CN2769895Y - 一种在线式工业设备运行数据及故障数据自动记录装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种在线式工业设备运行数据及故障数据自动记录装置，是一种在线式工业设备或生产装置运行数据记录装置，尤其是能对故障信号进行判断并自动记录完整数据的记录装置，由信号检测单元、中央控制单元、操作和显示单元、数据存储单元、通讯接口和模拟输出单元组成。在中央控制单元的运行参数存储器中，有一组存储单元存放预先设定的故障判断方式和相关参数，在其程序存储器中有故障判断功能模块。该装置用于在线记录工业设备或生产装置的运行数据，并按预先设定的故障判断方式和参数判断被监视对象是否出现故障。所记录数据通过通讯接口传送给通用计算机，实现波形显示、打印和数据的长期保存，或经过D/A转换后输出给笔录仪描绘出波形图。

Description

一种在线式工业设备运行数据及故障数据自动记录装置

技术领域

本实用新型涉及一种在线式工业设备或生产装置运行数据记录装置，尤其是能对故障信号进行判断并自动记录完整数据的记录装置。

背景技术

长期以来，在工业现场普遍使用笔型记录仪或磁带记录仪、示波器等常规仪器监视工业设备或生产装置的运行状态，或临时测录上述设备或装置的运行数据。这些仪器有的不能对信号进行记录，有的在使用过程中需随时更换信号记录载体(如记录纸或磁带)，没有故障判断功能，不适于在线监测那些快速变化的信号，通常情况下，是在设备或生产装置出现故障后，为查找故障产生的原因才接入上述仪器，测量或记录设备运行数据，这时测得的数据往往不能正确反映故障发生期间设备运行状态和运行数据变化的真实过程，影响迅速判断和分析故障原因，延长故障处理时间，造成长时间生产停顿，由此给企业带来的经济损失是不可忽视的。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种不需要更换信息记录载体且能长期在线记录工业设备或生产装置运行数据的记录装置，所记录的数据能通过通讯接口传送给通用计算机，以实现波形显示、打印和记录数据的长期保存，或经过D/A转换后输出给普通笔录仪描绘出波形图。

本实用新型的另一个目的是提供一种能根据所监测设备或生产装置的运行状况，预先设定故障判断方式和参数，自动记录被监测对象的故障波形的记录装置，当被监测对象出现故障时，记录和保存故障瞬间及前后一段时间各检测点的连续波形，通过波形重放再现故障过程，帮助现场人员及时、准确地分析和判断故障原因。

本实用新型的第三个目的是提供一种带串行通讯接口的记录装置，具有这种通讯接口的多台记录装置通过串行总线连接，构成网络化数据记录系统满足多通道、大数据量记录需求。

本实用新型是通过以下技术措施得以实现。

本实用新型由信号检测单元、中央控制单元、操作和显示单元、数据存储单元、通讯接口、模拟输出单元和接点状态信号接入单元组成。

本实用新型所指的信号检测单元至少包含有一个测量通道，每个测量通道由一组数字和模拟器件组成，它们包括测量控制MCU、量程选择电路、隔离A/D转换器和光耦合器，测量通道的输入端与被测点连接。

附图1是本实用新型的结构图。

附图1中，信号检测单元(5)中的测量控制MCU(4)通过光耦合器(3)与量程选择电路(1)的控制端耦合，通过隔离A/D转换器(2)与量程选择电路(1)的输出端耦合，以实现测量装置与连接在输入端(100)的现场信号的电气隔离，消除模拟电路和数字电路的共地干扰，避免危险电压窜入。量程选择和A/D转换由测量控制MCU(4)控制。中央控制单元(6)的一组I/O构成测量数据和控制总线(11)，测量控制MCU(4)的一组I/O与之连接，以接收中央控制单元(6)的控制指令和参数以及向中央控制单元(6)传送测量结果。测量控制MCU(4)连续采集由信号输入端(100)接入的现场信号并进行A/D转换，最新结果存放于测量控制MCU(4)的内部RAM，待中央控制单元(6)读取。

中央控制单元(6)由通用单片计算机或单板计算机、程序存储器、运行参数存储器、I/O接口组成，在中央控制单元(6)的程序存储器中，有一个系统控制程序及若干独立功能的子程序，运行参数存储器用于存放记录装置(15)的各项运行参数。中央控制单元(6)用于处理各种操作指令，按预先设定的采样周期从信号检测单元(5)读取测量结果数据并将其写入数据存储器(8)。

中央控制单元(6)至少通过以下三种方式之一判断被监测设备或生产装置是否出现故障：

方式一、在中央控制单元(6)的运行参数存储器中，有一组存储单元用于存放预先设定的故障阈值电平数值，中央控制单元(6)的程序存储器中有一个功能模块，该模块将反映当前信号幅值电平的测量数值与预先设定的故障阈值电平数值进行比较，如果信号电平超过阈值电平，则认定故障发生。

方式二、在中央控制单元(6)的运行参数存储器中，有一组存储单元用于存放两个或两个以上信号间的正常逻辑关系数据，在中央控制单元(6)的程序存储器中，有一个以多通道信号间相互关系为判断条件的功能模块，当信号检测单元(5)有两个以上测量通道时，将两个或两个以上信号间的逻辑关系与预先设定的信号间正常的逻辑关系相比较，如果不满足，则认定故障发生。

方式三、在中央控制单元(6)的程序存储器中，有一个根据外部接点(203)的状态变化来判断故障是否发生的功能模块，外部接点(203)取自被监测设备或生产装置的故障跳闸接点或其它能反映故障状态的接点，经导线(103)引入，通过接点状态信号接入单元(12)与中央控制单元(6)连接，当被监测设备或生产装置出现故障引起接点(203)的状态发生变化时，则认定故障发生。

一旦故障被认定，中央控制单元(6)将在继续采集和保存一定数量的测量数据后停止数据采集操作，保存故障波形数据。

数据存储器(8)采用非易失的存储器件，通过数据和地址总线(21)与中央控制单元(6)连接，用于保存测量数据和记录装置(15)的运行参数。中央控制单元(6)向数据存储器(8)写入测量数据时，采用先进先出循环方式，各测量通道分配有足够的数据存储单元，以保存完整的测量数据。记录装置(15)的运行参数包括：信号采样周期、各信号检测通道的量程、故障阈值电平、各通道测量信号间的逻辑关系等，这些参数在中央控制单元(6)初始化过程中被读入其运行参数存储器，供系统控制程序使用。

记录装置(15)的运行参数通过操作和显示单元(7)进行设置、修改和显示。操作和显示单元(7)包括一组键盘和显示器，通过相应的接口电路与中央控制单元(6)连接。

通讯接口(9)是一种串行通讯接口器件，通讯接口(9)的一端与中央控制单元(6)连接，另一端与总线(101)连接，主计算机(201)通过总线(101)与记录装置(15)连接；主计算机(201)用于对记录装置(15)进行参数设置和运行监控，记录数据的读取、波形显示、打印和长期保存。总线(101)上可接入多台记录装置(15)，每一台记录装置(15)分配不同的地址编号，使它们能被主计算机(201)识别。

模拟输出单元(10)包括一组D/A转换器和信号调理电路，通过数据和地址总线(21)与中央控制单元(6)连接，模拟输出端(102)与普通笔录仪(202)连接，保存于数据存储器(8)的测量数据在中央控制单元(6)控制下，经D/A转换和信号调理后送输出端(102)，输出至普通笔录仪(202)描绘波形图。

本实用新型所描述的装置，可以在线记录运行中的工业设备和生产装置的运行数据，采用非易失的存储器件保存记录数据，掉电不挥发，不需更换数据记录载体。所记录的数据可以传送给通用计算机，显示、打印和长期保存，也可输出给普通笔录仪描绘出波形图。

本实用新型所描述的装置可以根据被监测设备或生产装置的运行状况，预先设定故障判断条件，将测量结果与预先设定的故障判断条件进行比较判断设备或生产装置是否处于故障状态。还可以接入被监测设备或生产装置的能反映故障状态的接点信号，根据接点的状态变化来判断故障。当被监测对象出现故障时，能记录和保存故障瞬间及前后一段时间各检测点的连续波形，通过波形重放再现故障过程，帮助现场人员及时、准确地分析和判断故障原因，减少故障处理时间。

通过现场总线连接多台本实用新型所描述的装置，构成网络化数据记录系统可以满足多通道、大数据量记录的需求。

附图说明

图1是本实用新型的结构图，图2、图3和图4是本实用新型实施方案原理图。

具体实施方式

本实用新型的实施方案设计为8个测量通道，测量通道的电路原理如附图2电路所示。电阻器(20)和电阻器(21)组成的分压器将经由输入端(100)的输入信号衰减1000倍后送量程选择器(1)，本实施方案设计允许的输入信号电平范围为±1V～±200V。(25)是运算放大器，与电阻器组(22)和电阻器(24)接成同相比例放大器，比例系数通过多路开关(23)改变与电阻器组(22)中各电阻的连接确定，将输入端(100)的信号电平允许范围按1-2-5序列分为八个量程。电阻器组(22)中各电阻阻值，依据对应于相应量程的满度电压，运算放大器(25)的输出电平应与A/D转换器(26)的输入电平允许范围相适应的原则选取。测量控制MCU(4)的3个I/O口线通过光耦合器(3)与多路开关(23)的选择控制端连接，用于量程选择控制。

隔离A/D转换器(2)内含A/D转换器(26)、内建基准电压(31)、隔离DC/DC变换器(28)和光耦合器(27)。隔离A/D转换器(2)是一种串行控制器件，通过经光耦合器(27)与测量控制MCU(4)相连的串行数据链路传送控制指令和转换结果，串行数据链路包括同步时钟(29)和数据端口(30)。隔离A/D转换器(2)由系统电源供电，内部的隔离DC/DC变换器(28)为该测量通道的前端电路提供一组双极性工作电源(32)。

测量控制MCU(4)选用MCS-51系列微控制器，共有10个I/O口线与测量数据和控制总线(11)连接，包括8位数据，1位采样同步控制和1位检测通道选通控制。

附图3是实施方案的中央控制及其他单元电路原理，单片机(40)选用P87C552，这是一种有5组8位I/O端口、256字节RAM和8K字节程序存储器的器件，运行参数存放于RAM，程序存储器存放系统控制程序和子程序。单片机(40)的P1口的8位I/O用于总线(11)的数据线；P4.0～P4.2与一个3-8线译码器(41)的输入端连接，译码器(41)的8个输出用于总线(11)的选通控制线，分别与8个测量通道的选通控制端连接；P3.3用作总线(11)的采样同步控制线，与各测量通道的采样同步控制端连接。单片机(40)与各测量通道的交互包括数据读取和量程参数传送两方面内容，在数据读取过程中，在采样周期确定的采样时刻，单片机(40)将P3.3置“0”，使采样同步控制指令对各测量通道生效，各测量通道的测量控制MCU(4)响应采样同步控制指令，在完成当前数据采集后，即停止采样操作，单片机(40)通过译码器(41)依次选通各测量通道，读取采样结果数据；在量程参数传送过程中，单片机(40)通过译码器(41)选通某测量通道，被选通的测量通道的测量控制MCU(4)在数据采集的空闲时间响应单片机(40)，接收量程设定参数。

单片机(40)的P0口用作数据总线和低8位地址线，分别与数据锁存器(42)的输入端、数据存储器(43)、D/A转换器(45)和(46)的数据端口连接，数据锁存器(42)的输出端与数据存储器(43)的低8位地址端连接；数据存储器(43)选用容量为256KB的不挥发器件，在对数据存储器(43)的读写过程中，低8位地址A0～A7由8位数据锁存器(42)锁存提供给数据存储器(43)；单片机(40)的P2和P5.0、P5.1与数据存储器(43)的A8～A17连接，提供高10位地址。在本实施方案中，当数据存储器(43)选用更大容量器件时，单片机(40)的P5.2～P5.6提供其余高位地址，使数据存储器(43)的最大容量达到8MB。

D/A转换器(45)、(46)选用MAX505，这是一种4通道电压输出型D/A转换器，每一D/A通道均有一对输入和D/A转换数据锁存器，由数据锁存器(42)提供的地址线A0、A1对输入数据锁存器进行选择；D/A转换器(45)和(46)的片选择信号分别由单片机(40)的P3.4和P3.5提供，低电平有效；P3.4和P3.5分别与集成电路(44)中的两个双输入或门的一个输入端连接，两个双输入或门的另一个输入端并联与(40)的P3.6(外部数据写脉冲输出端，低电平有效)连接。当P3.4和P3.5分别为低电平和高电平时，选中D/A转换器(45)，当P3.6有效时，单片机(40)将数据写入D/A转换器(45)中由A0、A1选中的输入数据锁存器，改变A0，A1，直至D/A转换器(45)的4个输入数据锁存器的数据写入完成；对D/A转换器(46)的数据写入时，P3.5和P3.4分别为低电平和高电平，D/A转换器(46)被选中，其余过程与D/A转换器(45)的数据写入过程相同。

单片机(40)的P4.3端与D/A转换器(45)和(46)的LDAC端连接，用于D/A转换同步控制，当单片机(40)对D/A转换器(45)和(46)的输入数据锁存器写入完成后，将P3.4置“0”电平，D/A转换器(45)和(46)输入数据锁存器的内容同时传入对应的D/A转换数据锁存器，输出端AO1～AO8同时获得电平范围为0～5V的转换结果。AO1～AO8连接信号调理电路(47)，信号调理电路(47)由8路电平偏移电路组成，用于将0～5V电压转换成适合普通笔录仪(202)的±10V电压。

电平偏移电路(47)的原理由图4示出，运算放大器(406)、电阻器(403)和(404)、电位器(405)组成放大倍数可调同相放大器，放大倍数调整为8；电阻器(401)的一端与(406)的同相输入端连接，另一端与(45)或(46)的一个输出端(图中为AO1)连接，(402)的一端与(406)的同相输入端连接，另一端连接一个-2.5V基准电源，电阻器(401)和(402)具有相同的电阻值，当AO1在0～5V范围变化时，(406)的同相输入端将获得-1.25V～+1.25V的对称电压，该电压经8倍放大后输出端的对应电压为-10V～+10V。

图3中的键盘和显示接口(50)选用具有LED显示驱动和键盘扫描功能的集成电路MAX6954。单片机(40)的P4.4～P4.7分别与键盘和显示接口(50)的片选端CS、串行时钟输入端CLK、串行数据输入端DIN和串行数据输出端DOUT连接；键盘和显示接口(50)的O0～O7为LED显示单元(51)的位控输出，同时作为键盘(52)的行扫描线，O8～O15为LED显示单元(51)的段控输出，P0～P3为键盘(52)的列值输入线。显示数据和键盘扫描结果存放于键盘和显示接口(50)的片内RAM，MAX6954按照内部控制时序完成显示数据输出和键盘状态读取，单片机(40)与键盘和显示接口(50)的交互遵循SPI协议。

串行通讯接口(9)是一种RS-485收发器芯片，用于提供现场总线的硬件接口。串行通讯接口(9)的接收输出端(引脚1)与单片机(40)的P3.0连接，使单片机(40)能从总线接收数据；串行通讯接口(9)的驱动输入端(引脚4)与单片机(40)的P3.1连接，使单片机(40)能将数据发送到总线。单片机(40)的P5.7与串行通讯接口(9)的接收使能端(引脚2)和驱动使能端(引脚3)连接，用于串行通讯接口(9)的接收或发送功能的选择。串行通讯接口(9)的同相接收器输入和同相驱动器输出端(引脚6)、反向接收器输入和反相驱动器输出端(引脚7)与总线电缆(101)连接。

光耦合器(54)、隔离电源(55)、电阻器(56)和(57)构成外部接点状态信号接入单元，隔离电源(55)为光耦合器(54)的发光二极管提供电源，电阻器(56)是限流电阻，电阻值的选定以通过发光二极管的电流在5～20mA间为宜。(57)是电平提升电阻，一般取值为4.7KΩ～10KΩ，外部接点(203)一般取无源常闭接点。

Claims (10)

1、一种在线式工业设备运行数据及故障数据自动记录装置由信号检测单元(5)、中央控制单元(6)、操作和显示单元(7)、数据存储单元(8)、通讯接口(9)、模拟输出单元(10)和外部接点(203)状态信号接入单元(12)组成，其特征是：信号检测单元(5)、操作和显示单元(7)、数据存储单元(8)、通讯接口(9)、模拟输出单元(10)和接点状态信号接入单元(12)通过相应接口电路与中央控制单元(6)连接。

2、权利要求1所述的一种在线式工业设备运行数据及故障数据自动记录装置，其特征是：所指的信号检测单元(5)至少包含一个测量通道，每个测量通道由一组数字和模拟电路组成，它们包括测量控制MCU(4)、量程选择电路(1)、隔离A/D转换器(2)和光耦合器(3)；测量通道的输入端(100)与被测点连接，测量控制MCU(4)通过光耦合器(3)和隔离A/D转换器(2)与输入端隔离。

3、权利要求1所述的一种在线式工业设备运行数据及故障数据自动记录装置，其特征是：所指的中央控制单元(6)，是一种通用单片计算机或单板计算机与程序存储器、运行参数存储器、I/O接口的组合，并且有一组I/O用作测量数据和控制总线(11)与测量控制MCU(4)的一组I/O连接。

4、权利要求1所述的一种在线式工业设备运行数据及故障数据自动记录装置，其特征是：在所指的中央控制单元(6)的运行参数存储器中，有一组存储单元用于存放预先设定的故障阈值电平数值，在其程序存储器中有一个数值比较运算功能模块，该模块将反映当前信号幅值电平的测量数值与预先设定的故障阈值电平数值进行比较，以确定测量信号电平是否超过阈值电平。

5、权利要求1所述的一种在线式工业设备运行数据及故障数据自动记录装置，其特征是：在所指的中央控制单元(6)的运行参数存储器中，有一组存储单元用于存放预先设定的两个或两个以上测量信号间的正常逻辑关系数据，在其程序存储器中，有一个判断多通道信号间相互关系的功能模块，当信号检测单元(5)有两个或两个以上测量通道时，该模块将两个或两个以上测量信号间的逻辑关系与预先设定的正常的逻辑关系相比较，以确定测量信号间的逻辑关系是否正确。

6、权利要求1所述的一种在线式工业设备运行数据及故障数据自动记录装置，其特征是：在所指的中央控制单元(6)的程序存储器中，有一个根据外部接点(203)的状态变化来判断故障是否发生的功能模块，外部接点(203)取自被监测设备或生产装置的故障跳闸接点或其它能反映故障状态的接点，经导线(103)引入，通过外部接点状态信号接入单元(12)与中央控制单元(6)连接。

7、权利要求1所述的一种在线式工业设备运行数据及故障数据自动记录装置，其特征是：所指的数据存储器(8)采用非易失性存储器件，用于保存测量数据和记录装置(15)的信号采样周期、各信号测量通道的量程、故障阈值电平、各通道测量信号间的逻辑关系等运行参数，并且具有足够的数据存储容量，使各测量通道的测量数据能完整保存。

8、权利要求1所述的一种在线式工业设备运行数据及故障数据自动记录装置，其特征是：所指的模拟输出单元(10)有一个或一组D/A转换器件与中央控制单元(6)连接，D/A转换器件的输出端接有信号调理电路。

9、权利要求1所述的一种在线式工业设备运行数据及故障数据自动记录装置，其特征是：所指的通讯接口(9)是一种串行通讯接口器件，用于提供现场总线(101)的硬件接口，记录装置(15)与主计算机(201)通过现场总线(101)连接。

10、权利要求1所述的一种在线式工业设备运行数据及故障数据自动记录装置，其特征是：所指的操作显示单元(7)是一组显示器件(51)和键盘(52)，通过相应的接口电路(50)与中央控制单元(6)连接。

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