基于组态软件的大功率电机运行状态监测系统设计

中 文 摘 要 - I- 摘 要 大功率电机都是具有长期连续工作的特点。不仅要求他要有良好的控制能 力，又由于其工作环境的不同，因此对其电机必须有欠压、过载、单相、短路 等保护措施，同时还要对其运行状态进行实时监测。 组态软件可以满足用户的自主开发，系统拥有大量控制设备和过程监控装 置间的通讯 I/O 接口设备，不需要单独进行具体电路设计，也不需要用户掌握 太多的编程语言技术。此次开发，我们采用了北京亚控科技发展有限公司推出 的组态王电力版（6.53）进行大功率电机运行状态监测系统组态工作，来实现 现场各种数据的采集、处理和记录及报警、打印各种表图等。本文首先介绍了 DCS 及组态的相关基本概念，然后从监测系统总体结构出发，详详细细的分析 了系统的功能要求，给出了系统的总体设计方案。并对本次设计所应用的软件 进行了分析和介绍，重点突出了应用组态王所设计的监测画面。 本系统通过动态直观的现场状态显示界面，方便快捷的对现场情况进行监 测，使系统动态的跟随现场条件而变化，降低了操作人员的技术要求，完善了 控制过程，使得控制更加的自动化，并且避开了一些危险的动作。 关键词：大功率电机运行状态检测系统，DCS，组态软件，组态王 Abstract - II- Abstract High-power motor has the characteristics of long-term continuous work. That need it have a good ability to control. Due to its working environment is multiple，so the motor must have under-voltage, overload, single-phase and short circuit protection measures. At the same time, its running status should be monitoring in real-time. Configuration software can meet the users own development. System has a large control equipment and process monitoring device communication between the I/O interface devices. In this development, we adopted the kingview electric power version (6.53) produced by Beijing Yakong Company for high-power motor condition monitoring system software configuration, to achieve the grid work of data collection, treatment and records and alarm, print various chart, etc. This paper introduced some basic concepts of the DCS and configuration firstly. And then from the monitoring system of the overall structure, we analyzed the function of the system requirements and given the overall design scheme of the system. This paper also analyzed and introduced the software in our system, especially the monitoring picture designed by kingwiew. The system through the dynamic status display interface to monitor the situation on the spot conveniently and quickly, which can change dynamically with the site conditions. That will reduce operating requirements of personnel, perfect the control process, make more automation and avoid some dangerous movement. Key words: high-power motor condition monitoring system, DCS , configuration software, kingview. 目 录 - III- 目 录 摘摘 要要 I ABSTRACT（英文摘要）（英文摘要） . II 目 录 .III 第一章 绪论. 1 1.1 课题背景及意义.1 1.2 课题国内外研究现状.1 1.2.1 电机状态监测的发展现状.2 1.2.2 DCS 简介 .2 1.2.3 组态软件的发展 .3 1.3 章节安排.6 第二章 软件选择与总体结构设计 8 2.1 大功率电机运行状态监测系统需求分析 8 2.2 软件要求.8 2.3 课题的总体结构设计.9 第三章 数据采集通讯 11 3.1 温度传感器.11 3.2 震动传感器.13 3.3 位置传感器.15 3.4 数据通信.16 第四章 组态界面设计 19 4.1 系统主界面.19 4.2 实时趋势曲线.21 4.3 历史趋势曲线.22 4.4 实时数据报表.23 4.5 历史数据报表.24 4.6 报警窗口.26 目 录 - IV- 结 论 27 参考文献 29 致 谢 30 第一章 绪 论 - 1- 第一章 绪论 1.1 课题背景及意义 自 19 世纪初发明电机以来，由于电能使用方便和电动机性能优良，电机 技术得到了迅速发展1。100 多年来，相继出现了很多形式的电机，应用十分 方便，将人们从繁重的体力劳动中解脱出来，从而推进和完成了人类历史上第 二次工业革命。 现在，电动机的应用面广量大，使用环境多样，负载型职业不尽相同，电 动机故障时有发生，特别是大功率电机，由于其工作时间长，且常工作于恶劣 环境中，增加了电机及相关设备的故障发生率。电动机故障不仅影响了电机本 身，有时可能对所驱动的负载造成很大影响，入一台生产线上的关键电机发生 故障可能是整个生产线停工或生产出大量废品。 因此，为了保证电动机的正常运行，应对电机故障进行分析，并对电机运 行状态进行实时监测，做到防患于未然。 随着计算机技术的发展，给电机运行状态的遥感、遥测、遥控、数据通信， 带来了极大的方便。 组态软件是标准化、规范化、商品化的通用工控开发软件，只需对其标准 功能模块的软件组态和简单的编程，就可以设计出标准化、专业化的上位机界 面工控程序。 监控显示是电机监控系统的重要组成部分，集数据采集、显示、控制、通 信等功能于一体，是电机监控系统的最终实现工具。随着计算机技术和通信技 术的发展，人们对电机监控系统的要求越来越高。因此，电机监控系统成为满 足电机监控自动化发展的必然选择。运用组态软件实现的电机运行状态监控系 统，工作人员只需要简单地进行相应的参数组态工作，就能够实时、直观了解 和监控整个电机及相关设备的运行情况。 第一章 绪 论 - 2- 1.2 课题国内外研究现状 1.2.1 电机状态监测的发展现状 自 20 世纪 90 年代以来，状态监测技术的应用与发展已成为电机应用过程 中最重要的任务之一。这基于以下三方面的原因：第一，工作现场的电气设备 的安全运行非常重要，若电机或其连接的任何电气设备出现故障都会给运行系 统带来极大危害。现如今大多数工厂的动力都是由各式各样的电机提供的，在 当下竞争日益激烈的大环境下，任何经济上的损失都会对企业带来极大冲击。 电机等电气设备本身是工厂的贵重资产同时消耗着大量维护费用。状态监测技 术的应用可以避免意外停机，很大限度上降低了事故发生率、减少了维护费用、 延长了机器寿命，实现了效益最大化。第二，有人工厂中电气设备的安全运行， 也保障了工作人员的人身安全和安全生产，工业生产中时有因电气设备故障而 伤人的现象发生，状态监测技术的应用可以有效避免此类事故的发生。第三， 人工智能技术、计算机技术、信号处理技术及传感器技术的发展使对电机等电 器设备的运行状态的实时检测成为可能。随着科技的进步，电机等电气设备的 状态检测技术将迎来广阔的发展前景。 当前，状态监测技术在国内外都已认识到它的重要性及广阔的发展前景， 许多知名公司、研究院多开发了多种产品，并投入市场，如德国的 PRUFTECHNIK 公司，法国的 ALSTOM STRONGWISH 公司均开发有自己的 状态监测软件。国内的，北京航天智控监测研究院开发的 AIC9908 设备故障综 合诊断系统等。 系统的应用与研究中发现，下一代状态监测系统的方向应具有高灵敏度、 高可靠性、高智能性和价廉的特征，并且，小波变换、神经网络和专家系统将 得到特别的重视。先进的信号处理技术及人工智能技术是新型状态监测系统发 展的关键2。 1.2.2 DCS简介 DCS 是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内 自控行业又称之为集散控制系统。即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中 第一章 绪 论 - 3- 称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统， 它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过程控制级和 过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、 显示和控制等 4C 技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置 灵活以及组态方便。 从结构上划分，DCS 包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控 制站、I/O 单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包 括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理 信息系统（MIS 系统），作为 DCS 更高层次的应用，目前国内纸行业应用到这 一层的系统较少3。 DCS 的控制程序：DCS 的控制决策是由过程控制站完成的，所以控制程序 是由过程控制站执行的。 过程控制站的组成： DCS 的过程控制站是一个完整的计算机系统，主要 由电源、CPU（中央处理器）、网络接口和 I/O 组成。 I/O：控制系统需要建立信号的输入和输出通道，这就是 I/O。DCS 中的 I/O 一般是模块化的，一个 I/O 模块上有一个或多个 I/O 通道，用来连接传感器 和执行器（调节阀）。 I/O 单元：通常，一个过程控制站是有几个机架组成，每个机架可以摆放 一定数量的模块。CPU 所在的机架被称为 CPU 单元，同一个过程站中只能有 一个 CPU 单元，其他只用来摆放 I/O 模块的机架就是 I/O 单元。 1.2.3 组态软件概况 1.组态软件的发展 分布式控制系统(DCS,又称集散式控制系统)的出现和发展，催生了“组态” (Configuration)这个概念。组态，即利用软件工具对计算机及其软件的各种资 源进行配置，使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足特定应 用要求。组态软件是面向监控与数据采集(SCADA，即 Supervisory Control And Data Acquisition)的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能 第一章 绪 论 - 4- 强大4。利用组态软件，工程技术人员只需进行简单的数据连接和配置操作， 就能实现监控主机与现场智能仪表设备进行数据通信和远程遥控的目的。 组态软件最早出现时，人机接口 HMI( Human Machine Interface)是其主要 内涵，随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开 放数据接口、对 I/O 设备的广泛支持己经成为它的主要内容。随着技术的发展， 组态软件还将会不断被赋予新的内容5。20 世纪 80 年代，美国的 WonderWare 公司率先推出了世界上第一个商用组态软件 Intouch，此后，组态 软件在全球得到了蓬勃发展。目前，世界上有影响力的组态软件有几十种之多 6(见表 1-1)，总装机量有近百万台。伴随着社会的发展和信息化的加速，组 态软件还将在工业监控领域扮演越来越重要的角色，未来的发展前景十分看好。 表 1-1. 世界著名组态软件及厂商 软件名称公司名称国别 IntouchWonderware美国 FIXIntellution美国 WinCCSiemens德国 CitenCiten澳大利亚 早在 2 0 世纪 90 年代初期，国外组态软件就陆续登陆中国市场。当时的 工业自动化水平对软件的要求不高，国内对组态软件了解不多，而且软件本 身价格昂贵，大多数用户无力购买，从而导致组态软件在我国的推广经历了 一段困难期。随着计算机技术在我国行业内的广泛应用，工业自动化水平的 不断提高，大 家对工业自动化的需求也逐渐增加。组态软件的技术趋于成 熟，国内一些软件企业纷纷推出自己的组态软件产品，如三维力控、亚控 “组态王”、昆仑通态 MCGS 等等，与国外的软件企业一起促进组态软件 市场的不断扩大成熟。组态软件的通用性、开放性、功能强大和方便维护等 第一章 绪 论 - 5- 特点得到越来越多的认可。目前组态软件在各工业领域已经得到了广泛的应 用7。 2.组态软件的功能特点 组态软件最突出的特点是实时多任务。数据采集与输出、数据处理与算法 实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任 务要在同一台计算机上同时运行。组态软件的使用者一般是工业自动化工程的 现场技术人员，使用组态软件的主要目的是让使用者在生成适合特定工程需要 的监控系统时不需要修改软件程序的源代码，只通过简单的组态操作，就可以 立即在现场得到可以运行的监控软件程序。因此，组态软件的设计要面向自动 化工程技术人员的基本需求，主要解决以下一些共性问题: 1) 如何与数据采集、控制设备进行数据交换。使来自设备的数据与计算机 图形画面上的各种元素关联起来； 2) 处理数据报警及系统报警； 3) 存储历史数据并支持历史数据的查询.各种报表的生成和打印输出； 4) 灵活、方便的组态工具，以适应不同应用领域的需求； 5) 具有与第三方程序的接口，即 WEB 发布，以方便数据共享。 自动化工程技术人员在使用组态软件时只需要填写一些实现设计的表格或 文件，再利用图形功能把被控对象(如智能电表、趋势曲线、报表等)形象地绘 制出来，通过内部数据连接把被控对象的属性与 IO 设备的实时数据进行逻辑 连接。当组态软件生成的应用系统投入运行后，与被控对象相连的 I/O 设备的 数据发生变化，会直接导致被控对象的属性变化8。若要对应用系统进行修改， 也十分方便，这就是组态软件的方便灵活性。由此可以看出，组态软件具有实 时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、运行可靠等特点。 3.组态软件的发展趋势 第一章 绪 论 - 6- 随着组态软件技术的不断成熟完善，组态软件的功能在很大程度上已超出 以前单一的数据采集和显示，许多新出现的标准化技术不断被应用到监控组态 软件中。总的发展趋势可归结为以下三点: (1) 向高端的大型软件平台发展，如向 ERP 和 CIMS 系统融合、集成，直 接为企业的生产、管理、经营和服务等各方面提供有效的现场数据，方便管理 和分析，实现信息共享和集成。 (2)能够同时兼容多种操作系统平台，为用户提供更多更好的选择。目前的 组态软件绝大多数都是运行在 Microsoft Windows 系统下。随着 Linux 操作系统 的日益成熟，未来一段时期将可能是 Windows, Unix, Linux 三大操作系统并存 的情况。具有跨平台能力的组态软件无疑具有更为强大的生命力和更为广泛的 应用性。 (3)提供嵌入式的整体解决方案。这其中包括嵌入式的 HMI，对现场控制设 备的数据采集及监控:与大型设备的紧密集成，利用 Internet 技术的远程诊断、 维护和管理现场设备，使设备更具智能化9。 1.3 章节安排 本文的章节安排如下： 第一章 绪论 介绍了电机及其周边设备运行状态监测的背景及意义，国内外相关课题的 发展现状。此外，还介绍了 DCS 及组态软件发展状况、特点等。最后，列出了 课题的研究工作及章节分布。 第二章 软件选择与总体结构设计 本章首先概述了大功率电机运行状态监测系统的要求及组态王软件能实 现相关功能，做出了软件选择。 其次根据系统的具体要求给出了系统总体 结构框图。 第三章 数据采集通讯 本章根据具体的要求，通过 对数据采集的实现、数据通讯的实现的分析， 第一章 绪 论 - 7- 给出了实现数据采集通讯所需要的传感器的类型和型号，尤其对他们所能实 现的功能做了详细说明，最后给出了通信网络层次和通信接口。 第四章 组态界面设计 本章详细介绍了基于组态王软件所设计的 大功率电机运行状态监测系 统操作界面，主要有： 系统监测主界面 、实时数据趋势曲线、历史数据趋 势曲线、数据实时报表、历史数据报表 、报警窗口 等界面。 第二章 软件选择与总体结构设计 - 8- 第二章 软件选择与总体结构设计 本章分析了大功率电机运行状态监测系统的功能需求，介绍了组态软件所 能实现的功能及组态软件的最终选择，给出了本次课题的总体结构设计框图。 2.1 大功率电机运行状态监测系统需求分析 系统面向电机运行室，主要包括主电机、升速箱、压缩箱。室内采用现场 总线机制，所有的智能设备都与总线相连，监控主机也与总线相连，从而实现 智能设备与监测主机的数据通信。大功率电机运行状态监测系统安装并运行在 现场监测主机上，它负责与现场的智能设备进行数据交换，以实现对现场运行 状态的实时监测。 2.2 软件要求 根据电机运行室监测的基本要求，监测软件需要具有以下功能: (1) 数据通信。包括与现场监测主机、现场智能监测设备的通信。 (2) 数据监测。实时监测现场多组数据的变化并做好相应记录。 (3) 现场数据采集装置的安装和操作。如各种传感器选择与安装及实现与 软件的通信。 (4) 数据分析和整理等功能. 对通信采集的原始数据进行加工处理，并进行 各种累计和统计运算，得到现场设备运行状态的监测信息10。 (5) 历史数据的查询。事件顺序记录和事故追忆有利于对事故的分析和处 理。电机等现场设备故障时，能够将上报的异常状态变化的时间事件顺序地存 储，并能打印。 (6) 报警功能。当现场某装置的运行状态发生异常时，具有画面报警功能。 (7) 接线图编辑设计功能。通过编辑好的一次主接线图直观地显示生产状 况。 (8) 打印功能。本系统提供多种打印功能，可将所关心的数据、图形、报 第二章 软件选择与总体结构设计 - 9- 表打印出来。可打印的内容：各种报表、各种告警信息、事故追忆、各种表格 (操作记录，事件记录等)、设备参数历史数据。 (9) 安全管理功能。为保证数据及操作等的安全，根据操作的内容和对象 将系统的操作权限分级管理11。 现场工程师在使用组态软件时只需要进行数据组态，再在图形组态环境下 把被监测对象（如温度、振动等）形象地画出来，通过内部数据连接把被控对 象的属性与 I/O 设备的实时数据进行逻辑连接。在不同的设备之间，只需要分 别进行相应的数据组态和图形组态工作，就能够实现针对具体需求的状态监测 功能，功能多样，灵活方便，特别适合大功率电机运行状态监测系统的要求12。 北京亚控科技发展有限公司生产的组态王组态软件功能强大，能实现以上 所有功能。因此，组态王作为设计电网监控系统的首选。 2.3 课题的总体结构设计 该系统通过 PLC 对主电机、升速器、压缩装置的震动、温度 等参数的 数据采集并实现数据的数字化，然后由PLC 将数据传送至 PC 机的组态软件， 实现对设备状态的检测；进一步有相关技术人员通过PC 机修改相关数据来 改变 PLC 数据，再有 PLC 实现对设备状态进行控制 ，系统框图如下（图 2- 1）。 第二章 软件选择与总体结构设计 - 10- 主电机 升速箱 循环压缩箱 PLC PC 机 组态软 件 图 2-1 系统结构框图 根据本次设计 的要求，可用一个组态王界面完成监测设备的显示，可 由相关连接转入其他数据显示窗口 。 界面中要显示所设计系统中要监测的装置：大功率主电机、升速变速箱、 循环压缩箱。同时界面中 8 个数据显示窗口分别显示了，电机最高温度、电机 主轴最大振幅、变速箱最高温度、变速箱变速轴最大振幅、压缩箱最高温度、 压缩箱主轴最大振幅、压缩杆距左、右边最短距离。并设计了多个按钮和菜单， 以方便切换到实时趋势曲线、历史趋势曲线、实时数据报表、历史数据报表、 报警等界面。 第三章 数据采集通讯 - 11- 第三章 数据采集通讯 3.1 温度传感器 目前，市场上的温度传感器各式各样，功能也不尽相同。本次设计用到两 种温度传感器，一种是武汉优斯特传感科技有限公司生产的电机专用温度传感 器 HICTS08，用于主电机温度的采集。另一种是厦门惠德尔自动化科技有限公 司生产的抗震温度传感器 TR/02022 抗震型拧入式热电阻温度传感器 DOCOROM，用于变速箱和压缩箱的温度采集。 电机专用温度传感器 HICTS08 简介： 图 3-1 HICTS08 设计 -铂电阻元件绕在玻纤环氧体内 -可承受 20bars 压力 标称值 -在 0时，阻值：100 欧姆 -温度系数 a3850ppmK 误差等级 -据 DINIEC751 或 NFC42-231，A 级或 B 级 温度范围 第三章 数据采集通讯 - 12- -从-20至180 电性能 -测量电流从 0.1mA 至 5mA -绝缘电阻大于等于 1000MW -电介质强度： -5000V：在粒状铅中，50Hz60s 不击穿（CPME685） -5000V：在盐水中，50Hz60s 不击穿（CPME705and805） -3000V：在盐水中，50Hz60s 不击穿（CPME725） 导线 -3 条缠绕 CuAg 线 -PTFE 绝缘 -AWG30（CPME685 和 725），AWG26（CPME705）， AWG22（CPME805） -标准长度：5 米 抗震温度传感器 TR/02022 抗震型拧入式热电阻温度传感器 DOCOROM 简 介： 图 3-2 DOCOROM 第三章 数据采集通讯 - 13- 应用领域：风电设备、发动机、压缩机、工业工程系统，环境检测、造 船行业，工程机械，航空航天工业 型 号：TR/02022 抗震型拧入式热电阻 精度等级：PT100.PT10000，DIN Class C(0.5)、B（0.3）、A(0.15)、 AA(1/3B 0.1)、3A(1/10B 0.03) 测量范围：-70400 保 护 管： 3.3mm ， 4mm ， 5mm ， 6mm， 8mm 过程连接：G1，G1/2，G1/4，1/4NPT，1/2NPT，M20 1.5，M27 2 连接电缆：耐高温低阻电缆，PVC，硅胶，电缆 PTFE（铁氟龙）金属 云母线缆 输出信号：RTD 铂电阻，二线，三线，四线 可选项目：可选双支铂电阻，保护管材料 316 不锈钢，铜管 温度传感器：测量范围-70 到 500,选单支或双支，及各类精度等级铂电 阻，多种接线盒可选，可选一体化温度变送器，并输出多种信号方式如 4- 20mA,0-5V,0-10V 等.多种螺纹规格及保护管材质可选。 3.2 震动传感器 对于震动检测我们采用电涡流位移传感器变送器-SE。 SE-08 电涡流传感器简介： SE-08 型电涡流传感器是由 SE 型前置放大器和电涡流探头组合构成，它是 一种趋近式传感系统。其长期工作可靠性好，灵敏度高，抗干扰能力强，采用 非接触测量，响应速度快，耐高温。能在油、汽、水等恶劣环境下长期连续工 作。检测不受油污、蒸汽等介质的影响。已广泛应用于电力、石化、冶金、钢 铁、航空航天等大中型企业。对各种旋转机械的轴位移、振动、转速、胀差、 偏心、油膜厚度等进行在线监测和安全保护。为精密诊断系统提供了全息动态 第三章 数据采集通讯 - 14- 特性，有效地对设备进行保护。电涡流位移传感器系统主要包括探头、延伸电 缆（可选）、前置器和附件。线性范围宽、动态响应好、抗干扰能力强13。 图 3-3 电涡流位移传感器变送器 -SE 技术指标: 直径探头：40 mm 线性范围：22 mm 灵敏度：0.6 V/mm 工作温度范围：探头延伸电缆-40150 前置器-40+65 线性误差： 2% 频率响应：010 khz 电源 ：-24Vdc 或+24Vdc 输出电流：4-20mA 负载: 500 传感器电阻: 2-10 (一般 5.4 ) 最大输出电压: 约-22Vdc (-24Vdc 电源供电时) 第三章 数据采集通讯 - 15- 耗电量: 30 ma 安装螺纹：M221.5 3.3 位置传感器 位置传感器采用 AMT 磁致伸缩位移传感器-RFC0350MS1G21。 图 3-4 RFC0350MS1G21 产品特点： 具有抗干扰能力强、许用温域宽（-40-+85）、非接触测量、替换方便、 智能诊断等优点；产品量程可达 7600mm。适用于测量行程大且替换空间狭窄 的使用场合。产品采用柔性测杆既可以实现直线位移测量，也可以实现曲线位 移测量，相比较刚性测杆产品，RF 系列一方面大幅缩小替换安装所需的空间， 另一方面也减小了运输的困难。 测量范围: 500-10000mm 输出信号: 420mADC; 010VDC 分 辨 率: 16 位 D/A 非线性度: 0.02F.S.(最小100m) 重复精度: 0.001F.S.(最小1m) 第三章 数据采集通讯 - 16- 响应频率：与量程相关 工作电压：24VDC （-15/+20%） 工作温度：- 40+85 防护能力：未加保护管时 IP30，装入后，电子头部分：IP67，测杆耐压： 35MPa 连续/70MPa 峰值 安装方式：传感器本体与测杆间为两个 M4X59 螺丝，测杆内置安装， M18X1.5 螺纹 3.4 数据通信 本设计采用总线型网络拓扑结构，以便于实现多室监测，采用 RS-485 通 信方式。整个系统分为三个层次，即监控层、通信层、现场设备层14。具体 功能如表 3-1。 表 3-4 监测系统的层次结构 监控层监测系统运行环境 通信层通信端口 用户协议 现场设备层各种运行及检测设备 RS-485 通信接口它具有以下特点： 1、RS-485 的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（0.26）V 表示； 逻辑“0”以两线间的电压差为-（0.26）V 表示。接口信号电平比 RS-232-C 降 低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与 TTL 电平兼容，可方便与 TTL 电路连接。 2、RS-485 的数据最高传输速率为 10Mbps。 3、RS-485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增 强，即抗噪声干扰性好15。 第三章 数据采集通讯 - 17- 4、RS-485 最大的通信距离约为 1219M，最大传输速率为 10Mb/S，传输速 率与传输距离成反比，在 100Kb/S 的传输速率下，才可以达到最大的通信距离， 如果需传输更长的距离，需要加 485 中继器。RS-485 总线一般最大支持 32 个 节点，如果使用特制的 485 芯片，可以达到 128 个或者 256 个节点，最大的可 以支持到 400 个节点16。 因 RS-485 接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上 述优点就使其成为首选的串行接口。因为 RS-485 接口组成的半双工网络一般 只需二根连线，所以 RS-485 接口均采用屏蔽双绞线传输。 RS-485 接口连接器 采用 DB-9 的 9 芯插头座，与智能终端 RS-485 接口采用 DB-9（孔），与键盘 连接的键盘接口 RS-485 采用 DB-9（针）17。 RS-485 总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 RS-485 串行 总线标准。RS-485 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。 加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至 200mV 的电压，故传输信号能在 千米以外得到恢复。 RS-485 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于 发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485 用于多点互连时非 常方便，可以省掉许多信号线18。 RS-485 数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线， 将其中一线定义为 A，另一线定义为 B。通常情况下，发送驱动器 A、B 之间 的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2V6V，是另一个逻辑状态。 另有一个信号地 C，在 RS-485 中还有一“使能”端，“使能”端是用于控制发送驱 动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态， 称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态19。 RS-422 可支持 10 个节点，RS-485 支持 32 个节点，因此多节点构成网络。 网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网 络时，应注意如下几点： 1、采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节 点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。 第三章 数据采集通讯 - 18- 2、应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。 下列几种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一 段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。总 之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线20。 由于硬件设备不全，本次设计是在虚拟环境中进行的。 第四章 组态界面设计 - 19- 第四章 组态界面设计 本章节是论文的重点，决定着整个系统的成败。本章中详细介绍了基于组 态软件整个系统的开发设计。其中包括，系统主界面、实时趋势曲线、历史趋 势曲线、实时数据报表、历史数据报表、报警等界面。下面通过具体的演示， 来介绍我所设计的基于组态软件的大功率电机运行状态监控系统。 4.1 系统主界面 打开组态王，进入系统主界面，如图 4-1。 图 4-1 系统主界面 该界面是工作的主界面，通过该界面工作人员可以直观的了解到现场电机、 升速箱、压缩箱的运行情况，实时的观测到现场设备的最高温度、最大振动情 况、以及压缩杆的运动情况。 画面中所用到部分程序： if(本站点主电机=0) 第四章 组态界面设计 - 20- 本站点压缩杆=0; if(本站点主电机=1) if(本站点压缩杆=50) 本站点压缩杆 1=100-本站点压缩杆; 现场设备需要检测的温度、震动、位置三类数据，共 42 个数据，具体如 表 4-1 所示。主电机温度 7 个，主电机震动 4 个，变速箱温度 8 个，变速箱震 动 8 个，压缩箱温度 8 个，压缩箱震动 4 个压缩杆位置 3 个。 表 4-1 监测参数 主电机温度7 个 主电机振动4 个 变速箱温度8 个 变速箱震动8 个 压缩箱温度8 个 压缩箱震动4 个 压缩杆位置3 个 第四章 组态界面设计 - 21- 如果工作人员需要更详细的数据信息，可通过界面中的两个下拉菜单和三 个连接按钮切换到其他界面，包括实时趋势曲线、历史趋势曲线、实时数据报 表、历史数据报表、报警界面。 最后，右上角设置了日期和时间显示功能，方便工作人员作好记录。点击 右下角的退出按钮，可以退出运行系统。 4.2 实时趋势曲线 本次设计中一共有 12 个实时趋势曲线的画面，包含了 42 个数据的实时趋 势的变化状态，在主界面中单机“实时曲线”下拉菜单，选择我们想要看的趋 势曲线。如我们选择“主电机温度 1”我们进入到以下界面，图 4-2 所示。 图 4-2 实时趋势曲线 该界面为主电机温度实时趋势曲线 1，界面包括曲线趋势框、下拉菜单和 连接按钮及相关注释信息。 趋势曲线框中显示了在主电机中所取得四个点温度的实时变化趋势，分别 用了四种不同颜色的细实线表示。工作人员可以很清楚的观测到测量点的温度 第四章 组态界面设计 - 22- 变化情况，以便于做好现场工作装置运行情况的记录，并预防因温度过高而给 电机带来的故障。 为使本系统所有界面方便切换，在本次设计中的所有界面中，都设置了许 多下拉菜单和按钮，这样更曾强了工作人员的操作灵活性，提高了工作效率。 后续内容中见不再赘述。 4.3 历史趋势曲线 同样对应于实时趋势曲线有 12 个历史趋势曲线界面。记录了 42 个数据的 历史变化趋势，在主界面中单机“历史曲线”下拉菜单，选择我们想要看的趋 势曲线。如我们选择“主电机温度 1”我们进入到以下界面，图 4-3 所示。 图 4-3 历史趋势曲线 该界面为主电机温度历史趋势曲线 1，其中包括历史趋势曲线框、下拉菜 单和连接按钮及相关注释信息。 曲线框中显示了主电机中测量的对应于实时趋势曲线的历史趋势曲线，同 样用四种不同颜色的实线代表了四个点的温度测量值的历史变化趋势。 第四章 组态界面设计 - 23- 操作人员通过该界面可以方便的查询个监测点的历史数据以及数据的变化 趋势等。若需要对某一部分或某一段时间内的数据变化进行操作，操作人员拖 动鼠标选中目标区域，点击工具栏的放大、缩小即可，也可以根据需要拖动数 据游标查看数据、时间等的对应情况。若只想查看某一条曲线，可以在隐藏曲 线栏打对勾，把不需要的曲线隐藏，方便简单实用。同样的点击下面的数字可 以查看个监测点的历史数据变化。 4.4 实时数据报表 实时数据报表以表格的形式，全部显示了本次设计的 42 个数据。如图 4-4 所示。 图 4-4 实时数据报表 该界面为实时数据报表界面，由报表数据框和一些下拉菜单及连接按钮组 成。报表数据框中分行显示了本次设计的 42 个数据的动态变化。 第四章 组态界面设计 - 24- 在实时数据报表界面中，增设了文件保存、打印预览及打印的快捷按钮， 这是由于报表格式方便动作人员观测与记录，及时的对相关文件做出保存，对 工作人员显得十分重要。必要时工作人员还可以打印出相关的报表材料。 用到的相关程序： string sfname;/定义变量利用系统的秒来保存报表 /StrFromReal( 本站点$秒, 0,“f“ )/将实数转换为字符串 sfname=“C:Documents and SettingsAdministrator桌面大功率电机数据报 表“+StrFromReal( 本站点$秒, 0,“f“ )+“.xls“;/保存地址及文件名 ReportSaveAs(“report0“,sfname);/保存报表的函数 4.5 历史数据报表 图 4-6 历史数据查询过程 第四章 组态界面设计 - 25- 当我们打开历史数据报表时，我们会先看到历史数据报表的原始界面。并 不会直接看到历史库中的数据当我们要查看历史数据的记录情况时，我问可以 按下“历史数据查”询按钮进行选择我们要查看的历史数据记录。下面以查看 主电机的所有温度的测量值的历史记录为例来进行操作说明。 按下“历史数据查询”按钮在选择“变量选择”，再按下按钮“历史库变 量”。然后我们把主电机所测量的七个变量主电机温度 A、主电机温度 B、主 电机温度 C、主电机温度 D、主电机温度 E1、主电机温度 E2、主电机温度 E3 作为选择变量会显示如图 4-6 所示界面。 当我们单击确定按钮时，会看到我们要查询的关于主电机温度的数据。如 图 4-7 所示。 4-7 历史数据报表 第四章 组态界面设计 - 26- 4.6 报警窗口 报警是一个系统必不可少功能，本设计主要报警是数据超限报警。例如， 温度的过高报警，震动振幅的过大报警及压缩杆位置过小报警。等都需要报警 提示工作人员进行相关参数的修改整定。 当我们在主界面上单机报警按钮时，会进入报警界面如图 4-7 所示。界面 中全面显示了所有测量数据动态变化及报警状态，界面中除了包括报警显示框 和相关的下拉菜单及连接按钮外，还另外设置 11 个数据显示框，分类显示了 测量的 42 个变量。 报警显示框中包括菜单栏和报警显示栏，通过菜单栏我们可以进行报警变 量的改变、报警变量高低的改变等。这样工作人员会把系统中测量的报警变量 分门别类的进行观测，并分别作好记录。然后及时的反馈给现场工作人员以便 于相关人员做好现场设备的安全调整。 图 4-7 报警窗口 结 论 - 27- 结 论 大功率电机运行状态监测系统是应用前景极其广阔系统，目前电力系统电 力设备大多仍采用的计划检修体制，存在着严重缺陷，尤其是电机系统应用广 泛，状态监测系统变得尤为重要。本次课程设计主要完成了以下的设计和开发 工作: 根据大功率电机运行状态监测系统的要求，给出了系统的总体设计思路。 数据采集通讯。经过对系统监测的数据及现场电气设备的分析最终确定了 监测温度、振动、位置传感器的型号。确定了系统网络通信的三个层次，即监 控层、通信层、现场设备层并选用的 RS-485 通信接口。 组态界面设计。这是设计成果的重点，也是最精心设计的部分。基于组态 软件的大功率电机运行状态检测系统的软件部分是由组态王开发的系统：包括 六种功能各不相同的界面，如下表。 表 系统软件界面功能 监控室主界面总览全局动态 实时数据趋势曲线显示变量的实时变化动态 历史数据趋势曲线显示变量的历史变化规律 实时数据报表显示数据实时动态信息，可以打印 历史