摘要：潛水電泵工作環(huán)境復(fù)雜，各種影響因素會造成電機(jī)損壞，監(jiān)控潛水電泵的工作狀態(tài)并對其進(jìn)行保護(hù)尤為重要。因此設(shè)計了一種基于CAN總線的潛水電泵群故障檢測與智能監(jiān)控系統(tǒng)。選用T89C51CC01作為微控制器，實現(xiàn)對潛水電泵的故障監(jiān)測和智能保護(hù)；用比率測溫法處理鉑電阻采集到的電機(jī)定子線圈溫度；選擇PCA82C250為CAN總線收發(fā)器，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)把潛水電泵的運(yùn)行狀態(tài)傳送給監(jiān)控主機(jī)；整個系統(tǒng)呈分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)潛水泵站的分散監(jiān)控和集中管理功能。本文介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理、硬件電路及軟件設(shè)計流程以及調(diào)試方法。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有安裝使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠性高等特點。
關(guān)鍵詞：潛水電泵；故障檢測；現(xiàn)場總線；分布式系統(tǒng)；
中國分類號：TP247 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
Design of Fault Monitoring and Intelligent Control System of Submersible Pump Cluster
Sun Shuwen
(College of Mechanical Engineering & Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100022 ,China)
Abstract: Countering the problems existing in the submersible pump, such as the complex condition of running, high malfunction ratio, many factors influenced, a fault monitoring and intelligent control system for submersible pump cluster based on CAN (Controller Area Network) field bus is designed. T89C51CC01 is chosen as MCU of system, PCA82C250 as the transceiver for CAN physical interface. Selection of platinum resistance to measure temperature of motor’s stator based on ratio bbbbbb. It has some functions of submersible pump intelligent controlling and fault protecting. The function of distributed control and concentrated management is realized in this system. The whole structure and principle of system, the hardware circuit, and the software programming were discussed in detail. Practical using shows that this intelligent monitoring system has such characteristics as strong anti-jamming and the better control effect, etc. It is suitable for similar practical engineering
Keywords: submersible pump，fault monitoring，field bus，distributed system
0 引言
隨著城市建設(shè)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，由潛水電泵構(gòu)建的各種泵站不斷地用于大面積農(nóng)田灌溉、大型噴泉、城市排污、高樓供水等眾多領(lǐng)域中。潛水電機(jī)是潛水電泵的核心部件，因其工作環(huán)境復(fù)雜及制造工藝等諸方面的原因，使其較一般的電機(jī)更容易發(fā)生故障，如過載，過熱，滲水，漏水等，這些故障因素都有可能導(dǎo)致潛水電機(jī)的燒毀。目前國內(nèi)外已有多家公司開發(fā)出針對個體潛水電機(jī)的智能電子保護(hù)裝置，這些保護(hù)裝置的運(yùn)行是相互獨立的，無法實現(xiàn)潛水泵站的集中監(jiān)管。因此，對潛水電泵群的故障檢測、智能保護(hù)與信息統(tǒng)一管理的要求日益迫切。傳統(tǒng)的集散型控制系統(tǒng)存在系統(tǒng)不開放、硬件投資大、布線復(fù)雜、維修不便的缺點，具有明顯的局限性[1]。因此研究和開發(fā)一種基于現(xiàn)場總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)對保證潛水電泵群的安全可靠運(yùn)行是十分必要的。
1 系統(tǒng)總體構(gòu)成
基于CAN總線的潛水電機(jī)群故障檢測與智能監(jiān)控的分布式系統(tǒng)由監(jiān)控中心計算機(jī)、潛水電泵保護(hù)器、CAN總線網(wǎng)絡(luò)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。分布在現(xiàn)場的監(jiān)控裝置可以獨立對潛水電泵進(jìn)行智能控制和故障保護(hù)；監(jiān)控中心計算機(jī)通過CAN總線網(wǎng)和各個控制節(jié)點之間進(jìn)行實時通信，從而實現(xiàn)潛水電泵機(jī)群的分散控制和集中監(jiān)管功能。
圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖
現(xiàn)場智能保護(hù)器可以有效的檢測潛水電泵運(yùn)行過程中的過流、過熱、缺相、短路、滲漏等異?，F(xiàn)象，通過切斷主電路電源，使電機(jī)得到保護(hù)，并通過顯示模塊指示故障類型。潛水電機(jī)保護(hù)器具有CAN總線通信接口，具備遠(yuǎn)程通信功能。
監(jiān)控中心計算機(jī)對整個分布式系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)管。通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)，可以收集、保存、顯示和查詢由潛水電泵保護(hù)器采集并上傳的各潛水電泵的運(yùn)行參數(shù)；還可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)，包括：設(shè)置總線通信波特率、保護(hù)器節(jié)點地址、參與運(yùn)行的電泵數(shù)量等功能。
2 潛水電泵保護(hù)器
潛水電泵保護(hù)器的硬件采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，由微控制器、CAN通信接口模塊、信號采集與處理模塊、電機(jī)控制模塊、LED顯示模塊、現(xiàn)場參數(shù)設(shè)置模塊及電源模塊組成，各模塊之間的相互關(guān)系如圖2所示[2]。根據(jù)具體情況可以進(jìn)行模塊刪減。例如：可以去掉顯示模塊和現(xiàn)場設(shè)置模塊，利用監(jiān)控計算機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置的功能；在單機(jī)運(yùn)行時，可以不使用CAN通信接口模塊等。
圖2 智能保護(hù)器結(jié)構(gòu)框圖
潛水電泵保護(hù)器的單片機(jī)選用的是Atmel公司推出的帶有在片CAN控制器的T89C51CC01[3]，它是一種功能強(qiáng)大的8位微控制器，自帶32 KB Flash存儲器，靜態(tài)時鐘模式，其周期時間為300ns，可在系統(tǒng)編程（ISP），包括有2KB閃存引導(dǎo)存儲器，2KB E2PROM和1.2KB RAM，與8051系列單片機(jī)兼容，這樣大大簡化了節(jié)點的硬件電路設(shè)計，減少程序的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的可靠性。
2.1 信號采集與處理
信號采集模塊用來檢測電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括：鉑電阻溫度傳感器、電流互感器、電極式液位傳感器。分別用來檢測電機(jī)三相定子的溫度、三相主電流、和電泵腔內(nèi)的水位，可以有效的監(jiān)測潛水電泵的過流、過熱、缺相、短路、滲漏等異常現(xiàn)象。
電流互感器選用的武漢華意電子有限公司的HYH-SK-7的電量傳感器，輸入為0～100A，輸出為0～5V信號，可以直接與微型控制器P87C591模擬信號輸入端口相連；電極式液位開關(guān)輸出的是開關(guān)量信號，經(jīng)過光電隔離后與T89C51CC01的數(shù)字量輸入口相連即可。溫度傳感器選擇的鉑電阻PT100，為了消除長線誤差和提高測量精度，采用的是4線制基于比率法的測溫接口電路。為了實現(xiàn)測量三相定子溫度的目的，采用了基于ICL7109和多路模擬開關(guān)的改進(jìn)型測溫電路[4]。
2.2 狀態(tài)顯示模塊
圖3 狀態(tài)顯示電路圖
狀態(tài)顯示模塊采用工業(yè)上常用的七段數(shù)碼管（LED）實時顯示潛水電機(jī)運(yùn)行過程中定子的溫度和電流值。比起液晶顯示器，LED具有抗干擾能力強(qiáng)、成本低、亮度高等特點。共有9個共陽極數(shù)碼管分成３組，每組數(shù)據(jù)為２位整數(shù)１位小數(shù)。正常模式下顯示三路溫度，設(shè)置模式下，顯示停機(jī)溫度、報警溫度和CAN網(wǎng)絡(luò)站號。CD4094是帶三態(tài)鎖存功能的8位移位寄存器。T89C51CC01的串行口工作在方式0下，TXD為CD4094提供位移時鐘，RXD輸出顯示數(shù)據(jù)，P1.7控制是否允許CD4094輸出并行數(shù)據(jù)。狀態(tài)顯示電路如圖３所示。
2.3 CAN總線通信接口
CAN總線通信接口電路主要由T89C51CC01的片內(nèi)CAN驅(qū)動器、ADuM1201高速數(shù)字隔離器、CAN收發(fā)器PCA82C250組成。T89C51CC01完成CAN協(xié)議的應(yīng)用層功能；CAN驅(qū)動器完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能；PCA82C250提供了對總線差動發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的功能。
為了提高抗干擾能力，系統(tǒng)中采用雙路電源模塊供電，在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離器件，CAN總線通信接口原理圖如圖4所示。采用ADuM1201高速數(shù)字隔離器替代傳統(tǒng)的光電耦合器（如6N137），簡化了電路，極大的降低了功耗，有效地提高了總線的抗干擾能力，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。
圖4 CAN通信接口原理圖
2.4 CAN總線通信程序設(shè)計
智能保護(hù)器的通信程序采用CAN總線2.0A協(xié)議，通信模塊的程序主要包括：初始化子程序、報文接收子程序、報文發(fā)送子程序三部分。其中初始化子程序是實現(xiàn)通信的關(guān)鍵，它主要用來完成CAN控制器工作方式的選擇，即對T89C51CC01中CAN控制器控制段中的寄存器進(jìn)行設(shè)置。初始化過程是在CAN控制器復(fù)位模式下完成的[5]。
圖5 發(fā)送程序流程圖 圖6 接收程序流程圖
智能保護(hù)器通過CAN總線與監(jiān)控計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換是通過發(fā)送程序和接收程序?qū)崿F(xiàn)的。發(fā)送程序流程如圖5所示，系統(tǒng)中的每個保護(hù)器節(jié)點采用定時中斷的方式主動向監(jiān)控計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。這是利用了CAN總線可以采用多主機(jī)方式通信的特點。由于實時監(jiān)控功能是由各個控制節(jié)點完成，而監(jiān)控計算機(jī)主要起到管理功能，所以采用了定時上傳數(shù)據(jù)的方法，而沒有實時上傳所有的傳感器采集到的數(shù)據(jù)，從而減輕了總線負(fù)擔(dān)。這也是分布式控制方法相對于集中控制方法的一個優(yōu)點。圖6為接收程序流程圖，接收緩沖區(qū)用來存放CAN總線上發(fā)來的數(shù)據(jù)，CPU讀取數(shù)據(jù)后接收緩沖區(qū)將被清空，等待接收新的數(shù)據(jù)。
3 監(jiān)控中心
監(jiān)控中心由一臺高性能的計算機(jī)和一臺打印機(jī)構(gòu)成。監(jiān)控計算機(jī)內(nèi)置研華公司的雙端口CAN總線通信適配卡PCI-1680 實現(xiàn)CAN與PCI總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。通信卡提供了基于VB、VC的驅(qū)動程序（函數(shù)），為監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計提供了方便。本系統(tǒng)采用基于VC++的MFC窗口技術(shù)和CAN-PC卡的驅(qū)動函數(shù)進(jìn)行監(jiān)控軟件的編程，設(shè)計出直觀、易于操作和管理的人—機(jī)交互界面（HMI）。
監(jiān)控計算機(jī)的軟件主要分為用戶應(yīng)用層（即：HMI）、數(shù)據(jù)分析處理層、數(shù)據(jù)存儲及硬件設(shè)備驅(qū)動層四個組成部分，各部分的相互關(guān)系如圖7所示。
圖7 監(jiān)控計算機(jī)功能構(gòu)成圖
硬件設(shè)備驅(qū)動層通過PC-CAN通信卡建立監(jiān)控計算機(jī)與CAN總線的連接，并與現(xiàn)場的潛水電泵智能保護(hù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；數(shù)據(jù)分析處理層完成CAN總線數(shù)據(jù)的接收、分類、判斷、處理、發(fā)送、存取操作等任務(wù)；用戶應(yīng)用層和用戶需求緊密相關(guān)，它主要完成的任務(wù)是為用戶提供顯示各類信息的監(jiān)控界面，進(jìn)行人機(jī)交互。實現(xiàn)的功能包括：（1）對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，記錄并顯示各個監(jiān)控節(jié)點工作狀況；（2）記錄當(dāng)天的工作情況并保存到一個以日期命名的文件中，便于管理和查詢；（3）通過廣播的方式或點對點的方式設(shè)置監(jiān)控節(jié)點的工作參數(shù)；（4）記錄電機(jī)出現(xiàn)異常時的錯誤信息，并發(fā)出報警信號，通過錯誤代碼可以查找出錯原因，便于系統(tǒng)維護(hù)；（5）數(shù)據(jù)查詢與打印。
4 結(jié)論
本文設(shè)計的基于CAN總線的潛水電泵機(jī)群故障檢測與智能監(jiān)控的分布式系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，智能保護(hù)器可以對潛水電泵運(yùn)行過程中出現(xiàn)的過流、過熱、短路、滲漏情況做出處理，對潛水電泵起到了保護(hù)作用；可以通過現(xiàn)場設(shè)置模塊修改CAN節(jié)點的參數(shù)；保護(hù)器與監(jiān)控計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠；通過監(jiān)控計算機(jī)可以查詢網(wǎng)絡(luò)中各個潛水電泵的運(yùn)行狀態(tài)。實驗表明了該系統(tǒng)的適用性和可靠性，達(dá)到了設(shè)計要求，開發(fā)過程中所提出的技術(shù)方案和實現(xiàn)方法可以在分布式監(jiān)控系統(tǒng)及工業(yè)底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計中推廣應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
[1] 陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,1999.
[2] 韓志學(xué)，張興周，田金超.一種高可靠性與實時性 CAN總線通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計[J],計算機(jī)測量與控制，2006年第８期:1907-1909.
[3] Atmel公司.Enhanced 8-bit MCU with CAN Controller and Flash [Z]. Atmel公司，2005.
[4] 楊永竹. 比率法鉑電阻測溫及其在蒸汽計量中的應(yīng)用[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2005年第4期:745-747.
[5] 饒運(yùn)濤,鄒繼軍,鄭勇蕓. 現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué),2003.
附：作者聯(lián)系方式
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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