阈值和动作；所配置参数将保存在非易失性存储器中；

2)数据采集：MCU通过Profibus实现与现场主控PLC通信，依据系统参数采集时间间隔ΔAT定期获取现场工况数据；通过Modbus通信接口与现场变频器实现Modbus通信，并依据系统参数采集时间间隔ΔAT定期获取相应变频器工况数据；

3)数据过滤：MCU根据运行参数中设定的过滤阈值对采集数据进行过滤，判断是否为有效采集数据，即当前采集数据与前一次采集数据差值的绝对值大于过滤阈值时，将当前采集数据标识为有效采集数据，否则标识为无效采集数据；如果所采集数据中有一个被标识为有效采集数据，则本次的采集量都标识为有效采集数据，取代MCU内RAM存储单元的当前状态数据表内容，并将MCU内RAM存储单元当前状态数据表的更新标志设置为1，否则剔除本次所有采集数据，继续下一次采集；

4)数据分析与预警：数据分析模块和故障预警模块对MCU内RAM存储单元当前状态数据表中最近一次更新的采集数据依据运行参数中配置的分析模型和预警规则进行分析和预警，将分析预警状态保存在MCU内RAM存储单元的当前状态数据表中，并设置MCU内RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志为1，同时根据所配置的报警方式和预警规则确定是下一步控制动作，并返回给现场主控PLC；

5)数据保存：当MCU内RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志为1时，则数据存储模块将MCU内RAM存储单元的当前状态数据表内容作为一条采集记录保存到非易失性存储器中，并将MCU内RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为0，同时将非易失性存储器中新保存的数据记录的上传标志设置为0，即没有进行上传；

6)数据上传：根据参数配置中设定的上传时间间隔ΔST，定期读取非易失性存储器中上传标志为0的数据记录，组成相应的数据上传包通过GPRS或以太网向远程控制系统上传，同时将已经上传的数据记录的上传标志设置为1。

进一步地，上述方法还包括步骤7)启停电检测：当存在24V的直流电输入时，电源管理中的后备电源开始储能，MCU通过电源管理中开停电检测电路返回的结果将来电状态保存在MCU内RAM存储单元的当前状态数据表中，并将MCU内RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为1，并根据参数配置信息选择短信、GPRS、以太网或向主控PLC回传方式将有电状态进行输出；当不存在24V的直流电输入，即停电时，电源管理将自动切换为后备电源供电，MCU通过电源管理中开停电检测电路返回的结果将停电状态保存在MCU内RAM存储单元的当前状态数据表中，并将MCU内RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为1，并根据参数配置信息选择短信、GPRS、以太网或向主控PLC回传方式将停电状态进行输出。

进一步地，上述方法还包括：步骤8)命令接收：离心压缩机信息终端运行后一直通过GPRS或以太网口接收控制命令，当接收到控制命令后MCU将在本轮次的数据分析和故障预警后对命令进行响应。

本发明的采取的技术方案有以下有益效果：将Profibus总线组网、Modbus总线组网和相关数据的远传功能进行了有效结合，在此基础上增强了离心压缩机控制系统的智能分析预警能力和集成能力，在降低成本的同时有效提高了离心压缩机控制系统的智能化水平；引入开停电检测和后备电源，实现了现场供电状态的检测，并且能实现停电后系统数据的保存和预警；引入ModbusRTU接口方式规范离心压缩机控制系统的对外接口，方便了离心压缩机与其他系统的集成。

附图说明

图1为本发明的信息终端结构示意图。

图2为本发明的信息终端优选实施例结构示意图。

图3为本发明的信息采集与处理方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种带远传功能的离心压缩机智能信息终端由包括MCU、直流电输入接口、电源管理模块、数据存储模块、数据分析模块、故障预警模块、预警规则、Profibus协议模块、Profibus从接口、GSM/GPRS模块、以太网接口、光电隔离模块、Modbus主接口和Modbus从接口组成。

Profibus协议模块和Profibus从接口实现了与S7-300PLC的Profibus总线组网。同时，利用Modbus主接口可以实现与现场变频器的通信。而Modbus从接口则可以以ModbusRTU形式对外提供离心压缩机的对外控制接口，便于与应用系统的其他部分实现互联互通。

GSM/GPRS模块用于实现基于GPRS的TCP/IP通信和短信发送，可以采用SIM1000A模块实现；另外，以太网接口用于实现TCP/IP通信。

数据分析模块和故障预警模块可以实现现场采集数据的实时分析和故障预警，并将结果反馈给MCU，以便进一步通过相关通信接口，例如GSM/GPRS模块、以太网接口、Profibus总线或Modbus总线进行输出。

MCU则作为本终端的控制单元，用于协调各部分的工作。为了减轻MCU负担，数据分析模块和故障预警模块可以采用STM32F107实现，而MCU采用STM32F207实现。

如图2所示，本发明还包括后备电源和开停电检测电路，直流电输入接口的输入端接24V直流电源，输出端与电源管理模块相连；后备电源与电源管理模块相连；开停电检测电路分别与直流电输入接口和MCU相连。因此，通过开停电检测电路实现了24V直流电源有无供电的检测，并将检测信号传送给MCU；同时，当检测到24V直流电源无电流输入时，电源管理模块自动切换到后备电源供电，而后备电源由超级储能电容构成，在24V直流电源有电时进行快速储能，停电时可以为整个系统提供短暂供电，便于关键信息的保存和信息传送。MCU通过开停电检测电路返回的结果将停电时间保存在非易失性存储器中，并且根据本终端的参数配置信息选择短信、GPRS、以太网或向主控PLC回传方式将停电状态进行输出。

数据存储模块和非易失性存储器与MCU相连，可以实现现场所采集数据的保存，包括开停电日志、离心压缩机的实时工况状态变化数据和各类报警数据，可以采用Flash存储器或铁电存储器实现。

如图3所示，本发明给出了离心压缩机的信息采集与处理方法，包括如下步骤：

(1)参数配置对应于图3步骤(a)，该步骤是在进行装置有效工作之前，用户可以利用ModbusRTU接口配置相关参数信息，包括系统参数和运行参数，系统参数主要包括报警方式、短信报警内容、通信方式、协议类型、Profibus接口参数、Modbus通信接口参数、采集时间间隔ΔAT、上传时间间隔ΔST。报警方式包括短信、GPRS、以太网或开关量输出；短信报警内容则用于定义各类短信报警的内容；通信方式是指是GPRS还是以太网方式；协议类型是指是UDP还是TCP。运行参数主要包括分析模型，过滤阈值；所述预警规则主要包括对各类故障的预警阈值和动作；所配置参数将保存在非易失性存储器中，并且在本终端启动时自动读取；

(2)如图3步骤(b)所示，MCU通过Profibus实现与现场主控PLC通信，依据系统参数采集时间间隔ΔAT定期获取现场工况数据；通过Modbus通信接口与现场变频器实现Modbus通信，并依据系统参数采集时间间隔ΔAT定期获取相应变频器工况数据，并保存在RAM存储单元中；

(3)如图3步骤(c)，MCU根据运行参数中设定的过滤阈值对采集数据进行过滤，判断是否为有效采集数据，即当前采集数据与前一次采集数据差值的绝对值大于过滤阈值时，将当前采集数据标识为有效采集数据，否则标识为无效采集数据；如果所采集数据中有一个被标识为有效采集数据，则本次的所有采集量都标识为有效采集数据，取代MCU内RAM存储单元的当前状态数据表内容，并将RAM存储单元当前状态数据表的更新标志设置为1，否则剔除本次所有采集数据，继续下一次采集；

(4)如图3步骤(d)，数据分析模块和故障预警模块对MCU内RAM存储单元的当前状态数据表中新更新的采集数据依据所配置的分析模型和预警规则进行分析和预警，同时将分析预警状态保存在RAM存储单元的当前状态数据表中，并将RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为1，同时根据所配置的报警方式和预警规则确定是下一步控制动作，并返回给现场主控PLC；

(5)如图3步骤(e)所示，该终端运行后一致在通过GPRS或以太网口接收控制命令，当接收到控制命令后将在此对命令进行响应。

(5)如图3步骤(f)所示，如果MCU内RAM存储单元中的工况数据为有效数据，将被保存到非易失性存储器中。

(6)如图3步骤(g)所示，根据参数配置中设定的上传时间间隔ΔST，定期读取非易失性存储器中上传标志为0的数据记录，组成相应的数据上传包通过GPRS或以太网向远程控制系统上传，同时将已经上传的数据记录的上传标志设置为1。

(8)如图3步骤(i)所示，当存在24V的直流电输入时，电源管理中的后备电源开始储能，MCU通过电源管理中开停电检测电路返回的结果将来电状态保存在RAM存储单元的当前状态数据表中，并将RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为1，并根据参数配置信息选择短信、GPRS、以太网或向主控PLC回传方式将有电状态进行输出；当不存在24V的直流电输入，即停电时，电源管理将自动切换为后备电源供电，MCU通过电源管理中开停电检测电路返回的结果将停电状态保存在RAM存储单元的当前状态数据表中，并将RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为1，并根据参数配置信息选择短信、GPRS、以太网或向主控PLC回传方式将停电状态进行输出。

本发明在进行有效工作之前，可以通过ModbusRTU进而实现系统所需要的相关参数的配置，所配置的相关参数信息将保存在非易失性存储器中。

本发明通过GPRS或以太网实现与远程控制系统的互联互通，进而实现被采集的现场数据和状态的定期上传，通常可以在1～10分钟之间进行设置；也可以接受远程控制系统的控制命令，进而实现对现场设备的控制。

从上述可知，本发明将离心压缩机的现场实时工况数据采集、分析、存储和远传功能进行了有效结合，同时提供了断电报警功能，在降低成本的同时有效提高了离心压缩机的智能化水平；引入成熟且标准的ModbusRTU接口技术，方便了与应用系统其他部分的组网通信，同时也方便了的现场安装与调试。

Claims (6)

1.一种带远传功能的离心压缩机信息终端，其特征在于：包括MCU、直流电输入接口、电源管理模块、数据存储模块、数据分析模块、故障预警模块、Profibus协议模块、Profibus从接口、GSM/GPRS模块、以太网接口、光电隔离模块、Modbus主接口和Modbus从接口；其中，直流电输入接口的输入端接24V直流电源，输出端与电源管理模块相连；电源管理模块的输出端与MCU相连；数据存储模块、数据分析模块、故障预警模块、GSM/GPRS模块、以太网接口和Profibus协议模块接口分别与MCU双向连接；Modbus主接口和Modbus从接口通过光电隔离模块与MCU双向连接；所述直流电输入接口用于接收24V的直流电输入；电源管理模块用于产生智能信息采集终端所需的各类电源类型；GSM/GPRS模块用于实现GPRS通信和短信发送；Profibus从接口用于实现与PLC的Profibus总线组网通信；Modbus主接口用于实现与变频器等设备的组网通信；Modbus从接口用于实现规范的对外的ModbusRTU接口，进而实现与其他部分的组网通信；以太网接口用于实现TCP/IP通信；数据分析模块和故障预警模块用于实现实时采集数据的分析预警；MCU为本终端的控制单元，用于协调各部分的工作。

2.如权利要求1所述的带远传功能的离心压缩机信息终端，其特征在于，还包括后备电源和开停电检测电路，所述后备电源为终端提供临时供电；所述开停电检测电路用于检测24V的直流电输入是否有电，并将结果输入MCU；所述后备电源与电源管理模块相连；所述开停电检测电路分别与直流电输入接口和MCU相连。

3.如权利要求1所述的带远传功能的离心压缩机信息终端，其特征在于，还包括非易失性存储器，所述非易失性存储器用于存储系统设置参数、24V的直流电输入的开停电日志和本终端所采集的关键参数信息；所述非易失性存储器与MCU双向连接。

4.一种带远传功能的离心压缩机信息采集与处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)参数配置：用户配置系统参数、运行参数和预警规则，所述系统参数包括报警方式、短信报警内容、通信方式、协议类型、Profibus通信参数、Modbus通信接口参数、采集时间间隔ΔAT、上传时间间隔ΔST；所述运行参数包括分析模型，过滤阈值；所述预警规则主要包括对各类故障的预警阈值和动作；所配置参数将保存在非易失性存储器中；

2)数据采集：MCU通过Profibus实现与现场主控PLC通信，依据系统参数采集时间间隔ΔAT定期获取现场工况数据；通过Modbus通信接口与现场变频器实现Modbus通信，并依据系统参数采集时间间隔ΔAT定期获取相应变频器工况数据；

3)数据过滤：MCU根据运行参数中设定的过滤阈值对采集数据进行过滤，判断是否为有效采集数据，即当前采集数据与前一次采集数据差值的绝对值大于过滤阈值时，将当前采集数据标识为有效采集数据，否则标识为无效采集数据；如果所采集数据中有一个被标识为有效采集数据，则本次的采集量都标识为有效采集数据，取代MCU内RAM存储单元的当前状态数据表内容，并将MCU内RAM存储单元当前状态数据表的更新标志设置为1，否则剔除本次所有采集数据，继续下一次采集；

4)数据分析与预警：数据分析模块和故障预警模块对MCU内RAM存储单元当前状态数据表中最近一次更新的采集数据依据运行参数中配置的分析模型和预警规则进行分析和预警，将分析预警状态保存在MCU内RAM存储单元的当前状态数据表中，并设置MCU内RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志为1，同时根据所配置的报警方式和预警规则确定是下一步控制动作，并返回给现场主控PLC；

5)数据保存：当MCU内RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志为1时，则数据存储模块将MCU内RAM存储单元的当前状态数据表内容作为一条采集记录保存到非易失性存储器中，并将MCU内RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为0，同时将非易失性存储器中新保存的数据记录的上传标志设置为0，即没有进行上传；

6)数据上传：根据参数配置中设定的上传时间间隔ΔST，定期读取非易失性存储器中上传标志为0的数据记录，组成相应的数据上传包通过GPRS或以太网向远程控制系统上传，同时将已经上传的数据记录的上传标志设置为1。

5.如权利要求4所述的带远传功能的离心压缩机信息采集与处理方法，其特征在于，还包括：

步骤7)启停电检测：当存在24V的直流电输入时，电源管理中的后备电源开始储能，MCU通过电源管理中开停电检测电路返回的结果将来电状态保存在MCU内RAM存储单元的当前状态数据表中，并将MCU内RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为1，并根据参数配置信息选择短信、GPRS、以太网或向主控PLC回传方式将有电状态进行输出；当不存在24V的直流电输入，即停电时，电源管理将自动切换为后备电源供电，MCU通过电源管理中开停电检测电路返回的结果将停电状态保存在MCU内RAM存储单元的当前状态数据表中，并将MCU内RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为1，并根据参数配置信息选择短信、GPRS、以太网或向主控PLC回传方式将停电状态进行输出。

6.如权利要求4所述的带远传功能的离心压缩机信息采集与处理方法，其特征在于，还包括：

步骤8)命令接收：离心压缩机信息终端运行后一直通过GPRS或以太网口接收控制命令，当接收到控制命令后MCU将在本轮次的数据分析和故障预警后对命令进行响应。