（机械电子工程专业论文）潜水电机变频及监控系统的设计及实现.pdf

曼。! 曼苎! 群兰苎鼍! 螋窖登鏊! 拦! 篁苎! 苎曼鼎! 曼燥! 舞皇苎葛! ! ! 苎曼 摘要 潜水电泵广泛应用于农田灌溉、高楼供水等工农业生产和社会生活中，般 都处于较为恶劣的工作环境中，其潜水电机比一般的电机更容易发生过流、缺相、 过热等故障，甚至烧毁，同时潜水电泵在运行过程中消耗大量的电能。本文针对 上述问题提出了种潜水电泵的变频及现场监控保护装簧，既对潜水电机进行故 障保护，提高其可靠性，同时又对其进行变频调速，实现恒压供水，提高其运行 效率，节约能源，在能源价格高涨的今天，节约能源能取得很好的经济效益。 潜水电泵的变频及现场监控保护装置是由对潜水电机进行故障保护的现场 控制器和对潜水电机进行变频调速的交流变频调速系统组成。现场控制器以 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为核心，通过传感器实现对水泵电机的电流、温度、水压、 液位等实时运行的参数进行采集监控，并对紧急情况进行报警或停机处理。交流 变频调速系统由变频器a c s 4 0 0 和潜水电泵出水管的压力传感器构成闭环控制 系统，实现电机变频调速，控制水泵的供水水压恒定，以达到节约能源的目的。 为了便于用户操作，实现远程监控，本文提出了基于p c i 通讯适配卡的上位 p c 机系统。上位p c 机通过p c i 通讯适配卡实现与现场控制器和变频器的远程 通讯。上位p c 机和现场控制器之间通过c a n 总线进行通讯，现场控制器采集 的运行数据通过c a n 总线传给上位机，由上位机保留并实时显示其运行的参数。 上位p c 机和变频器之间通过r s 4 8 5 总线进行通讯，上位p c 机通过r s 4 8 5 总线 设置其运行参数，并接收变频器当前运行的工况参数，并由p c 机实现实时监控。 上位机接收的潜水电泵的运行数据存入a c c e s s 数据库中。 综上所述，随着能源价格的飞涨，对广泛应用的水泵进行交流变频调速，将 是发展的趋势。本文提出的针对潜水电泵的变频及现场监控系统既对潜水电机进 行交频调速，又对其进行控制保护，实际运行表明，系统实时可靠，同时实现灵 活，即可以兼而有之，又可二者择一，具有很好的经济效益。 关键词c a n 总线；r s 4 8 5 ；p c i 总线；变频器；潜水电机 北京工监大学工学硕士学位论文 a b s t r l c t t h es u b m e r s i b l em o t o ri su s e df o rw a t e rp u m p i n gi nr i v e r s 、r e s e r v o i r s 、 t o w e r s 、 e t c ，a n di tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni n d u s t r y 、a g r i c u l t u r ea n d s o c i a ll i v e s s u b m e r s i b l em o t o ro f t e nw o r ku n d e rb a d c i r c u m s t a n c e ，a n d s u c hf a u l t sa so v e rc u r r e n t 、 a b s e n t l o o da 】1 de x c e s sh e a to c c u rm o r e f r e q u e n t l yt h a nn o r m a lm o t o r ，a n de v e ns o m e t i m e ss u b m e r s i b l em o t o rb u r n o u t | f l e a n w h i l es u b e r s i b l em o t o rc o n s u m ep l e n t yo fe n e r g yw h i l er u n n i n g f o rd e a l i n gw i t ht h e s ep r o b l e m st h i sp a p e rp u tu pad e v i c ew i t hw v fs p e e d c o n t r 0 1a n ds u p e r v i s i o no v e rs u b m e r s i b l em o t o r t h i sd e v i c ep r o t e c tm o t o r a n di m p r o v ei t sr e l i a b i l i t y ，a n dr e a l i z ev v v fs p e e dc o n t r 0 1o v e rm o t o r t op r o v i d ei n v a r i a b l ew a t e rp r e s s u r e ， i m p r o v ei t se f f i c i e n c ya n ds a v e e n e r g y ，t h i sh a sm a g n i t u d em e a n i n gf o rt h ee c o n o m y t h ed e v i c ec o n s i s t so ff i e l dc o n t r o l l e rw h i c hd r o t e c ts u b m e r s i b l e m o t o ra n dv v v fs p e e dc o n t r 0 1s y s t e m1 】r h i c hr e a liz ev v v fs p e e dc o n t r 0 1o v e r t h em o t o r t h ef i e l dc o n t r o l l e rw h i c hi sb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 1 2s a i n d l e ss u c h p a r a 皿e t e r sa sc u r r e n t 、t e m p e r a t u r e 、w a t e rp r e s s u r ea n dw a t e rl e v e lo f s u b m e r s i b l em o t o r ，a n dd e a l sw i t hu r g e n tc a s e s ，a n de v e ns t o p si t t h ev w f s p e e dc o n t r o ls y s t e mi sm a d eu po fat r a n s d u c e ra n daw a t e rp r e s s u r es e n s o r ， t h es y s t e mr e a l i z es p e e dc o n t r o lo v e rm o t o rt op r o v i d ei n v a r i a b l ew a t e r p r e s s u r e ， s 0a st os a v ee n e r g y f o rt h ec o n v e n i e n c eo fu s e ro p e r a t i o n ，t h i sp a p e rp u tu pap cs y s t e m w h i c hi sb a s e do nap c ic o 咖u n i c a t i o nc a r dt op r o v i d es u p e r v i s i o nf a r a w a y t h ep cc o 珊u n i c a t e sw i t hf i e l dc o n t r 0 1 l e r sa n dt r a n s d u c e r s t h ep c c o m m u n i c a t ew i t hf i e l dc o n t r o l l e r st h r o u g hc a nb u s ，f i e l dc o n t r o l l e r sp a s s r u n n i n gp a r a m e t e r st ot h ep c ， t h ep cs a v ea n dd i s p l a yt h e s ep a r 鲫e t e r s t h et r 8 n s d u c e r sr e c e i v et h es e t t i n go fp a r a m e t e r sf r o ma n dp a s st h er u n n i n g p a r 锄e t e r s t ot h ep c t h r o u g hr s 4 8 5b u s ，t h e p cd i s p l a y st h er u n n i n g p a r a m e t e r s t h ep cs a v er e c e i v e dp a r 锄e t e r si n t oa c c e s sd a t a b a s e s u mu pt h ea b o v e ，v w fs p e e dc o n t r o lo v e rs u b m e r s i b l em o t o ri st h e d i r e c t i o no fd e v e l o p m e n tw i t ht h ef l yo fe n e r g yp r i c e t h ep a p e rp u tu p ad e v i c ew h i c hp r o t e c ta n dv v v fs p e e dc o n t r o lo v e rm o t o r ，a n dr u n sw e l l a c t i v e l y ， a n dg e tg o o de c o n o m i cb e n e f i t 1 e y w o r d sc a n ；r s 4 8 5 ；p c i ；t r a n s d u c e r ；s u b m e r s i b l em o t o r i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 强选辇 日期：坐61 筮丑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：位选笨导师签名：邋日期：生i ! 幻 第1 章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 潜水电泵广泛应用于农田灌溉、矿山排水、湖区水利、高楼供水及其他工 农业给排水领域，在工农业生产中扮演了一个很重要的角色。但是因为潜水电泵 工作环境的复杂性，加上某些潜水电机的制造工艺等诸方面的原因，使其较一般 的电机更容易发生故障，如过载、过热、渗水、漏水等，都有可能导致潜水电泵 电机的烧毁。对潜水电机的谁常运行进行保护也就是间接地保护了水泵的正常运 行。所以一般潜水电机需要配有一定的保护装置。 为了有效的防止潜水电机的烧毁及安全合理的控制单个或群体潜水电机的 正常运行，开发一种性能稳定、保护种类齐全、动作速度快、可靠性好、通用性 好、成本低的网络化潜水电机监控系统十分必要。 用户用水的多少是经常变动的。因此供水不足或供水过乘的情况时有发生。 而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压 力大；用水少而供水多，则压力大。例如，楼宇供水系统在做饭、洗浴等用水高 峰时，用水量大，在上班时间用水量又非常小。 恒速水泵直接供水，其优点是可咀解决随机取水的问题，同时购置水泵的费 用一般也比修建水塔的费用要低，但无论是在用水高峰期，还是在用水低峰期， 水泵都必须以同一转速运行( 工频运行) ，从而造成电能的浪费，运行成本特别 高；另一方面，在用水低峰期，由于水泵的转速仍与用水高峰期相同，容易导致 管路系统承受较高的压力，所以在管路设计时，需要考虑管路的承压问题，从而 使管路的成本增加。 变频调速供水装置是近几年发展起来的一种新型节能型供水设备，其最大的 优点是能根据用户用水量的大小，在设定的压力下，自动调节水泵转速，满足水 量、水压要求，启动电流可限制在额定电流以内，避免启动时对电网的冲击，从 而大大减小耗电量；其次，它可以无人值守，从而减少后期管理成本；第三，变 频恒压供水全自动控制，服务响应及时，2 4 小时维持同样的服务；第四，能自动 维持恒定压力，并根据压力流量信弓自动启动备用泵，无极调整压力，供水质量 更好，不会造成管网中管道破裂；第五，在多台泵运行情况下，可自动循环启动 各台泵，从而使泵不会锈死，均衡了泵的寿命。 由此可见，设计一种集智能监控、变频调速功能于一身的潜水电泵控制系统， 能够保障潜水电机的正常运行，同时可以节约能源，可以起到保障工农业生产以 及居民日常生活正常进行的作用同时也可提高企业的信誉、效益、产品的科技 及居民日常生活正常进行的作用，同时电可提高企业的信誉、效益、产品的科技 北京工业大学工学硕士学位论文 含量以及在同类产品中的竞争力。因此，本课题的研究具有比较大的社会和经济 效益。 1 2 发展现状 泵站采用计算机监控运行后，在排水泵站的运行过程中，计算机合理的控制 潜水电泵的启停，水泵效率提高，使水泵工作在高效区，从而达到节省电能的目 的。此外，由于采用计算机监控，使机泵运行趋于合理调配，均衡运行，减少频 繁启车，使电器设备和水泵机械部分使用寿命延长，降低了设备维护费，也收到 了一定的经济效益。 泵站的很多工作都是由各种自动装置按一定的程序自动完成的，因此减少了 运行人员直接参与操作、控制、监视、检查设备和记录等的工作量，改善了工作 条件，减轻了劳动强度，提高了运行管理水平。同时可减少运行人员，实现少人 甚至无人值班，提高了劳动生产率，降低了运行费用和运行成本。此外，运行人 员的减少还可以降低生活设施的消耗，因而也可以减少泵站的投资。 目前，在给水泵站中水泵机组变频调速系统的主要控制方式是采集管网压力 信号，采用闭环控制的方法，通过变频调速系统来控制水泵机组转速以改变水泵 的出水杨程和电机的输出功率。 采用变频调速控制改善了工艺，水泵阀门可在全开位置，其出口压力等于管 网供水压力。阀门节流损失减小到零。由于变频器可以非常平滑稳定的调整，运 行人员可以自如的调控，改善了供水质量，提高了效率。可以避免因通过阀门控 制使泵过多偏离额定工作区而引起的振动。通常情况下，变频调速系统的应用主 要是为了调节泵的转速来改变水泵的出水扬程，以满足不同条件时对水泵的性能 要求。由于起动缓慢，相应地延长了许多零部件，特别是密封件、轴承的寿命。 有效地延长检修周期，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。 采用变频调节后，系统实现软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流， 起动时间相应延长，对电网无大地冲击，减轻了起动机械转矩对电机的机械损伤， 有效的延长了电机的使用寿命。 这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管进口压力保持恒 定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控 方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能保证泵站始终工作在最优 状态。 目前国内已有多家公司已开发出相应的智能电予保护装置，合肥三益电机电 泵股份有限公司和上海凯安电气公司研制的h d s l 高压电机绝缘电阻监控仪， 通过对潜水电机能否投入使用的电机绝缘电阻参数进行监测，大大提高了泵站运 行的安全性和可靠性；乌海市五湖泵业有限责任公司开发的微机式潜水电机保护 仪，能有效监控电机的短路，缺相，电网电压过低，过负荷等故障，沈阳潜水电 机厂为其产品配套的电子装置，通过监测潜水电机腔内的水位和电机温度，能有 效的防止电机因过热，脱水而烧毁。 在国际上，些著名的潜水电泵生产企业都有自己的电机保护装置，如格兰 富公司研制的潜水电机监控系统c u _ 3 就是一种基于g e n i 总线的分布式监控系 统，不仅能对各种故障进行判断，并具有遥控设置和显示参数的功能，代表了国 际领先水平。 从介绍中我们发现，国内的潜水电泵生产企业生产的潜水电机保护装置比起 国外知名潜水电泵生产企业还有很大的差距，而且只有监控功能。为了提高国内 企业产品的竞争力，开发出一种集智能监控、变频调速功能于一身的潜水电泵控 制系统已是迫在眉睫。 1 3 课题的来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于北京市彩虹工程，并得到了北京市教委的资助，项目编号 k m 2 0 0 5 1 0 0 0 5 0 2 8 。 1 3 2 主要研究内容 ( a ) 潜水电机的性能结构及保护措施的研究。 ( b ) 分布式潜水电机监控系统结构的规划。 ( c ) 传感器的研究与选择。包括温度传感器、电流传感器、液位传感器和压 力传感器。 ( d ) 独立开发负责c a n 总线和r s 4 8 5 总线通讯的p c i 通讯适配卡，包括 电路板设计，加工( 外协) 、调试。 ( e ) 独立开发现场控制器电路，包括电路板设计，加工( 外协) 、调试。 ( f ) 变频器的选型及闭环控制回路的设计。 ( g ) 上位机监控系统的软件开发。包括界面显示、底层通信、数据存储、故 障处理等。 北隶王遣犬学工学颈学位论空 第2 章潜水电机监控系统方案的设计 2 1 潜水电机的性能结构分析 潜水电泵由水泵和电机两部分组成。电机位于电泵的下部。两部分通过联接 段和联轴器联接在一起工作。目前市场上销售的井用潜水电泵，主要有充水式和 充油式，充水式电机工作前，由用户将电机腔内充满洁净的清水，充油式电机生 产厂家出厂时己充好油脂，用户可直接使用。 充水式潜水电机在大中型潜水电泵中应用广泛，本潜水电机监控系统主要针 对的是充水式潜水电机。 潜水电泵在运行时，电动机有时会突然停止转动。多半原因是定子绕组被烧 毁。其烧毁的原因有： 因电动机长期超负荷运行，温度升高。 电动机轴承、止推轴承损坏，或叶轮卡住未断开，导致定子电流突增而烧 毁电机绕组。 电缆线有一相断线，造成电动机两相制动，即缺相运行。潜水电机工作环 境潮湿，由于锈蚀而引起接触不良，造成电机缺相运行，尤其在农村，缺 相运行十分普遍。 电动机脱水运行时间超过规定值，或开停运行频繁。起动电流大，使电动 机过热而烧坏。 潜水排污泵所排出的是污水，杂质多，常会造成阻塞而引起过载或阻转， 导致电机升温。 充水式潜水电机在工作时电机腔内充满了清水，以达到良好的散热效果。 由于机械磨损或制造工艺等方面的原因，经常出现电机腔清水向外渗漏丽 造成电机干转的故障。 综上所述为了保证潜水电机的正常运行，应当配备具有过流、过载、短路、 断相、漏水等保护措施的现场控制装置。经过综合考虑，潜水电机的三相定子线 圈的温度、电机的三相电流、电机腔的液位作为监测对象。 潜水电泵中使用的潜水电机为感应式交流电机，在工业领域所使用的大部分 电机均为此类型电机。感应式交流电机的旋转速度与电机的极数和频率成正比， 电机的结构决定了电机的极数是固定不变的，所以不适合改变电机的极数来调 速。而频率是电机供电电源的电信号，该值能够在电机的外面调节后再供给电机， 这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器， 是做为电机调速设备的优选设备。变频器的变频调速是以出水管的出水压力为控 制目标，构成一个单闭环反馈控制系统，实现恒压供水。由于采用变频调速后， ! 。二皇_ 娑垡鍪墼些墼彗些釜烹苎蜘曼苎鲻苎墨 不仅节电效果明显，而且减少了对水泵、管网等设备的冲击，使其使用寿命延长， 减少了维护工作量。 2 | 2 现场总线的选择 由于水泵在现场工作，离控制室较远，所以一般需要将现场水泵工作的参数 通过网络线路传到控制室内的计算机上，以便控制室内的工作人员实时了解水泵 的工作情况，当出现紧急情况时，能及时做出处理，减少工农业生产的损失。同 时，水泵工作的一些设定参数也需要通过网络由控制室内的计算机通过操作人员 的设定后，传给水泵的现场控制器和变频器。所以设计水泵的现场监控系统需要 一种性能价格比好的现场总线。 所谓现场总线，根据国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 标准和现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的定义：现场总线 是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 国际电工协会( i e c ) 的s p 5 0 委员会对现场总线有以下三点要求： ( a ) 同一数据链路上过程控制单元( p c u ) 、p l c 等与数字i o 设备互连； ( b ) 现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据 存取； ( c ) 通信媒体安装费用较低。 现场总线是智能化仪表和计算机网络相结合的新一代产品，基于现场总线的 控制系统称为现场总线控制系统f c s “3 ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。 随着现场总线技术的出现和成熟，促使了控制系统由集散控制系统( d c s ) 向现场总线控制系统( f c s ) 的过渡。”。在一般的f c s 系统中，遵循一定现场总 线协议的现场仪表可以组成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各个 现场仪表中。从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次 的控制算法。对于简单的控制应用，甚至可以把控制站取消，在控制站位置代之 以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成分布 式控制系统。 目前世界上使用较多的现场总线有以下几种。1 ： ( 1 ) c _ n 总线盹川最早由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行 部件之间的数据通信； ( 2 ) l 0 洲0 r k s 总线该总线所采用的l o n t a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的神经元芯片中而得以实现。其倡导者e c h e l o n 公司的技术策略是鼓励各o e m 开 发商运用l o n w o r k s 技术和神经元芯片，开发自己的应用产品： ( 3 ) p r o f i b u s 总线其中d p 型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加 巍京工娥大擎工学臻士学位论文 工自动化领域：f m s 意为现场信息规范，适用于楼宇自动化、可编程控制器等。 p a 则适用于过程自动化的总线类型； ( 4 ) f f 总线基金会现场总线，在过程自动化领域得到广泛支持。又分为 低速h 1 和高速h 2 两种。h 2 即为高速以太网( h s e ) 。 c a n 总线不仅成本低，而且数据传输可靠性高和实时性好，决定了它非常 适合实时网络模块监控系统的研制开发”1 。基于性能价格比的考虑，在潜水电泵 的现场控制器中，采用c a n 总线作为现场总线。 2 3 潜水电机监控系统结构的设计 2 3 1 系统结构的设计 2 3 1 1系统组成 潜水电泵现场监控系统网络拓扑图如图2 1 所示。系统是由一个上位机，多 个现场控制器和变频器组成。上位机和现场控制器之间是通过c a n 总线进行通 讯；上位机和变频器之间是通过r s 4 8 5 总线进行通讯的。 现场控制器实现对水泵电机的电流、温度、水压、液位等实时运行的参数进 行监控，并对紧急情况进行报警处理，并将采集的运行数据通过c a n 总线传送 到上位机，由上位机保留并实时显示其运行的参数。 变频器主要是实现电机调速，控制水泵的供水水压恒定，以达到节约能源的 目的。变频器基于r s 4 8 5 通讯，由上位p c 机设定其运行的设置参数，并将当前 运行的参数通过r s 4 8 5 通讯传送给上位p c 机，并由p c 机实现实时监控。 上位机部分主要包括一个p c i 通讯适配卡。p c i 通讯适配卡实现c a n 和 r s 4 8 5 通讯。上位机通过p c i 通讯适配卡实现对现场控制器和变频器的运行参数 的设置和实时运行参数的采集、监控、报警等功能。上位机控制系统的实时监控 软件主要是实现控制系统的参数设置、工况显示、运行控制、数据统计和历史记 录查询等功能。它接收各控制节点采集的温度、电流、液位数据和其它运行数据， 记录各潜水电机的运行情况，全面监控潜水泵站的运行情况。 鼍。兰鼍酬竺燃! 燃茎鋈姜鋈型堡型垂鲨霎 一然鼍螋曼鼍燮! ! 冀竺 i 廷i 。+ p c 靠：，+ l ；网 | ；r 疆妊满幂。 l | 1 1 + 1 。i 。臣童童一 l 删7 f 。 f一￥_ 1 i _ _ 7 _ j c a n 通讯攮习 q 二一 i 辨n 通粤粤磐j 二二二二二i 一 一 图2 2 现场控制器结构 现场控制器的功能描述如下所示： ( 1 ) 传感器系统部分包括了电流传感器、温度传感器、液位传感器和压 力传感器。传感器系统实现对潜水电机的电压电流、电机定子温度、液位以及潜 水电泵的出水管的压力等物理量的检测，将物理量转换成电流电压等电信号，以 便处理。 ( 2 ) 数据采集模块主要包括了一个a d 转换器，以及对电流传感器、温 度传感器、液位传感器和压力传感器测量物理量之后变换输出的电流电压等模拟 信号的调理电路，将传感器输出的模拟信号调理到a d 转换器的量程范围内，a d 转换器将模拟信号转换为数字信号，送给d s p 处理。 ( 3 ) 电源及外围强电控制电路实现给系统的电源供电及断电保护功能。 提供给系统的3 相工频3 8 0 v 电源，而弱电电路需要5 v 、1 2 v 和2 4 v 的工作电 压，开关电源提供了电源转换功能，将3 8 0 v 的交流电转换为5 v 、1 2 v 和2 4 v 的直流电压。同时电机出现紧急情况时，需要断电保护，空气开关及断路器提供 了该继电功能。 ( 4 ) 电机控制模块当电机出现异常情况，如过流、缺相、液位过低、温 度超限时驱动控制提供电机电源的继电器断开，使电机停机达到保护潜水电机的 功能。同时当需要强制潜水电泵停机时，也需要通过该控制功能实现电机停机。 ，鼎曼! 竺! ! 烩缫翟垡鋈箜鏊鍪雪鬯鍪! 拦曼鼍咪竺拦! 烂 ( 5 ) 参数设置与显示模块主要提供现场控制器的人机接口功能。显示模 块实时显示潜水电泵的工作参数，包括潜水电机工作的3 相电流值、3 相定予温 度值、供水水压值，以及一些相关的报警指示灯。键盘模块使得用户可以在现场 手动设定潜水电机的工作参数，包括潜水电机工作的报警电流值，、报警温度值， 方便了用户的操作。潜水电机工作的设定参数也可以通过现场总线由上位p c 机 给定。 ( 6 ) 报警灯指示主要是当出现过流、超温、液位报警时进行报警指示， 表示潜水电泵当前出现的意外状况。 ( 7 ) c n 通讯接口提供了现场控制器和上位p c 机的通讯功能。上位p c 机的一些设定参数通过c a n 总线传给现场控制器，现场控制器将潜水电泵当前 的工作参数( 工作电流值、定予温度值、出水管水压值等) 通过c a n 总线传输 给上位p c 机。通过c a n 总线，上位p c 机和现场控制器构成了一个分布式的监 控系统。用户可在上位p c 机所在的控制室内实现对多个现场工作的潜水电泵的 监控，减少了人力成本，提供了工作效率。 ( 8 ) d s p 是现场控制器的工作核心，实现现场工作的协调管理功能。选用 t i ( 德州仪器公司) 的d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，内有大量的外设资源，内核工作频率 可以达到1 5 0 m h z ，是t i 新推出的一款性能价格比较高的d s p 。其中的n a s h 存 储器实现潜水电机的工作电流、定子温度、工作液位、出水管水压等工作参数的 保存，并且保存现场控制器从上位p c 机发送来的潜水电机工作的设定参数，如 电流超限参数、温度超限参数等。d s p 内的看门狗外设提供对d s p 工作的程序 的监控保护功能。由于水泵所处的工作环境往往非常恶劣，各种电磁干扰，电流 电压的冲击很多，工作的执行程序容易出现跑飞的情况，在这种情况下，看门狗 能使执行程序强制复位，从头开始执行，使得程序在非正常情况下工作的时间很 短，从而提高了系统的抗干扰型、可靠性，满足了现场的工作环境。 2 _ 3 2 2 现场控制器的工作过程 现场控制器可以独立对电机实现监控保护功能。数据采集模块通过传感系统 采集到潜水电机的温度、电流、液位等运行状态数据，并把数据送入d s p 处理： d s p 根据处理结果，通过电机控制模块和外围强电控制电路控制电机的运行；通 过键盘显示模块显示数据处理结果、运行状态、故障原因等，并可以通过键盘， 现场设置工作参数和本节点c a n 网络站号；数据存储现场设定的工作参数及潜 水电泵的实时工作参数：通过c a n 总线通信模块将电机运行状态实时传输给上 位监控p c 机：看门狗监控d s p 执行程序的正常运行，当程序出现“跑飞”现象， 或电路板上电网电压过低时，复位执行程序，使程序从头开始运行。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 2 3 现场控制器的特点 这种现场控制器的特点在于，采用了模块化设计。优点有：在设计新增现场 控制器时可以只改动需要改动的模块，而无需所有部分都重新设计。从而简化了 开发新现场控制器的过程。例如：c a n 总线通信模块可以加在任何新增控制节点 上。可以根据具体情况去掉某些功能模块。从而减少成本。例如：可以去掉键盘 显示模块，利用监控计算机实现显示和参数设置的功能。在单机运行时，也可以 不用c a n 总线通信模块。 2 3 3 变频调速系统的设计 为了实现潜水电泵的出水管的水压恒定，需对潜水电机实现变频调速，所以 选用通用变频器。在水泵控制系统中，变频器和压力传感器构成一个单闭环反馈 系统，控制的目标是水泵供水水压的恒定，水泵供水压力反馈系统如图2 3 所示， 变频器包含了比较，p i d 调节，放大环节。给定的压力值及p d 调节器的参数通 过变频器的r s 4 8 5 总线由上位机给定，也可以通过变频器的操作面板进行参数设 定。反馈的实际压力值为压力传感器输出的4 2 0 m a 的电流值。变频器运行的 实时工况参数通过r s 4 8 5 总线传给上位机。 使用变频器对潜水电机变频调速可以使得起动电流可限制在额定电流以内， 从而避免了起动时对电网的冲击。由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀 门等东西的使用寿命。还可以消除起动称停机时的水锤效应。其稳定安全的运行 性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水系统实现节水、节 电、节省人力，最终达到高效率运行的目的。 变频器 熊壅查里晕f 1 i i ；吾磊1 一 y 睦_ j l 【， 图2 - 3 水泵供水压力反馈系统图 f i g 2 3w a t e rp r e s s u r ef e e d b a c ks y s t e 2 3 4 上位p c 机的功能设计 2 3 4 1 功能结构 上位机实现集中管理和监控功能，对现场控制器和变频器进行工作参数的设 定和水泵运行的实时数据的采集。上位p c 机部分包括p c i 通讯适配卡、p c i 驱 动程序、高层人机界面程序和数据库，其功能结构图如图2 4 所示。 p c i 通讯适配卡实现c a n 和r s 4 8 5 通讯功能。p c i 通讯适配卡是c a n 总线 和r s 4 8 5 总线的主站控制器，上位p c 机的设定参数由p c i 通讯适配卡传输给相 应地址的现场控制器和变频器，现场控制器和变频器传输给上位机的潜水电泵的 工作参数也由p c i 通讯适配卡接受，再传送给c p u 。p c i 通讯卡与通过p c 机的 串口通讯相比，数据的吞吐量要高许多，在控制节点较多的应用场合下，其优势 更明显，实际上，在工业控制、航天测控等领域基本上都是通过p c i 通讯适配卡 和现场控制节点进行通讯。 使用p c i 通讯适配卡，必须要设计相应的p c i 驱动程序。p c i 驱动程序实现 p c 机袖d o 娜对物理设备的驱动功能，提供相应的接口函数给高层程序调用。 p c i 驱动程序是p c i 通讯适配卡和高层人机界面程序的中介，高层人机界面程序 调用p c i 驱动程序提供的接口函数，才能驱动p c i 通讯适配卡工作。 人机界面程序实现人机接口，提供给用户的设置操作和监控界面。用户通过 人机界面可以设定任一个控制潜水电泵的现场控制器和变频器的设定参数( 电流 过流值，温度超限值等) ，可以查看任一个潜水电泵的当前工作参数( 电流、温 度、出水管水压等) 以及这些参数的历史轨迹图和趋势图，从而了解任一潜水电 泵的工作状态。 数据库主要实现潜水电泵的工作参数的大数据量的存储功能，以便将来可以 查询任一潜水电泵历史上某一时刻的工作情况，以及是否发生过故障，以便对其 作出处理。 图2 4p c 机功能结构图 f i g 2 4p cf u n c t i o ns t r u c t u r e 2 3 4 2 工作过程 在系统工作之前，用户可以设定任一潜水电泵的现场控制器和变频器的设 定参数，这些设定参数通过p c i 通讯适配卡传输给相应地址的现场控制器或变频 器。在工作过程中，现场控制器和变频器根据设定的时间间隔将潜水电机豹工作 参数传输给上位机，用户可以通过上位机人机界面实时监控某一潜水电机的工作 情况。当出现紧急情况时，现场控制器或变频器将当前的报警信息传输给上位机， 上位机报警，通知操作人员，使其能做出及时的处理。p c 机接受到的大量的信 息保存到数据库中，以便用户以后的查询，能了解某一潜水电泵在某一时间段内 的历史工作情况。同时，在工作过程中，用户也可以更改潜水电泵的设定参数。 2 - 3 4 3 特点 上位机的功能设计有如下特点：现场总线控制器使用的是p c i 通讯适配卡， p c i 通讯适配卡与p c 机的通过r s 2 3 2 串口通讯设备( 如m o x a 摩莎卡) 相比， 数据的吞吐量高，在大数据量传输的情况下，优势更加突出。使用了数据库来保 存数据，相比那些通过文件来保存数据的系统相比，数据的安全性，完整性要高 许多，同时由于保存了历史数据，用户可以查看某一潜水电泵在某一历史时段内 的工作情况，使得用户可以了解水泵供水的动态情况，给用户提供了决策的依据。 2 4 本章小结 本章介绍了系统现场总线的选择，系统选用c a n 总线，c a n 总线具有性能 釜：耋堂蛮耋2 ：鉴鳘至垫奎兰兰兰盐 价格较高的特点。重点介绍了整个控制系统的结构设计，包括了现场控制器，交 流变频调速系统，及上位机系统的设计及其主要组成部分。现场控制器使用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片。交流变频调速系统由变频器和压力传感器构成 一个闭环控制系统。上位机则主要由一个p c i 通讯适配卡，及其驱动程序，高层 人机界面程序组成。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章潜水电泵现场控制器的设计 3 1 系统结构设计 现场控制器的功能结构如图3 1 所示，现场控制器采集现场的供水水压，水 泵电机工作的电流、温度等模拟量信号，在控制面板的显示器上显示出来，并接 收上位机发来的设定参数( 报警电流值、温度值) ，当水泵液位、电流、温度超 i 艰时进行信号灯报警并作出停机处理，并将采集的信息传给上位机。现场控制器 和上位机之间通过c a n 总线通讯。 现场控制包括如下模块：d s p 模块、数据采集模块、显示模块、键盘模块、 电机驱动模块和c a n 通讯模块。 d s p 圈3 一l 现场控制功能结构图 f i g 3 1 f i e l dc o n t t 0 1 l e rf u n c t l o ns t r u c t u r e 3 1 1d s p 模块 d s p 使用的是t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，它是t i ( 德州仪器) 公司新推出的c 2 0 0 0 d s p ， 专用于工业控帝4 和电机控制，拥有丰富的外设资源，运行时钟频率达到1 5 0 m h 乙 内有1 6 通道的1 2 位的a d c 转换模块，转换电压为o 3 v ，转换时钟频率为 2 5 m i i z 。压力传感器、电流传感器、温度传感器输出的电流电压信号经过调理后 转换为0 3 v 的电压信号，由1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的a d c 转换为数字信号。 转换为0 3 v 的电压信号，由1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的a d c 转换为数字信号。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内商一个增强裂c a n 控制器e c a n ，通：j 遘p h i l i p s 公间的 e a n 接溺驱动芯冀8 2 c 2 5 0 ，弱主袋撬避嚣逶谖，掰s 3 2 耀2 8 | 2 主要接受上像撬 发来的设溉参数( 报警温度、报警暾流) ，将运行的实时参数( 电流值，温度值， 压力值，液位报警等信息) 传给上位机，以便实现实时监控。 3 。l 。2 数据采集模块 数据采集模块部分负责潜水电浆现场工作的濑水电机的3 棚电流、3 相定予 湿度、甑捉菠内的滚像秘瀣拳电泵爨东管鲍本压力靛缝溅。数撰采集模块部分包 括了3 个榻电流传惑器、3 个定予漱度传感器、一个液位电机黢内的液位传感器 和一个出水压力传感器，和其相应的信号调理电路，信号调理电路输出的模拟信 号输入给刚s 3 2 0 f 2 8 1 2 的1 2 位a d 转换外设，由其转换为数学量。其数据采集 模凌豹凌l 绩擒整知鬻3 2 瑟示。 i 液位传感器r 叫液位调理l - g p i o _ _ _ _ - _ h + _ _ _ h p 。- 。一 压力簧惑器 - 一撼力调瑾 一 a 相电流传感器 叫 b 相电流传骥器卜一电流调理 d s p le 程电流簧感器卜- 一 a d a 相温度传感器r 叫 ib 相温度传感器 _ 叫漱度调理 l 一 c 据漫度接撼器卜 图3 2 数据采集模块缩构图 鞋g ，3 2转8 t 8s a 噩p l es t 瓣e t u r e 3 1 + 2 1 温度采集模块 ( a ) 温度传感器的选择 潜水溉秘遗度检测的特征有： 霈要检溺静辩蒙为定子线潮，滠度范凿大约在0 至 之淘。溺疫变 化速度比较快； 测定的目标是定予线圈表面的温度，温发值为一个短时间( 约o 2 秒) 内 豹平均量； 测量对象为金属丝。周围的环境恶劣，受强电磁场干扰，且长期没泡在 北京工业大学重学硕士攀位论文 水中； 温度信号最终需要转化为数字信号。 目前使用比较广泛的温度传感器有四类：热电阻、热电偶、热敏电阻及集成 温度传感器( 如a d 5 9 0 ) ，原则上说，以上任何一种传感器都可以在对电机的测 温中，热电偶一般用在较宽的测温范围中；热敏电阻用在电机线圈中时封装比较 困难；集成温度传感器，如a d 5 9 0 在防水封装后对温度信号的反应将非常迟缓， 铂电阻温度传感器【1 8 具有精度高、相应快、性能稳定、线性度好、耐腐蚀、成本 比较低以及使用方便等一系列优点，一直是工业现场中广泛使用的一种比较理想 的测温元件。结合自己产品的特点，最后选定铂电阻p t l 0 0 为温度传感器，如图 3 3 所示。p t l o o 铂电阻传感器在o 时电阻值为1 0 0 q ，1 0 0 时电阻值为1 3 8 5 q 。 图3 - 3 铂电阻外形图 f i g 3 0 p 1 a t i n u mr e s i s t a n c es h a p e 本系统的p t l o o 温度传感器采用直径4 m m 的铂电阻，首先在潜水电机定予 线圈下线时，用定子线将铂电阻层层围紧的方式。在潜水电机定子线圈下线时将 三根p t l o o 型铂电阻r t l ，r 晓，r t 3 绕紧固定于电机腔定子线圈中，铂电阻的三 股引线从电机上盖孔穿出接入监控电路；不需要额外的固定件，满足了在狭小的 空间安装传感器的要求。 ( b ) 温度采集电路 p t l o o 型铂电阻随温度的变化电阻值发生改变，测温电路采用不平衡电桥法 检测出电阻的变化值，再经过通用的差分式发大电路放大，将电压放大到0 3 v 之间，输出给d s p i m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的a d 转换模块转换为数字量。与铂电阻构成 桥式电路的桥臂电阻需采用精密电阻，紧密电阻随温度电流的变化很小，精度高， 能够提高电路的测温精度。构成差分式放大环节的运算放大器u 1 5 c 的电阻r 9 与r 1 l 须相等，r 1 0 与r 1 2 须相等，其相等的程度越高，放大电路的精度也越高。 放大电路所用的运算放大器采用的是在仪器仪表中用得很普遍的l m 3 2 4 ，内 部含有4 个运算放大器。其性能指标如下：内部的增益频率补偿：直流电压增益 达到1 0 0 d b ；频率带宽达到1 m h z ；很宽的电源供电范围，单电源供电3 v 3 2 v ， 双电源供电1 5 v 1 6 v ：非常低的供电电流( 7 0 0 u a ) ，基本上与供电电压无关； 非常低的偏置电流( 4 5 n a ) ，带温度补偿i 彳艮低的输入偏移电压2 n l v 和偏移电流 5 n a ；输入共模电压范围包括地；差分输入电压范围达到电源电压；输出的电压范 围o v ( v + 1 5 v ) 。 f 萨p 7 巳l s 。i 广睬p 萨习 r 0=。 图3 4 温度采集电路 f i g 3 4t e m p e