CN106291357B - 用于风机监测的多通道隔离数据采集系统 - Google Patents

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Abstract

用于风机监测的多通道隔离数据采集系统，属于工业数据采集技术领域。本发明是为了解决电厂的风机监测传感器数据多、数据量大，进行多通道数据采集易产生信号串扰的问题。它包括M个采集板卡、主控板卡和上位计算机，每个采集板卡用于采集同一个风机的N个传感器数据，N为大于1的整数，采集板卡对采集获取的数据进行处理后，通过RS485总线以一主多从方式将处理后的数据传输至主控板卡，主控板卡对接收的数据进行处理后，通过以太网线以uIP协议将数据传输至上位计算机，上位计算机对数据进行处理后，进行显示。本发明用于风机监测中的数据采集。

Description

用于风机监测的多通道隔离数据采集系统
技术领域
本发明涉及用于风机监测的多通道隔离数据采集系统，属于工业数据采集技术领域。
背景技术
在电厂中，单一的风机无法完成整个需要完成的工作，由多个风机一起运作，并配合主机才能使电厂处于正常工作的状态，这需要每一个风机的工作状态得到保证。风机在正常的工作情况下，出风量、风压、输入功率、输出功率、风机叶片的转速、转动轴的温度及转动轴的震动，都保持在稳定的范围之内，若是某一部分出了问题，比如轴承的温度过高，动叶卡涩，叶片的旋转速度不均匀，很容易造成严重的后果。这种变化量都是一些微小的变化，人工无法监测到，只能通过传感器进行采集并进行分析处理。
对风机进行监测传感器数量多、类型丰富、数据量大，由于电力风机现场工作环境恶劣、多通道之间数据传输极易产生信号串扰。
发明内容
本发明目的是为了解决电厂的风机监测传感器数据多、数据量大，进行多通道数据采集易产生信号串扰的问题，提供了一种用于风机监测的多通道隔离数据采集系统。
本发明所述用于风机监测的多通道隔离数据采集系统，它包括M个采集板卡、主控板卡和上位计算机，M为大于1的整数，可以实现多个采集板卡的数据采集；
每个采集板卡用于采集同一个风机的N个传感器数据，N为大于1的整数，采集板卡对采集获取的数据进行处理后，通过RS485总线以一主多从方式将处理后的数据传输至主控板卡，主控板卡对接收的数据进行处理后，通过以太网线以uIP协议将数据传输至上位计算机，上位计算机对数据进行处理后，进行显示；
所述M个采集板卡之间通过拨码开关设置各自的ID。
每个采集板卡包括N路相同的隔离采集模块、处理器模块、485接口模块和电源模块；
隔离采集模块包括信号调理模块、AD转换模块、光耦隔离模块、隔离电源模块和基准电压源模块，
N路相同的隔离采集模块与N个传感器一一对应采集传感器数据，信号调理模块对采集的传感器模拟电流信号进行I/V转换，获得模拟电压信号；再经AD转换模块进行A/D转换，得到数字信号，经光耦隔离模块进行光电隔离后通过模拟串口传输至处理器模块；
隔离电源模块对电源信号和地信号进行隔离并为信号调理模块和基准电压源模块提供工作电源；基准电压源模块为AD转换模块提供基准5V参考电压，并为光耦隔离模块供电；
处理器模块对N路信号进行处理后，将数据通过485接口模块传输至RS485总线，与主控板卡通信；
电源模块为处理器模块和485接口模块提供3.3V工作电源；
其中：N路隔离采集模块之间的信号隔离、电源隔离与地隔离；每路隔离采集模块与处理器模块之间光电隔离、电源隔离与地隔离；485接口模块自带磁隔离与电源隔离。
采集板卡在PCB覆铜时分割为N+2个区间，包括：N个数据采集区间、处理器区间和RS485区间，并实现各区间的地与地之间的相互完全隔离。
AD转换模块采用增强型STC15W204S芯片内嵌的比较器实现模拟信号至数字信号的转换；AD转换模块的模拟信号输入端为电压VIN输入端，AD转换模块的数字信号输出端为DATAOUT输出端；
AD转换模块的电压VIN输入端接收模拟电压信号后通过RC低通滤波，进入所述STC15W204S芯片的比较器的正输入端CMP+，经过比较，产生中断，将结果输出到比较器的INT1端，再通过RC滤波后送入比较器的负输入端CMP-，跟所述模拟电压信号平衡；最后经DATAOUT输出端输出数字信号；
预设定AD转换模块的计数周期和比较结果高电平的计数值；当比较器的比较结果为高电平，则输出1，并且计数值加1；当比较结果为低电平，则输出0，计数值维持前次比较结果不变；每一次比较都判断计数周期是否完成，完成则当前计数值为ADC转换结果。
主控板卡包括主处理器模块、主电源模块、主485接口模块和以太网接口模块，
来自RS485总线上的数据通过主485接口模块传输至主处理器模块，主处理器模块对M个采集板卡的多通道采集数据进行集中处理，将处理数据通过以太网接口模块以差分信号的形式传输至以太网线，再与上位计算机进行数据传输；主电源模块用于为主处理器模块提供工作电源。
本发明的优点：本发明采集板卡上多路采集模块之间实现完全的电源隔离与信号隔离。它在多处理器协调技术下对多个风机的多路传感器信号进行集中采集和处理，通道间完全隔离，具有高可靠性、高实时性和高采样精度的优点，尤其针对于风机监测，有效避免了信号之间相互的干扰。本发明可实时采集处理来自多通道的大量数据，多采集通道之间完全隔离，抗干扰性极强。
附图说明
图1是本发明所述用于风机监测的多通道隔离数据采集系统的整体框图；
图2是采集板卡的原理框图；
图3是AD转换模块的电路图；
图4是主控板卡的原理框图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述用于风机监测的多通道隔离数据采集系统，它包括M个采集板卡1、主控板卡2和上位计算机3，M为大于1的整数；
每个采集板卡1用于采集同一个风机的N个传感器数据，N为大于1的整数，采集板卡1对采集获取的数据进行处理后，通过RS485总线以一主多从方式将处理后的数据传输至主控板卡2，主控板卡2对接收的数据进行处理后，通过以太网线以uIP协议将数据传输至上位计算机3，上位计算机3对数据进行处理后，进行显示；
所述M个采集板卡1之间通过拨码开关设置各自的ID。
每个采集板卡1包括N路相同的隔离采集模块1-1、处理器模块1-2、485接口模块1-3和电源模块1-4；
隔离采集模块1-1包括信号调理模块1-11、AD转换模块1-12、光耦隔离模块1-13、隔离电源模块1-14和基准电压源模块1-15，
N路相同的隔离采集模块1-1与N个传感器一一对应采集传感器数据，信号调理模块1-11对采集的传感器模拟电流信号进行I/V转换，获得模拟电压信号；再经AD转换模块1-12进行A/D转换，得到数字信号，经光耦隔离模块1-13进行光电隔离后通过模拟串口传输至处理器模块1-2；
隔离电源模块1-14对电源信号和地信号进行隔离并为信号调理模块1-11和基准电压源模块1-15提供工作电源；基准电压源模块1-15为AD转换模块1-12提供基准5V参考电压，并为光耦隔离模块1-13供电；
处理器模块1-2对N路信号进行处理后，将数据通过485接口模块1-3传输至RS485总线，与主控板卡2通信；
电源模块1-4为处理器模块1-2和485接口模块1-3提供3.3V工作电源；
其中：N路隔离采集模块1-1之间的信号隔离、电源隔离与地隔离；每路隔离采集模块1-1与处理器模块1-2之间光电隔离、电源隔离与地隔离；485接口模块1-3自带磁隔离与电源隔离。
采集板卡1在PCB覆铜时分割为N+2个区间，包括：N个数据采集区间、处理器区间和RS485区间，并实现各区间的地与地之间的相互完全隔离。
AD转换模块1-12采用增强型STC15W204S芯片内嵌的比较器实现模拟信号至数字信号的转换；AD转换模块1-12的模拟信号输入端为电压VIN输入端，AD转换模块1-12的数字信号输出端为DATAOUT输出端；
AD转换模块1-12的电压VIN输入端接收模拟电压信号后通过RC低通滤波，进入所述STC15W204S芯片的比较器的正输入端CMP+，经过比较，产生中断，将结果输出到比较器的INT1端，再通过RC滤波后送入比较器的负输入端CMP-，跟所述模拟电压信号平衡；最后经DATAOUT输出端输出数字信号；
预设定AD转换模块1-12的计数周期和比较结果高电平的计数值；当比较器的比较结果为高电平，则输出1，并且计数值加1；当比较结果为低电平，则输出0，计数值维持前次比较结果不变；每一次比较都判断计数周期是否完成，完成则当前计数值为ADC转换结果。
主控板卡2包括主处理器模块2-1、主电源模块2-2、主485接口模块2-3和以太网接口模块2-4，
来自RS485总线上的数据通过主485接口模块2-3传输至主处理器模块2-1，主处理器模块2-1对M个采集板卡1的多通道采集数据进行集中处理，将处理数据通过以太网接口模块2-4以差分信号的形式传输至以太网线，再与上位计算机3进行数据传输；主电源模块2-2用于为主处理器模块2-1提供工作电源。
本发明系统对风机的监测主要为风机进出口温度、压力、前后轴承温度、轴承振动以及执行器开度传感器信号。其中采集板卡应用了多处理器协调技术，N路隔离采集模块1-1与处理器模块1-2之间通过模拟串口相连，不受串口数量限制；485接口模块的主体芯片为ADM2587E，自带磁隔离与电源隔离。
AD转换模块1-12的参考电压由基准电压源模块1-15提供，精度高；隔离电源模块用于实现每路采集模块与外接电源的电源隔离与地隔离；光耦隔离模块用于实现每路采集模块与处理器模块的光电隔离。采集板卡1在PCB覆铜时分割区间，实现了地与地之间的相互完全的隔离，有效地降低了各部分之间的相互干扰。
主控板卡2和上位计算机3之间通过以太网线相连，传输速率高、抗干扰性强。
本发明工作的具体过程为：每个风机的多个传感器模拟电流信号通过采集板卡上的N路隔离采集模块进行隔离采集并转换为数字电压信号，经过模拟串口传输至子板上的处理器模块进行数据处理；多个采集板卡再通过各自的485接口模块将处理后的数据传输至主控板卡上的处理器模块进行集中处理；然后通过以太网接口模块传输至上位机。
采集板卡的结构框图如图2所示，N路隔离采集模块1-1对每个风机的N个传感器模拟电流信号进行隔离与采集，将其转换为N路数字信号，并通过N路高速模拟串口传输至处理器模块1-2，由处理器模块1-2对N路信号进行处理后将数据通过485接口模块1-3传输至RS485总线，从而与主控板卡通信。
AD转换模块中对计数值的设置需严格比例于输入电压。对最终输出的计数值结果进行相应计算即可得到实际采集的电压信号值。

Claims (4)

1.一种用于风机监测的多通道隔离数据采集系统，其特征在于，它包括M个采集板卡（1）、主控板卡（2）和上位计算机（3），M为大于1的整数；M为多个数据采集板卡，
每个采集板卡（1）用于采集同一个风机的N个传感器数据，N为大于1的整数，采集板卡（1）对采集获取的数据进行处理后，通过RS485总线以一主多从方式将处理后的数据传输至主控板卡（2），主控板卡（2）对接收的数据进行处理后，通过以太网线以uIP协议将数据传输至上位计算机（3），上位计算机（3）对数据进行处理后，进行显示；
所述M个采集板卡（1）之间通过拨码开关设置各自的ID，采集板卡（1）包括N路相同的隔离采集模块（1-1）、处理器模块（1-2）、485接口模块（1-3）和电源模块（1-4）；
隔离采集模块（1-1）包括信号调理模块（1-11）、AD转换模块（1-12）、光耦隔离模块（1-13）、隔离电源模块（1-14）和基准电压源模块（1-15），
N路相同的隔离采集模块（1-1）与N个传感器一一对应采集传感器数据，信号调理模块（1-11）对采集的传感器模拟电流信号进行I/V转换，获得模拟电压信号；再经AD转换模块（1-12）进行A/D转换，得到数字信号，经光耦隔离模块（1-13）进行光电隔离后通过模拟串口传输至处理器模块（1-2）；
隔离电源模块（1-14）对电源信号和地信号进行隔离并为信号调理模块（1-11）和基准电压源模块（1-15）提供工作电源；基准电压源模块（1-15）为AD转换模块（1-12）提供基准5V参考电压，并为光耦隔离模块（1-13）供电；
处理器模块（1-2）对N路信号进行处理后，将数据通过485接口模块（1-3）传输至RS485总线，与主控板卡（2）通信；
电源模块（1-4）为处理器模块（1-2）和485接口模块（1-3）提供3.3V工作电源；
其中：N路隔离采集模块（1-1）之间的信号隔离、电源隔离与地隔离；每路隔离采集模块（1-1）与处理器模块（1-2）之间光电隔离、电源隔离与地隔离；485接口模块（1-3）自带磁隔离与电源隔离。
2.根据权利要求1所述的用于风机监测的多通道隔离数据采集系统，其特征在于，采集板卡（1）在PCB覆铜时分割为N+2个区间，包括：N个数据采集区间、处理器区间和RS485区间，并实现各区间的地与地之间的相互完全隔离。
3.根据权利要求2所述的用于风机监测的多通道隔离数据采集系统，其特征在于，AD转换模块（1-12）采用增强型STC15W204S芯片内嵌的比较器实现模拟信号至数字信号的转换；AD转换模块（1-12）的模拟信号输入端为电压VIN输入端，AD转换模块（1-12）的数字信号输出端为DATAOUT输出端；
AD转换模块（1-12）的电压VIN输入端接收模拟电压信号后通过RC低通滤波，进入所述STC15W204S芯片的比较器的正输入端CMP+，经过比较，产生中断，将结果输出到比较器的INT1端，再通过RC滤波后送入比较器的负输入端CMP-，跟所述模拟电压信号平衡；最后经DATAOUT输出端输出数字信号；
预设定AD转换模块（1-12）的计数周期和比较结果高电平的计数值；当比较器的比较结果为高电平，则输出1，并且计数值加1；当比较结果为低电平，则输出0，计数值维持前次比较结果不变；每一次比较都判断计数周期是否完成，完成则当前计数值为ADC转换结果。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于风机监测的多通道隔离数据采集系统，其特征在于，主控板卡（2）包括主处理器模块（2-1）、主电源模块（2-2）、主485接口模块（2-3）和以太网接口模块（2-4），
来自RS485总线上的数据通过主485接口模块（2-3）传输至主处理器模块（2-1），主处理器模块（2-1）对M个采集板卡（1）的多通道采集数据进行集中处理，将处理数据通过以太网接口模块（2-4）以差分信号的形式传输至以太网线，再与上位计算机（3）进行数据传输；主电源模块（2-2）用于为主处理器模块（2-1）提供工作电源。
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