專利名稱：基于can總線的分布式潛水電機監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于CAN總線的分布式潛水電機監(jiān)控系統(tǒng)用于潛水電機運行狀態(tài)的智能化監(jiān)測、保護(hù)和管理，是機械技術(shù)，傳感技術(shù)和電工電子技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、計算機技術(shù)在電機保護(hù)中的應(yīng)用，屬于測控技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
潛水電機是和水泵連成一體，潛入水中運行的裝置，目前廣泛應(yīng)用于農(nóng)田灌溉，礦山排水，湖區(qū)水利，及其他工農(nóng)業(yè)給排水領(lǐng)域?？梢哉f潛水電機在我國的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演了一個很重要的角色。但是因為潛水電機工作環(huán)境的復(fù)雜性，加上某些潛水電機的制造工藝等諸方面的原因，使其較一般的電機更容易發(fā)生故障，如過載，過熱，漏水等，都有可能導(dǎo)致電機的燒毀，所以一般潛水電機需要配有一定的保護(hù)裝置。監(jiān)測對象主要有電流，溫度，水位等。
國內(nèi)隨著傳統(tǒng)的熱保護(hù)器的淘汰，對潛水電機的監(jiān)控逐步向智能方向發(fā)展，出現(xiàn)了一些相關(guān)的智能監(jiān)控儀，這些監(jiān)控儀隨起到了對潛水電機的保護(hù)作用，但都是單機工作，無法實現(xiàn)集中管理與控制，隨著國內(nèi)各潛水泵站的建立，以及在大面積灌溉，多臺潛水電泵同時工作的場合，需要對各個潛水泵進(jìn)行用微機進(jìn)行群控。進(jìn)行群控不僅可以節(jié)省人力、降低運行費用，更重要的是它可以有效的協(xié)調(diào)各水泵之間的工作，使水泵的工作更加可靠，更加智能化。而已有的監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足需要，所以需要開發(fā)出一套功能強大的網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控系統(tǒng)。
目前國外也有許多網(wǎng)絡(luò)化的潛水電機智能保護(hù)裝置，如丹麥格蘭富公司的潛水電機集成電子保護(hù)裝置CU3等，這些裝置一般價格都比較昂貴，而且大多為自己公司電泵產(chǎn)品的專有配套裝置，不具備通用性，從而限制了其在國內(nèi)普通潛水電機上的推廣使用。
實用新型內(nèi)容本實用新型就是要解決國內(nèi)對潛水電機的監(jiān)控沒有網(wǎng)絡(luò)化的問題。為滿足國內(nèi)市場需求，設(shè)計一種測量精度高、實時性好、抗干擾能力強、性價比高、可擴展性好、便于網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)管理、便于批量化生產(chǎn)的潛水電機監(jiān)控系統(tǒng)。
本實用新型首次將CAN現(xiàn)場總線應(yīng)用于潛水電機監(jiān)控，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由監(jiān)控計算機、CAN/RS232轉(zhuǎn)換卡、和位于潛水電機工作現(xiàn)場的控制節(jié)點構(gòu)成。
所述的監(jiān)控計算機可以1、顯示各個節(jié)點工作情況；2、通過廣播設(shè)置所有節(jié)點的工作參數(shù)，或設(shè)置某個具體控制節(jié)點3的工作參數(shù)；3、當(dāng)電機出現(xiàn)異常時可以給出錯誤參考，方便維修；4、對于工作過程中新加入或退出的泵站，系統(tǒng)可以自動檢測；5、可以把當(dāng)天的工作情況記錄到文件中，方便管理。
所述的控制節(jié)點可以對潛水電機實現(xiàn)保護(hù)功能，并把現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過CAN總線傳給CAN/RS232轉(zhuǎn)換卡，再由CAN/RS232轉(zhuǎn)換卡把CAN數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為RS232數(shù)據(jù)格式后送向監(jiān)控計算機。監(jiān)控計算機發(fā)送下來的RS232總線格式的數(shù)據(jù)經(jīng)CAN/RS232轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成CAN總線協(xié)議格式送向目標(biāo)控制節(jié)點。
控制節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖2所示?？刂乒?jié)點可以獨立對電機實現(xiàn)監(jiān)控保護(hù)功能，包括單片機、CAN總線通信模塊、傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊、強電控制模塊、鍵盤顯示模塊、看門狗模塊、現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲模塊、電源及強電控制模塊；所述的數(shù)據(jù)采集模塊通過傳感系統(tǒng)采集到潛水電機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)送入單片機處理；單片機根據(jù)處理結(jié)果，通過強電控制模塊和外圍強電控制電路控制電機的運行；通過鍵盤顯示模塊顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果、運行狀態(tài)，并可以通過鍵盤，現(xiàn)場設(shè)置工作參數(shù)和CAN網(wǎng)絡(luò)站號；現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲模塊儲現(xiàn)場設(shè)定的工作參數(shù)；通過CAN總線通信模塊將電機運行狀態(tài)實時送向監(jiān)控計算機；看門狗模塊監(jiān)控單片機程序的正常運行，當(dāng)程序出現(xiàn)“跑飛”現(xiàn)象，或電路板上電網(wǎng)電壓過低時，它都會復(fù)位單片機程序。
這種CAN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點有1、可靠性好，強大的總線仲裁功能保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕苊饬丝偩€沖突；2、實時性好，最高傳輸速度可達(dá)到1Mbps；3、傳輸距離遠(yuǎn)，在5Kbps的通信速率下，理論上的通信距離可以達(dá)到10000米；4、可擴展性好，最多可以掛接110個節(jié)點。對于本系統(tǒng)來說，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上需要其它性能的控制節(jié)點時，只需在新加的控制節(jié)點3上留出CAN總線接口即可。
潛水電機監(jiān)控裝置一般要對潛水電機的電壓電流，電機定子溫度和液位進(jìn)行監(jiān)測。但如果把所有的數(shù)據(jù)都通過相應(yīng)的傳感器采集上來，則由于傳感器價格較高，且有些保護(hù)功能的重復(fù)(如電流升高會導(dǎo)致電機定子溫度的升高)，會大幅抬高成本。從性能價格比的綜合考慮，我們研制了兩類控制節(jié)點，1、溫度液位控制節(jié)點，2、電流液位控制節(jié)點。兩者在結(jié)構(gòu)上沒太大差別，區(qū)別在監(jiān)測對象和數(shù)據(jù)采集電路原理不同。
溫度液位控制節(jié)點是以潛水電機定子線圈溫度和電機腔液位為監(jiān)測對象，其傳感系統(tǒng)由溫度傳感器和液位傳感器組成，根據(jù)傳感系統(tǒng)采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊采集溫度數(shù)據(jù)和液位數(shù)據(jù)。
電流液位控制節(jié)點是以三相電機電流和電機腔液位為監(jiān)測對象。其傳感系統(tǒng)由電流傳感器和液位傳感器組成，根據(jù)傳感系統(tǒng)采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊采集電流數(shù)據(jù)和液位數(shù)據(jù)。


圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2控制節(jié)點結(jié)構(gòu)圖圖3電源及外圍控制電路圖4CAN/RS232轉(zhuǎn)換卡電路原理圖圖5CAN總線通信模塊原理圖圖6溫度液位控制節(jié)點主板電路原理圖圖7溫度液位控制節(jié)鍵盤顯示電路原理圖圖8電流液位控制節(jié)點主板原理圖圖9電流液位控制節(jié)點鍵盤顯示模塊原理圖
具體實施方式
具體實施例子如下將該潛水電機監(jiān)控裝置用于QJ型潛水電機中，電機功率18.5千瓦。
溫度數(shù)據(jù)采集電路通過3個8通道多路模擬開CD4051循環(huán)采集三路鉑電阻溫度傳感器的信號，再由一個12位A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109將此模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號送向單片機電流數(shù)據(jù)采集電路由一個多路模擬開關(guān)CD4051循環(huán)采集三路磁平衡式霍爾電流傳感器的信號、再由一個10位A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549將此模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號送向單片機。
液位數(shù)據(jù)采集電路由光電隔離器TLP521采集一個電極式液位傳感器的開關(guān)量信號，并把信號送向單片機。
強電控制模塊是通過一個光電隔離器TLP521將單片機發(fā)出的開關(guān)量控制信號傳送給一個SSR固態(tài)繼電器，通過SSR控制使交流接觸器回路的通斷，從而控制電機的啟停。
CAN總線通信模塊是由一個82C250總線收發(fā)器負(fù)責(zé)向CAN網(wǎng)絡(luò)收發(fā)信號，通過兩個6N137高速光隔與SJA1000總線控制器通信，SJA1000通過741s245總線驅(qū)動器與單片機通信。具體電路參見圖5，它可以實現(xiàn)將控制節(jié)點連入CAN總線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。把它做在了一個獨立的電路板上，留出相應(yīng)的接口。這樣所有類型的監(jiān)控節(jié)點都可以利用它，從而簡化了開發(fā)的過程和成本?，F(xiàn)有的溫度液位控制節(jié)點和電流液位控制節(jié)點都用的是這個CAN總線通信模塊。
CAN/RS232轉(zhuǎn)換卡是由89C51單片機通過SJA1000總線控制器、6N137高速光隔、82C250收發(fā)器和CAN網(wǎng)絡(luò)通信，通過MAX232變壓器和RS232總線通信。具體電路參見圖4，它完成CAN總線協(xié)議和RS232協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。它具有的優(yōu)點有1、價格便宜，2、對監(jiān)控計算機硬件沒有特殊要求，只占用其一標(biāo)準(zhǔn)RS232串口。CAN/RS232轉(zhuǎn)換卡放于監(jiān)控計算附近，需要一220V交流電源。一端接RS232總線和監(jiān)控計算機通信，一端接CAN總線和所有的控制節(jié)點通信。
將控制節(jié)點主板、CAN總線通信模塊、鍵盤顯示模塊安裝在一小的鐵制控制箱內(nèi)可以屏蔽電磁干擾?？刂乒?jié)點操作界面安裝在此小控制箱的表面。然后將此小控制箱、開關(guān)電源、空氣開關(guān)、繼電器、～380V/～220V變壓器安裝在一個大控制箱的底板。將散熱風(fēng)扇裝于控制箱的側(cè)面，將旋鈕開關(guān)安裝在大控制箱的箱蓋上，將傳感器接口、CAN總線通信接口、三相380V電源的輸入輸出接口引至大控制箱外殼上。在此大控制箱的表面留有一塊玻璃窗口，通過玻璃窗口可以看見控制節(jié)點的操作界面。這種把所有弱電和強電控制部分都安裝在同一大控制箱內(nèi)，所有的接口都引到箱體上的結(jié)構(gòu)，不但方便接線，且更加安全可靠、便于批量生產(chǎn)。
在潛水電機定子線圈下線時，將三根鉑電阻傳感器用定子線圈繞緊固定于電機腔中，鉑電阻的三股引線從電機上蓋孔穿出接入監(jiān)控電路；在安裝液位傳感器時，將電極式液位傳感器用其末端自帶的螺紋固定于電機頂蓋上，其引線由電機另一上蓋孔穿出。在安裝磁平衡式霍爾電流傳感器時，直接將其用螺釘通過螺釘孔固定在大控制箱的底板上，將三相電流線分別穿過傳感器的原邊線孔。接12V工作電壓，將信號輸出端送向數(shù)據(jù)采集模塊。
監(jiān)控計算機可以選用普通的PC機或筆記本電腦。
本實用新型具有測量精度高、實時性好、抗干擾能力強、性價比高、可擴展性好、便于網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)管理、便于批量化生產(chǎn)等特點。其對溫度的檢測精度誤差在0.5℃以內(nèi)，對電流的檢測誤差在0.5A內(nèi)。鉑電阻溫度傳感器和磁平衡式霍爾電流傳感器的靈敏度較高，其送出的數(shù)據(jù)為實時信息。電極式液位傳感器傳感器檢測靈敏度在0.2秒內(nèi)。CAN總線通信速率設(shè)定為20K時，通信距離可達(dá)到2000米，控制節(jié)點的數(shù)量最多可接110個。
權(quán)利要求1.基于CAN總線的分布式潛水電機監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，包括，監(jiān)控計算機、CAN/RS232轉(zhuǎn)換卡、和位于潛水電機工作現(xiàn)場的控制節(jié)點；所述的控制節(jié)點把現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過CAN總線傳給CAN/RS232轉(zhuǎn)換卡，再由CAN/RS232轉(zhuǎn)換卡把數(shù)據(jù)從CAN數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為RS232數(shù)據(jù)格式后，送向監(jiān)控計算機；監(jiān)控計算機發(fā)送下來的RS232總線格式的數(shù)據(jù)經(jīng)CAN/RS232轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成CAN總線協(xié)議格式送向目標(biāo)控制節(jié)點；控制節(jié)點包括單片機、CAN總線通信模塊、傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊、強電控制模塊、鍵盤顯示模塊、看門狗模塊、現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲模塊、電源及強電控制模塊；所述的數(shù)據(jù)采集模塊通過傳感系統(tǒng)采集到潛水電機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)送入單片機處理；單片機根據(jù)處理結(jié)果，通過強電控制模塊和外圍強電控制電路控制電機的運行；通過鍵盤顯示模塊顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果、運行狀態(tài)，并通過鍵盤，現(xiàn)場設(shè)置工作參數(shù)和CAN網(wǎng)絡(luò)站號；現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲模塊存儲現(xiàn)場設(shè)定的工作參數(shù)；通過CAN總線通信模塊將電機運行狀態(tài)實時送向監(jiān)控計算機；看門狗模塊監(jiān)控單片機程序的正常運行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAN總線的分布式潛水電機監(jiān)控系統(tǒng)，其中傳感系統(tǒng)由溫度傳感器和液位傳感器組成，監(jiān)測對象為潛水電機定子線圈溫度和電機腔液位，根據(jù)傳感系統(tǒng)采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊采集溫度數(shù)據(jù)和液位數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAN總線的分布式潛水電機監(jiān)控系統(tǒng)，其中傳感系統(tǒng)由電流傳感器和液位傳感器組成，監(jiān)測對象為三相電機電流和電機腔液位，根據(jù)傳感系統(tǒng)采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊采集電流數(shù)據(jù)和液位數(shù)據(jù)。
專利摘要本實用新型屬于測控技術(shù)領(lǐng)域，將CAN現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于潛水電機監(jiān)控。它是由位于監(jiān)控中心的監(jiān)控計算機、CAN/RS232轉(zhuǎn)換卡，和位于潛水電機工作現(xiàn)場的控制節(jié)點構(gòu)成；控制節(jié)點包括單片機、CAN總線通信模塊、傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊、強電控制模塊、鍵盤顯示模塊、看門狗模塊、現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲模塊、電源及強電控制模塊，可獨立對潛水電機實現(xiàn)監(jiān)控保護(hù)功能。CAN/RS232轉(zhuǎn)換卡完成CAN總線協(xié)議和RS232協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換；監(jiān)控計算機可以通過CAN網(wǎng)絡(luò)和各個控制節(jié)點之間通信，實現(xiàn)集中管理功能；從而形成分散監(jiān)控和集中管理于一體的分布式監(jiān)控結(jié)構(gòu)。本實用新型具有測量精度高、實時性好、抗干擾能力強、性價比高、可擴展性好、便于網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)管理和批量化生產(chǎn)等特點。
文檔編號H02H7/08GK2786671SQ20052000028
公開日2006年6月7日 申請日期2005年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月10日
發(fā)明者劉洪濤, 張慧慧, 焦亮, 孫樹文, 李屹 申請人:北京工業(yè)大學(xué)