CN2811962Y - 一种基于Profibus－DP现场总线的同步电机状态检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于Profibus－DP现场总线的同步电机状态检测仪，它具有Profibus－DP现场总线从站通信功能，可以实现同步电机10路的温度检测和4路的开关量输入功能。该设备电路板上包括三线制温度检测电路、开关量输入单元电路、P89C58电路、VPC3+C现场总线协议芯片电路、RS485驱动及光电隔离电路、EEPROM电路、DIP拨码开关电路、指示灯电路、看门狗复位电路和译码电路等。所述检测仪通过Profibus－DP现场总线与单片机、现场总线协议芯片之间的组合实现将同步电机状态信息传输给主站进行处理，有利于系统设备的综合管理与控制，并且能够与其它支持Profibus－DP协议的设备实现系统集成。

Description

一种基于Profibus-DP现场总线的同步电机状态检测仪

技术领域

本实用新型涉及一种电机状态的检测装置，具体地说，是指一种基于Profibus-DP现场总线的同步电机状态检测仪。本实用新型检测仪能够实现对同步电机的温度和开关量输入状态的检测功能，并且能够将检测得到的同步电机状态信息经Profibus-DP现场总线传送给主站进行数据处理。

背景技术

随着信息技术的飞速发展，信息交换的范围正迅速覆盖从工厂的管理、控制到现场设备层的各个层次，并逐步形成了全分布式网络集成自动化系统和以此为基础的企业信息系统。现场总线就是顺应这种发展趋势而发展起来的新技术。

Profibus-DP是一种国际化、开放式和不依赖于设备生产商的现场总线标准，广泛适用于制造业自动化、楼宇自动化、交通管理自动化、过程自动化、电力工业和电力输送等领域自动化，是现阶段使用最频繁的通信行规。

传统的同步电机状态检测设备是将现场信号检测到以后，通过有线形式传输给处理单元(如单片机、中心处理器)进行处理，然后处理单元将处理后的相关信息输出或者进行控制输出。检测设备对电机工作状态采用分散式管理，对综合管理系统设备带来了不便。

发明内容

为了克服分散式管理电机工作状态存在的缺陷，本实用新型提供一种基于Profibus-DP现场总线的同步电机状态检测仪，所述检测仪通过Profibus-DP现场总线与单片机、现场总线协议芯片之间的组合实现将同步电机状态信息传输给主站进行处理，有利于系统设备的综合管理与控制，并且能够与其它支持Profibus-DP协议的设备实现系统集成。

本实用新型的一种基于Profibus-DP现场总线的同步电机状态检测仪，包括单片机、单片机外围电路、现场总线协议芯片、与Profibus-DP现场总线实现通讯传输的通讯接口电路、电机的开关量输入检测电路和电机工作状态的温度检测电路。所述电机的开关量输入检测电路的4个开关量输出端与单片机连接；所述电机工作状态的温度检测电路的10个温度状态信息输出端与单片机连接；现场总线协议芯片的两端分别与单片机和通讯接口电路连接，通讯接口电路的另一端与Profibus-DP现场总线连接，单片机外围电路与单片机连接。

所述的同步电机状态检测仪，其电机的开关量输入检测电路包括外部开关量信号DI0通过一个限流电阻R79A接到光电隔离芯片U13A的1管脚，U13A的2管脚接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极接24V电源地；U13A的15管脚接数字地，U13A的16管脚接上拉电阻R80A后与扩展接口芯片U4的18管脚连接。

所述的同步电机状态检测仪，其电机工作状态的温度检测电路包括VREF为2.5V参考电压信号，该信号通过两个运算放大器U26A、U26B和电阻元件R94A、R94B、R94C和R94D输出1mA恒流电流。TOA为热电阻三线制接线端子，电阻信号通过运放电路后可以抵消连接导线电阻，即运放U26C输出信号为热电阻端电压，该信号经过电阻R35、电容C45、电阻R36、电容C44的滤波作用，再经过运放U26D的放大作用，输送给A/D转换芯片U17。

本实用新型检测仪的优点：同步电机开关量状态检测准确无误，自动消除机械抖动；温度状态测量精度高；检测速度快；具有Profibus-DP现场总线通信功能，是一种开放的同步电机状态检测仪。

附图说明

图1是本实用新型检测仪的结构框图。

图2是单片机及单片机外围电路的电路原理图。

图2A是单片机外配的存储器。

图3是DIP开关与电机开关量检测电路原理图。

图3A是开关量输入检测电路原理图。

图4是电机温度状态检测电路原理图。

图4A是温度检测电路原理图。

图5是现场总线协议芯片电路原理图。

图6是通讯接口电路的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

请参见图1所示，本实用新型是一种基于Profibus-DP现场总线的同步电机状态检测仪，它由单片机、单片机外围电路、现场总线协议芯片、与Profibus-DP现场总线实现通讯传输的RS485通讯电路、以及电机的开关量输入检测电路和电机工作状态的温度检测电路组成。VPC3+C为Profibus现场总线协议芯片，其一端与单片机相连，另一端与RS485驱动电路相连；单片机外配的一个EEPROM用于存储一些重要参数；DIP拨码开关用于设置检测仪的从站地址；板上还有74HCT573锁存器、看门狗复位电路和指示灯等单片机的外围电路。电源电路提供5V电源。本实用新型的检测仪的工作原理：单片机接收开关量输入检测电路输出的4个开关量信号，单片机接收温度检测电路输出10个电机工作温度状态信号，单片机对接收的所述4个开关量信号和所述10个电机工作温度状态信号进行控制输出电机状态信息，所述电机状态信息经RS485通讯电路传输至Profibus-DP现场总线上。由Profibus-DP现场总线将所述电机状态信息传输至主站进行综合管理和控制处理。

在本实用新型中，构成检测仪的电路板中的各单元将通过下列表来说明其连接关系，各个芯片上的管脚非特指，一般为常规方式连接。

一、单片机及单片机外围电路

在本实用新型中，单片机U3P89C58是内部集成32K字节FLASH程序存储器的51系列单片机，采用的是贴式PLCC封装的芯片，便于本实用新型固件的升级。P89C58为板上核心处理器。P89C58及外围电路如图2所示。时钟选用的是24MHZ无源晶振；由于该单片机为低8位地址线与数据线复用，用74HCT573作为低8位地址锁存器；62256为32K外部扩展数据RAM；P89C58的P3.4、P3.5管脚接串行EEPROM的SCL和SDA管脚，P1.7管脚接看门狗复位电路的MAX705的WDI管脚，P1.0、P1.1、P1.2、P3.0接指示灯限流电阻的一端，INT0和INT1分别接TLV2543的EOC输出信号和VPC3+C的9管脚，P1.3、P1.4、P1.5、P1.6均接到TLV2543相应管脚上，复位脚接看门狗复位电路，TXD接VPC3+C的复位引脚，其余控制管脚接相应外围电路的各控制管脚。看门狗复位电路采用专用看门狗复位芯片MAX705，此芯片本身能独立工作，基本上不依赖于单片机，单片机只在一个固定的时间间隔内与其打一次交道，表明整个系统“目前尚属正常”，在本实用新型中用单片机P89C58的P1.7口来做此项工作。如果P1.7口长时间不与MAX705打交道，即不给MAX705发变化的电平，即可判断单片机工作已不正常，MAX705即向单片机复位端发送复位信号，复位单片机，保证整个系统的正常运行。为了存储检测仪在运行时的一些重要参数，采用外配一个128字节的串行EEPROM24C01，存储器24C01的管脚6、5即SCL、SDA管脚分别接P89C58的P3.4、P3.5，除电源以外其余管脚均接地。存储器电路原理图见图2A所示。

指示灯电路如图2所示，接口卡上共设有5个指示灯，D1为电源指示指示灯，指示灯D2为指示模块处于在线状态，指示灯D3为指示模块处于离线状态，指示灯D4为现场总线的诊断状态，指示灯D19用于指示接口卡的运行状态，当对VPC3+C现场总线芯片进行检查时，错误指示灯为红色，频率2Hz；当对RAM进行检查，错误指示灯为红色，频率1Hz。

二、电机的开关量输入检测电路和电机工作状态的温度检测电路

请参见图3所示，外部开关量信号DI0通过一个限流电阻R79A接到光电隔离芯片U13A的1管脚，U13A的2管脚接D3的阳极，D3的阴极接24V电源地；U13A的15管脚接数字地，16管脚接上拉电阻R80A后与扩展接口芯片U4的18管脚连接。在本实用新型中，有4个开关量输入，即有4个相同的开关量输入检测电路与扩展接口芯片U4的管脚连接，图中所示，开关量输入检测电路输出信号有电机油顶压异常信号(定义为K1，且K1与扩展接口芯片U4的18管脚连接)、电机油压润滑异常信号(定义为K2，且K2与扩展接口芯片U4的19管脚连接)、电机通风投入否信号(定义为K3，且K3与扩展接口芯片U4的20管脚连接)和集电环室冷却风机合位置信号(定义为K4，且K4与扩展接口芯片U4的21管脚连接)。与扩展接口芯片U4连接还有8位DIP拨码开关，扩展接口芯片U4与单片机U3的连接为常规连接。

请参见图4所示的温度检测电路，VREF为2.5V参考电压信号，该信号通过两个运算放大器U26A、U26B和电阻元件R94A、R94B、R94C和R94D输出1mA恒流电流。TOA为热电阻三线制接线端子，电阻信号通过运放电路后可以抵消连接导线电阻，即运放U26C输出信号为热电阻端电压，该信号经过电阻R35、电容C45、电阻R36、电容C44的滤波作用，再经过运放U26D的放大作用，输送给A/D转换芯片U17。A/D转换芯片U17选取TLV2543为12位的串行A/D转换芯片，它将10路温度检测的转换结果传送到单片机P89C58中。在本实用新型中，温度检测电路有10片相同结构的电路组成，且10路温度检测原理相同。本实用新型的同步电机温度检测单元的检测对象是热电阻PT100，当环境温度发生变化时，PT100的阻值将发生变化，我们就是通过检测PT100的阻值来确定PT100周围环境的温度值。其电机温度状态有定子U相的两个温度状态T_U1和T_U2、定子V相的两个温度状态T_V1和T_V2、定子M相的两个温度状态T_W1和T_W2、电机进口温度T_i、电机出口温度T_O、驱动侧轴温度T_S1和非驱动侧轴温度T_S2。首先我们利用一个2.5V的精密电压基准源和2个运算放大器，产生一个1mA的恒流源，PT100作为恒流源负载，这样PT100电阻的变化就反映为PT100两端电压的变化，这样我们就可以通过检测PT100两端的电压来检测温度。

PT100的输出电压为mV级的，并很有可能带有现场的干扰噪声，首先对其进行滤波处理，然后利用运放将其信号放大，通过A/D转换芯片传送给单片机。

由于现场检测点可能距离较远，这就必须考虑引线电阻带来的影响。在这里我们采用热电阻三线制接法，假设三根引线电阻相同，那么三线制接法就可以将导线电阻的影响抵消。

三、VPC3+C协议芯片

本实用新型的VPC3+C芯片是Profichip公司的带有处理器接口的Profibus通信专用芯片，可以执行Profibus-DP的信息和地址识别，数据的安全传输和协议的处理。另外，支持Profibus-DPV1和Profibus-DPV2扩展。VPC3+C芯片的总线接口是个可参数化的同步/异步8位接口，适合于Motorola和Intel的微控制器/处理器。DP通信的服务存取点(DP-SAPs)由VPC3+C芯片自动建立，各种报文信息呈现在用户面前的是不同buffer的内部数据，用户可以通过总线接口访问这些内部数据。

由于本实用新型中处理器用的是51系列单片机，所以VPC3+C芯片的MODE(23)管脚接VCC，选择数据地址线复用。INT/MOT(8)管脚接地，选择Intel模式。时钟管脚CLK即管脚5接48MHZ有源晶振的输出管脚即3管脚。VPC3+C芯片内部集成了地址锁存器，将锁存使能管脚ALE即24管脚接到单片机的ALE端，8位数据线也同时作为低8位地址线使用，接到VPC3+C芯片的DB0～DB7管脚。地址线的AB8、AB9、AB10分别接到VPC3+C芯片的AB0、AB1、AB2管脚。当VPC3+C处于本发明所使用的工作方式时，管脚AB3～AB10全为低电平时，VPC3+C芯片才被选通，本发明中管脚AB4～AB10都接地，AB3接译码电路中74HCT138的Y0管脚，同时接上拉电阻，实际上AB3管脚提供VPC3+C芯片的片选信号。VPC3+C芯片的读、写、中断管脚，即4、2、9管脚，分别接单片机的读、写、中断1管脚，即19、18和15管脚。复位管脚36接单片机的13管脚，同时接上拉电阻。VPC3+C芯片的CS#管脚，即1管脚，接跳线J2的2管脚，通过跳线或者连到上拉电阻，或者连到地址线AB11，说明如下：1-2:4KB模式，2-3:2KB模式，跳线不可悬空。VPC3+C芯片的TXD、RXD、RTS管脚，即26、30、27管脚，接到RS485驱动电路。CTS#即33管脚接下拉电阻。

四、通讯接口电路

请参见图5所示，通讯接口电路包括光电隔离电路及RS485驱动电路。RS485驱动电路选取DS75176芯片，光电隔离电路由三片光耦芯片组成，片选准备信息隔离选取HCPL0601芯片，接收信息隔离选取HCPL0710芯片，发射信息隔离选取HCPL0710芯片。协议转换电路的RTS管脚与片选准备HCPL0601芯片连接，协议转换电路的RXD管脚与接收信息HCPL0710芯片连接，协议转换电路的TXD管脚与发射信息HCPL0710芯片连接，HCPL0601芯片的片选输出端与接口JP2的4端连接，接收信息HCPL0710芯片的输出端与RS485驱动电路DS75176芯片的1端连接，发射信息HCPL0710芯片的输出端与RS485驱动电路DS75176芯片的4端连接，RS485驱动电路DS75176芯片的6、7两端与JP2的3、8端连接。

本实用新型的软件部分包括单片机软件和设备数据库GSD文件。下面分别具体说明。

本实用新型在单片机P89C58中运行，采用的是C语言编程方法，包括主程序和VPC3+C中断程序。

主程序是单片机软件的主线，主要任务是识别不同状态下调用相应的子程序处理模块，并将它们联系起来，形成一个有机的整体，从而实现对该同步电机状态检测装置的全部管理功能。上电以后，单片机首先对板上硬件资源进行检测，包括外部数据RAM，如果检查硬件有问题，则点亮相应指示灯报错。硬件检测完成通过后，先使能协议转换电路VPC3+C中断，等待应用端的初始化从站参数，紧接着进行VPC3+C初始化，包括设置VPC3+C允许的中断，写入从站识别号和地址，设置VPC3+C方式寄存器，设置诊断缓冲区，参数缓冲区，配制缓冲区，地址缓冲区，初始长度，并根据以上初始值求出各个缓冲区的指针及辅助缓冲区的指针。根据传输的数据长度，确定输出缓冲区，输入缓冲区及指针。在VPC3+C初始化完成后，如果配置正确，则使能VPC3+C中断并启动，然后进入主循环：复位看门狗，输入输出数据处理，Profibus中断事件处理，如果有外部诊断，可对诊断进行处理。中断程序主要用来处理PRM报文0，CFG报文，SSA报文，完成微处理器对VPC3+C的中断信号的反应。

本实用新型的检测仪作为Profibus-DP现场总线上的一个从站，拥有独立的驱动程序，也就是所谓的GSD文件，以方便现场总线组态软件对其识别、组态。本实用新型的GSD文件完全符合其标准，包含其名称、版本号、支持的通讯波特率、同/异步传输、通讯字节数等信息。

Claims (7)

1、一种基于Profibus-DP现场总线的同步电机状态检测仪，包括单片机、单片机外围电路、现场总线协议芯片、与Profibus-DP现场总线实现通讯传输的通讯接口电路，其特征在于：还包括电机的开关量输入检测电路和电机工作状态的温度检测电路，

所述电机的开关量输入检测电路的4个开关量输出端与单片机连接；

所述电机工作状态的温度检测电路的10个温度状态信息输出端与单片机连接；

现场总线协议芯片的两端分别与单片机和通讯接口电路连接，通讯接口电路的另一端与Profibus-DP现场总线连接，单片机外围电路与单片机连接。

2、根据权利要求1所述的同步电机状态检测仪，其特征在于：单片机选取P89C58芯片，现场总线协议芯片选取VPC3+C芯片，通讯接口电路包括光电隔离电路及RS485驱动电路，RS485驱动电路选取DS75176芯片，光电隔离电路由三片光耦芯片组成，片选准备信息隔离选取HCPL0601芯片，接收信息隔离选取HCPL0710芯片，发射信息隔离选取HCPL0710芯片。

3、根据权利要求1所述的同步电机状态检测仪，其特征在于：电机的开关量输入检测电路包括外部开关量信号DI0通过一个限流电阻R79A接到光电隔离芯片U13A的1管脚，U13A的2管脚接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极接24V电源地；U13A的15管脚接数字地，U13A的16管脚接上拉电阻R80A后与扩展接口芯片U4的18管脚连接。

4、根据权利要求1所述的同步电机状态检测仪，其特征在于：检测仪检测得到的电机4个开关量为电机油顶压异常信号、电机油压润滑异常信号、电机通风投入否信号和集电环室冷却风机合位置信号。

5、根据权利要求1所述的同步电机状态检测仪，其特征在于：电机工作状态的温度检测电路包括VREF为2.5V参考电压信号，该信号通过两个运算放大器U26A、U26B和电阻元件R94A、R94B、R94C和R94D输出1mA恒流电流。TOA为热电阻三线制接线端子，电阻信号通过运放电路后可以抵消连接导线电阻，即运放U26C输出信号为热电阻端电压，该信号经过电阻R35、电容C45、电阻R36、电容C44的滤波作用，再经过运放U26D的放大作用，输送给A/D转换芯片U 17。

6、根据权利要求1所述的同步电机状态检测仪，其特征在于：检测仪检测得到的电机10个电机温度状态为电机温度状态有定子U相的两个温度状态T_U1和T_U2、定子V相的两个温度状态T_V1和T_V2、定子M相的两个温度状态T_W1和T_W2、电机进口温度T_i、电机出口温度T_O、驱动侧轴温度T_S1和非驱动侧轴温度T_S2。

7、根据权利要求1所述的同步电机状态检测仪，其特征在于：所述检测仪具有Profibus-DP现场总线从站通信功能。

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