CN107728547A - 小型无人值守水泵机组状态监测保护装置 - Google Patents

Abstract

小型无人值守水泵机组的状态监测保护装置，属于泵站机组状态监测以及远程监视技术领域，由快变量数据采集模块、慢变量数据采集模块、多路选择开关、电气开关输入模块、电气控制输出模块、串行接口电路模块、外扩RAM、移动互联网模块、SD卡存储模块、彩屏显示模块、单片机和电源电路模块连接构成。本发明能够实现水泵机组的运行监控、状态监测以及紧急情况下控制机组停机，实现对水泵机组的保护，避免重大事故的发生；能够通过移动互联网通信模块将机组所有运行数据和状态数据发送到远程数据库服务器，实现大区域内多座分布式水泵机组的远程集中监视和遥控操作，为实现“无人值班，少人值守”的运行管理模式提供了技术保障。

Description

小型无人值守水泵机组状态监测保护装置

技术领域

本发明属于泵站机组状态监测以及远程监视技术领域，涉及一种监测保护装置，特别是涉及一种小型无人值守水泵机组的状态监测保护装置。

背景技术

在城市防洪等领域，有很多小型的抽水泵站，每个泵站有一台或者多台水泵机组。这些泵站位置分散、偏远，相互独立。目前采用的运行管理方式是开机时需要有人值守。然而，由于这些泵站规模小，地理位置偏远，配套设施缺乏，给泵站的运行、维护和管理带来很大困扰。

随着测量控制装置智能化和物联网技术的发展，实现小型分布式无人值守是现代化运行管理的需要和趋势。为实现泵站机组的无人值守运行，设置完备的自动化测量控制装置是确保在防洪抗旱的关键时刻设备正常运行的前提保障。

发明内容

本发明针对现有防洪领域抽水泵站数量多，泵站位置分散且相互独立，开机时需要有人值守，泵站的运行、维护、管理困难大等不足，提出一种小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，既可监视水泵机组的运行状态，又可监视水泵机组的健康状态，还具有互联网接入功能，以便实现大区域内多座分布式泵站机组的远程集中监视和设备健康管理，确保水泵机组在无人值守的情况下安全运行。

本发明的技术方案：小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，包括水泵机组和水泵机组控制保护装置；其特征在于：所述水泵机组状态监测保护装置还由水泵机组状态监测装置构成，所述水泵机组状态监测装置由快变量数据采集模块、慢变量数据采集模块、多路选择开关、电气开关输入模块、电气控制输出模块、串行接口电路模块、单片机和电源电路模块连接构成；

所述快变量数据采集模块与所述水泵机组形成采集连接，所述快变量数据采集模块由振动传感器、摆度传感器、键相传感器，调理电路和采样保持器连接构成，所述快变量数据采集模块经过多路选择开关后输出连接至所述单片机上；

所述慢变量数据采集模块与所述水泵机组形成采集连接，所述慢变量数据采集模块由温度传感器、压力传感器、水位传感器、噪声传感器和调理电路连接构成，所述慢变量数据采集模块经过多路选择开关后输出连接至所述单片机上；

所述电气开关输入模块由隔离电路、转换电路和接口电路构成，所述电气控制输出模块由隔离电路、驱动电路和接口电路构成，所述水泵机组控制保护装置、电气开关输入模块、接口电路和电气控制输出模块形成反馈连接，所述接口电路与单片机形成数据交互连接；所述水泵机组控制保护装置通过串行接口电路模块与所述单片机交互连接；

所述单片机上还连接设有显示屏、移动互联网接口模块、外扩ARM模块、SD卡读写电路模块和功能按键模块；所述电源电路模块与所述单片机形成供电连接；所述水泵机组、水泵机组状态监测装置、水泵机组控制保护装置之间形成反馈连接。

所述快变量数据采集模块为8路采集电路，采用振动、摆度和键相传感器，以最高每秒钟1000点的速度对水泵机组振摆信号进行快速采样，测量位置包括电机输出端与水泵的联轴器处的X、Y方向摆度和键相、电气机壳振动、水泵转轮外壳振动，采集的水泵机组的振动、摆度、键相等快速变化的信号通过调理电路送给采样保持电路，采样保持电路的控制端一起接到单片机I/O口，由单片机控制采样、保持，以确保快变量信号输出的同时性。

所述慢变量数据采集模块为8路采集电路，采用温度、压力、水位和噪声传感器，每个传感器的输出端上均设有相应的调理电路，调理电路的输出连接至多路开关；测温电路为PT100差分桥式放大电路，可以测量轴承温度、电机温度、环境温度。

所述电气开关输入模块由隔离、转换电路以及接口电路组成，将水泵机组控制保护装置中交流接触器的辅助触点两端接入电路，通过辅助触点的闭合状态判断水泵机组的启动与停机；电气控制输出模块由接口电路以及隔离、驱动电路组成，电气控制输出模块的输出接在水泵机组控制保护装置中的交流接触器的主触点两端，通过接通或断开主触点，实现对水泵机组的启动与停机控制。

所述水泵机组控制保护装置由电气控制柜以及设置在电气控制柜中的电机测量控制保护装置构成，电机测量控制保护装置通过串行接口电路将电机电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数等机组运行数据发送给水泵机组状态监测保护装置，从而实现对水泵机组运行数据的监视。

所述单片机采用STC12C5A60S2单片机，内部包括10位的ADC，单片机定时选通多路开关 2实现8路快变量与8路慢变量的数据采集，数据采集结果送入单片机，经过内置的AD转换存入外扩RAM 5中，当8路快变量每路采集完200组数据后，从外扩RAM 5中读取数据送彩屏显示，实现现场的数据采集与显示。

所述移动互联网接口模块采用4G移动互联网模块，通过与云数据库服务器建立TCP/IP连接，单片机将水泵机组状态参数发送到云数据库平台实现远程监视，同时远程监视界面通过4G移动互联网模块下发控制机组启、停命令，单片机读取和解析命令后，控制机组执行相应动作。

所述显示屏为彩屏显示屏，显示屏上实时显示机组振动信号时域波形、轴心轨迹、轴承温度、电机温度、环境温度、润滑油压力和河道水位。

所述电源电路模块由4个稳压电路构成，开关电源输出+-24V直流电源，通过降压模块稳压之后得到+15V、-15V、+5V、-5V直流电源，给整个电路供电。

本发明的有益效果为：本发明提出的小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，工作原理清晰，由水泵机组、水泵机组状态监测装置和水泵机组控制保护装置反馈构成，与现有技术相比，本发明积极效果如下：

(1)能够实现电机和水泵振摆状态的实时监测，以及轴承温度、电机温度、环境温度、润滑油压力，等设备的健康状态参数的测量；在发生振动、摆度值超标、温度过高等紧急情况下能控制机组停机，实现对水泵机组的保护，避免重大事故的发生；

(2)能够通过串行接口接收电机保护装置发送来的电机电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数等数据，以及接收水泵机组电气控制回路的交流接触器的辅助触点状态，监视水泵机组启动、停机等信号，实现对水泵机组的运行数据与运行状态的实时监测；

(3)能够按照预定的时间间隔现地存储机组的状态数据到SD存储卡上，状态数据的长期保存、积累，能为之后可能存在的故障分析提供参考性信息；

(4)能够通过4G移动互联网模块定时将采样得到的水泵机组状态参数发送到云数据库平台，以及接收远程监控界面下传的远程控制命令，实现分布在不同区域的多个泵站机组的集中状态监测与维护管理，可以解决有经验的运行维护人员不足的问题，为实现“无人值班，少人值守”的运行管理模式提供了技术保障。

附图说明

图1 为本发明在无人值守泵站远程监视系统中分布示意图。

图2 为本发明模块结构示意图。

图中：单片机1、多路选择开关2、快变量数据采集模块3、慢变量数据采集模块4、外扩RAM模块5、显示屏6、功能按键7、电气开关输入模块8、电气控制输出模块9、串行接口电路模块10、SD卡读写电路模块11、移动互联网接口模块12、电源电路模块13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，包括现场监控、通信网络、云数据库服务器和应用服务器以及远程监视和操作界面。

现场监控由水泵机组状态监测保护装置以及水泵机组电气控制保护装置组成。水泵机组状态监测保护装置能实现每座泵站的每台机组的运行数据和状态参数的采集，并通过水泵机组电气控制保护装置能实现对机组运行状态的监视以及控制机组的运行，能在发生振动、摆度值超标、温度过高等紧急情况下控制机组停机，实现对水泵机组的保护。

通信网络主要实现机组运行数据和状态参数的上传，每个水泵机组状态监测保护装置都有一个移动互联网通信接口，通过4G移动互联网模块可与云数据库服务器建立TCP/IP连接实现机组状态参数的上传。

云数据库服务器和应用服务器主要实现数据的解析、接收以及存储。服务器端监听网络端口，若移动通信模块与服务器建立连接，并有数据传送，则解析、存储数据到数据库。

远程监视和操作界面能实现每座泵站每个机组的状态数据的网页显示与实时更新，若在每个泵站的每台水泵机组上安装一台水泵机组状态监测保护装置，就可以基于移动互联网实现大范围内的水泵机组健康状态的分布采集和集中监视。

如图2所示，小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，包括单片机1、多路旋转开关2、快变量数据采集电路3、慢变量数据采集电路4、外扩RAM模块5、显示屏6、功能按键模块7、电气开关输入模块8、电气控制输出模块9、串行接口电路10、SD卡读写电路模块11、移动互联网接口模块12以及电源电路模块13。

如图2所示，小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，单片机1采用STC12C5A60S2单片机，其内部包括10位的ADC，单片机定时选通多路开关2实现快变量与慢变量的数据采集，数据采集结果送入单片机1，经过内置的AD转换存入外扩RAM模块5中，当快变量每路采集完200组数据后，从外扩RAM模块5中读取数据送彩屏显示，实现现场的数据采集与显示。同时单片机1通过电气开关输入模块8定时读取外部电气控制回路的辅助触点状态，实现对水泵机组的启动与停机的监视，通过电气控制输出模块9，控制外部电气控制回路的主触点状态从而控制水泵机组的启动与停机，通过串行接口电路模块10定时接收电机测量控制保护装置发来的水泵机组的各项运行数据，实现运行数据的监测。运行过程中单片机1通过SD卡每10分钟存储一次采集的水泵机组各项状态参数以及运行数据。最后单片机1通过移动互联网接口模块12与远程监视平台进行水泵机组状态参数的上传与命令接收，实现远程监视。

如图2所示，小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，快变量数据采集电路3采用振动、摆度、键相等传感器，能以最高每秒钟1000点的速度对水泵机组振摆信号进行快速采样，测量位置包括电机输出端与水泵的联轴器处的X、Y方向摆度和键相、电气机壳振动、水泵转轮外壳振动。采集的水泵机组的振动、摆度、键相等快速变化的信号通过相应的调理电路调理后送给采样保持电路，采样保持电路的控制端一起接到单片机I/O口，由单片机1控制采样、保持，以确保快变量信号输出的同时性，采样保持电路的输出接多路开关2。

如图2所示，小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，慢变量数据采集电路4采用温度、压力、水位以及噪声等传感器，传感器的输出接相应的调理电路，调理电路的输出接多路开关2，其中测温电路选用的是PT100差分桥式放大电路，可以测量轴承温度、电机温度、环境温度等，压力、水位等变送器接口电路接收0～5v或者4～20mA的标准信号。

如图2所示，小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，多路选择开关2依次选通通道，将采集信号送入单片机1进行AD转换，转换结果存放在外扩RAM模块5中。由于高速采样的振动、摆度、键相等数据量大，单片机内存不够，因此选用了32K的外扩RAM。显示屏6，为了将采集的数据直观显示，采用彩色显示屏对采集的实时数据进行显示，能在彩屏上实时显示机组的振动信号时域波形、轴心轨迹、轴承温度、电机温度、环境温度、润滑油压力、河道水位等。

如图2所示，小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，功能按键电路模块7，用于切换采集通道，选择当前是哪几个通道采集，以及切换彩屏的显示方式，通过按键可以从时域波形切换到轴心轨迹。

如图2所示，小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，电气开关状态输入模块8由隔离、转换电路以及接口电路组成，将外部水泵机组电气控制回路的交流接触器的辅助触点两端接入电路，最多可以接入8路无源开关触点，通过辅助触点的闭合状态判断水泵机组的启动与停机。电气控制输出模块9由接口电路以及隔离、驱动电路组成，电气控制输出电路9的输出接在外部水泵机组电气控制回路的交流接触器的主触点两端，通过接通或断开主触点，实现对水泵机组的启动与停机控制。电机测量控制保护装置通过串行接口电路模块10将电机电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数等机组运行数据发送给水泵机组状态监测保护装置，从而实现对水泵机组运行数据的监视。SD卡读写电路模块11，SD卡的读写控制端口分别与单片机的I/O口相连，通过对单片机I/O口的设置，可以实现对SD卡的读写。若按正常运行时每10分钟记录一次的频率存储，存储一年的数据的容量，以快变量记录每次采集1024点数据为例：每次的数据量为：1024(每路1024点)×8路×4字节(每点4字节)=32768字节=32KB，每天数据量为：32KB×6×24=4608KB=4.608MB，一年数据量为：4.608MB×365=1681.9MB=1.6819GB，另外：考虑记录开机、停机、故障过程等数据，设置一个16G的存储卡，具有存储3年以上数据的容量。

如图2所示，小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，移动互联网接口模块12采用4G移动互联网模块，通过与云数据库服务器建立TCP/IP连接，单片机将水泵机组状态参数发送到云数据库平台实现远程监视，同时远程监视界面也可通过4G移动互联网模块下发控制机组启、停命令，单片机读取和解析命令后，控制机组执行相应动作。

如图2所示，小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，电源电路模块13由4个稳压电路组成：+24v转+15v DC-DC电路、-24v转-15v DC-DC电路、+15v转+5vDC-DC电路、-15v转-5vDC-DC电路，给整个电路供电。

Claims (9)

1.小型无人值守水泵机组状态监测保护装置；其特征在于：所述水泵机组状态监测保护装置由快变量数据采集模块(3)、慢变量数据采集模块(4)、多路选择开关(2)、电气开关输入模块(8)、电气控制输出模块(9)、串行接口电路模块(10)、单片机(1)和电源电路模块(13)连接构成；

所述快变量数据采集模块(3)与所述水泵机组形成采集连接，所述快变量数据采集模块(3)由振动传感器、摆度传感器、键相传感器，调理电路和采样保持器连接构成，所述快变量数据采集模块(3)经过多路选择开关(2)后输出连接至所述单片机(1)上；

所述慢变量数据采集模块(4)与所述水泵机组形成采集连接，所述慢变量数据采集模块(4)由温度传感器、压力传感器、水位传感器、噪声传感器和调理电路连接构成，所述慢变量数据采集模块(4)经过多路选择开关(2)后输出连接至所述单片机(1)上；

所述电气开关输入模块(8)由隔离电路、转换电路和接口电路构成，所述电气控制输出模块(9)由隔离电路、驱动电路和接口电路构成，所述水泵机组控制保护装置、电气开关输入模块(8)、接口电路和电气控制输出模块(9)形成反馈连接，所述接口电路与单片机(1)形成数据交互连接；所述水泵机组控制保护装置通过串行接口电路模块(10)与所述单片机(1)交互连接；

所述单片机(1)上还连接设有显示屏(6)、移动互联网接口模块(12)、外扩ARM模块(5)、SD卡读写电路模块(11)和功能按键模块(7)；所述电源电路模块(13)与所述单片机(1)形成供电连接；所述水泵机组、水泵机组状态监测保护装置、水泵机组控制保护装置之间形成反馈连接。

2.根据权利要求1所述的小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，其特征在于：所述快变量数据采集模块(3)为8路采集电路，采用振动、摆度和键相传感器，以最高每秒钟1000点的速度对水泵机组振摆信号进行快速采样，测量位置包括电机输出端与水泵的联轴器处的X、Y方向摆度和键相、电气机壳振动、水泵转轮外壳振动，采集的水泵机组的振动、摆度、键相等快速变化的信号通过调理电路送给采样保持电路，采样保持电路的控制端一起接到单片机I/O口，由单片机控制采样、保持，以确保快变量信号输出的同时性。

3.根据权利要求1所述的小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，其特征在于：所述慢变量数据采集模块(4)为8路采集电路，采用温度、压力、水位和噪声传感器，每个传感器的输出端上均设有相应的调理电路，调理电路的输出连接至多路开关；测温电路为PT100差分桥式放大电路，可以测量轴承温度、电机温度、环境温度。

4.根据权利要求1所述的小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，其特征在于：所述电气开关输入模块(8)由隔离、转换电路以及接口电路组成，将水泵机组控制保护装置中交流接触器的辅助触点两端接入电路，通过辅助触点的闭合状态判断水泵机组的启动与停机；电气控制输出模块(9)由接口电路以及隔离、驱动电路组成，电气控制输出模块的输出接在水泵机组控制保护装置中的交流接触器的主触点两端，通过接通或断开主触点，实现对水泵机组的启动与停机控制。

5.根据权利要求1所述的小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，其特征在于：所述水泵机组控制保护装置由电气控制柜以及设置在电气控制柜中的电机测量控制保护装置构成，电机测量控制保护装置通过串行接口电路将电机电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数等机组运行数据发送给水泵机组状态监测保护装置，从而实现对水泵机组运行数据的监视。

6.根据权利要求1所述的小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，其特征在于：所述单片机(1)采用STC12C5A60S2单片机，内部包括10位的ADC，单片机定时选通多路开关 2实现8路快变量与8路慢变量的数据采集，数据采集结果送入单片机，经过内置的AD转换存入外扩RAM 5中，当8路快变量每路采集完200组数据后，从外扩RAM 5中读取数据送彩屏显示，实现现场的数据采集与显示。

7.根据权利要求1所述的小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，其特征在于：所述移动互联网接口模块(12)采用4G移动互联网模块，通过与云数据库服务器建立TCP/IP连接，单片机将水泵机组状态参数发送到云数据库平台实现远程监视，同时远程监视界面通过4G移动互联网模块下发控制机组启、停命令，单片机读取和解析命令后，控制机组执行相应动作。

8.根据权利要求1所述的小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，其特征在于：所述显示屏(6)为彩屏显示屏，显示屏上实时显示机组振动信号时域波形、轴心轨迹、轴承温度、电机温度、环境温度、润滑油压力和河道水位。

9.根据权利要求1所述的小型无人值守水泵机组状态监测保护装置，其特征在于：所述电源电路模块(13)由4个稳压电路构成，开关电源输出+-24V直流电源，通过降压模块稳压之后得到+15V、-15V、+5V、-5V直流电源，给整个电路供电。