（机械电子工程专业论文）矿用潜水电泵智能监控系统设计.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a t r o n i c e n g i n e e r i n g t h e d e s i g no fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo f m i n e u s e s u b m e r s i b l ep u m p c a n d i d a t e ：l i uy i s u p e r v i s o r ：z h a n gx i np r o f e s s o r m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gs c h o o l a n h u i u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n o 16 8 ，s h u n g e n gr o a d ，h u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，p r c h i n a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 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 塞邀堡兰太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 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 表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：毕年j 月互日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安邀理工大堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 糊黼始参卜 导嚼签名：许奄 签字日期：训年z 月6 日 l 签字日期锣多年多月乡日 摘要 摘要 矿用潜水电泵智能监控系统是一种集运行过程智能化监管、设备实时保护、 网络化通信于一体的大型控制装置。该系统融入了单片机技术、c a n 总线技术和 虚拟仪器技术。对潜水电泵的各种运行参数进行全方位、多层次的分析。由于煤 矿的特殊地理环境，在使用相关仪器设备上必须经过防爆处理。于是提出一种上 位机监控，下位机实时采集、分析处理数据的设计方案。两者通过c a n 网络建立 通信渠道。其系统构成主要有上位机监控中心计算机、c a n r s 2 3 2 转换卡和位于 工作现场的下位机潜水泵控制站点。各控制站点可独立的对潜水电泵的监控和保 护，也可通过c a n 总线和监控中心进行信息交互。从而在工作模式上实现了既分 散又统一的管理架构。 本课题主要介绍了以下几个方面： ( 1 ) 对课题研究的意义、背景以及国内外研究现状作充分的阐述，为设计方 案提供现实依据； ( 2 ) 通过介绍矿用系列潜水电泵的产品结构，确定研究对象和设计方案； ( 3 ) 针对b q w 2 5 18 4 型号的矿用隔爆型潜水电泵设计监控系统。系统硬件 部分由数据采集、信号调理，数据存储与传输、实时时钟、电源等模块组成，可 实现潜水电机定子线圈表层温度、三相电流、流量和扬程等参数的数字化测量； 系统软件主要包括上、下位机软件。上位机以n i 公司的l a b v i e w 软件为开发平台， 把数据库技术融入到测试系统中，统一管理多台水泵设备测试数据。下位机软件 主要采用c 语言做程序开发，实现数据采集、存储、传输等软件模块的设计。从防 爆性的角度考虑，系统采用便于携带的蓄电池供电方式。 ( 4 ) 监控系统现场功能测试实验，通过实验对系统的各项功能进行检验。编 写软件测试程序，来测试系统软硬件的协调能力，为潜水泵的正常工作提供重要 的数据支持，提高了水泵测试设备的自动化程度。实验表明，该系统具有测量精 度高，抗干扰能力强，实时性好，性价比高等优点。达到了预期的要求，进一步 提升了产品的技术含量。 图6 0 表7 参5 3 关键词：潜水电泵；监控系统；虚拟仪器；c a n 总线 分类号：t h 2 2 1 目录 2 5 本章小结2 3 3 矿用潜水电泵智能监控系统的硬件设计2 5 3 1 c a n 总线通信模块2 5 3 2 温度液位控制模块硬件设计31 3 2 1 数据采集电路3 2 3 2 2 键盘显示模块4 0 3 2 3 数据存储电路一4 2 3 2 4 电机控制电路4 3 3 2 5 看门狗电路4 3 3 3 电流液位控制模块硬件设计4 5 3 3 1 数据采集电路4 5 3 4c a n r s 2 3 2 协议转换卡4 7 3 5 电源及外围强电控制电路4 7 3 6 本章小结4 8 4 矿用潜水电泵智能监控系统的软件设计5 1 4 1 软件设计方案概述5 1 4 2 下位机软件设计5l 4 2 1 温度一液位控制模块软件设计5 1 4 2 2 电流一液位控制模块软件设计5 7 4 2 3c a n 总线通信模块软件设计5 7 4 2 4c a n r s 2 3 2 协议转换卡软件设计6 1 4 3 通信协议6 3 4 4 上位机软件设计6 5 4 4 1 人机交互界面设计6 5 4 4 2 串行通信软件设计6 6 4 4 3 数据库操作一6 8 4 5 本章小结一7 0 5 潜水电泵监控系统的测试实验一7 l 5 1 数据采集测试实验7 1 目录 c o n t e n t s a b s t r a c t 一i i i n t r o d u c t i o n 1 1 p r e f a c e 3 1 1 p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo fs u b j e c t s 3 1 2 c u r r e n tr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a db a s e do nt h e s y s t e mo f s u b m e r s i b l ep u m p 4 1 3b r i e fi n t r o d u c t i o no fc o n d i t i o nm o n i t o r i n g & f a u l td i a g n o s i st e c h n i q u e 5 1 3 1 c o n c e p t o fc o n d i t i o nm o n i t o r i n g 5 1 3 2s i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n d r e g u l a ri n s p e c t i o n 5 1 3 3c o n c e p to f f a u l td i a g n o s i st e c h n i q u e 6 1 3 4s i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n d f a u l td i a g n o s i st e c h n i q u e 7 1 3 5d e v e l o p m e n tt r e n do fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s t e c h n i q u e 8 1 4p r o j e c ts o u r c ea n dm a i nr e s e a r c hc o n t e n t 8 1 4 1 p r o j e c ts o u r c e 8 1 4 2m a i nr e s e a r c hc o n t e n t 8 1 5b r i e f s u m m a r i z a t i o n 9 2o v e r a l lp r o j e c td e s i g no fm i n e u s es u b m e r s i b l ep u m pd i s t r i b u t e dm o n i t o r i n g s y s t e m 11 2 1 a n a l y s i so ff u n c t i o na n ds t r u c t u r eo f m i n e u s es u b m e r s i b l ep u m p 11 2 2s e l e c t i o na n di n s t a l l a t i o no f s e n s o r 1 3 2 2 1s e l e c t i o na n di n s t a l l a t i o no f t e m p e r a t u r es e n s o r 1 3 2 2 2s e l e c t i o na n di n s t a l l a t i o no f c u r r e n ts e n s o r 1 6 2 2 3s e l e c t i o na n di n s t a l l a t i o no f l i q u i ds e n s o r 1 9 2 3p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fc a nb u s 19 目录 一 4 4 2s o f t w a r ed e s i g no fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n 6 6 4 4 3d a t a b a s eo p e r a t i o n 6 8 4 5b r i e f s u m m a r i z a t i o n 7 0 5t e s te x p e r i m e n to fm i n e u s es u b m e r s i b l ep u m p m o n i t o r i n gs y s t e m 7 1 5 1t e s te x p e r i m e n to f d a t aa c q u i s i t i o n 7 l 5 2f u n c t i o no f c o n t r o lm o d u l et e s t 7 2 1 ；3b r i e f s u m m a r i z a t i o n 7 3 s u m m a r y 7 1 ； r e f e r e n c e 7 7 a p p e n d i x 8 1 p o s t s c r i p to rc o m p l i m e n t 9 1 r e s u m eo fa u t h o r 1 3 一i x 引言 引言 潜水电泵是我国各大煤矿排水系统中不可或缺的设备之一，其性能的好坏直 接关系到煤矿的安全生产，随着科学技术的发展，煤矿排水系统的安全监控越来 越完善，但由于其工作环境异常复杂，使其较一般的水泵更容易发生过热、过流、 过载、缺相等故障，这些故障直接危及人们的生命财产安全。如何有效的预防和 排除此类故障的发生，借助于先进的传感器技术，单片机技术、虚拟仪器技术以 及计算机信息处理技术，实时掌握排水系统的工作情况，出现异常或危险情况时 可以及时的报警，防止事故的发生，成为当前煤矿安全生产中的一个重大课题。 本课题将传感器技术，单片机技术、虚拟仪器技术和计算机信息技术融为一 体，采用上下位机并行监测和控制的方法，下位机主要以单片机为主的微处理器 控制系统，上位机运用虚拟仪器技术，利用其可视化界面的仪器概念，具有简洁 直观的程序框图和友好的图形化界面，来开发在线监测系统。 第1 章绪论 1绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着煤矿机械现代化的不断发展，潜水电泵已经成为煤矿排水系统中不可或 缺的设备之一。在煤矿的实际生产过程中，大量使用着潜水泵，潜水电泵工作性 能的好坏直接影响着煤矿的安全生产。众所周知，潜水电泵是将潜水电机与水泵 连为一体潜入水中运行的装置，潜水电泵的核心部件是潜水电机，由于潜水电机 在水下工作，工作环境异常复杂，加上制造工艺等方面的原因，使其较一般电机 更容易发生过热，过流，过载，缺相，渗水，漏水等故障。这些因素都有可能导 致电机烧毁。当潜水电泵在井下发生故障时，通常采取吊泵的方式解决问题，这 就给潜水泵的维护带来许多困难。因此，我们要给潜水电泵配备一定的保护装置。 关键的保护对象就是保证潜水电机的正常运行。 人们对机械产品的基本要求是可靠性，随着生产与科技的不断进步，机械系 统与过去相比愈发复杂，发生故障的频率也随之增多，特别是机械负载越来越向 强力化高速化发展，因此人们对可靠性问题的重视程度正在逐步加深。潜水电泵 的可靠性，对企业的信誉和经济效益有着深远的影响。采用智能化的监控保护设 备不仅可以增加潜水电泵产品的可靠性，而且由于技术含量的提升，使其产品在 同类产品中更具有竞争力。 据不完全统计结果表明，全国范围内每年烧毁电机的数量在1 5 万台以上，总 容量约6 5 0 0 万k w ，直接经济损失达2 0 亿元左右，间接经济损失上百亿元。电机的 维护每年需要消耗4 5 0 0 万k g 电磁线，而生产a k g 铜线需要3 0 k m 的电能，因此每年 需要消耗2 0 k w h 电能。潜水电机作为一种维修频率更高的电机，造成的损失较一 般电机更大。 随着近几年煤炭行业形势的好转，煤炭的需求量不断增加，导致矿井的产量 也不断增加。随之而来的乱挖乱采现象日益严重，使得开采环境更加恶劣，涌水 现象愈发严重。这就对现行的矿井排水设备提出了严峻的考验，对设备运行的安 全性和可靠性提出了更高的要求。 目前，我国大部分煤矿企业对矿井排水系统的维护和管理方式主要是点检、 巡检、定期检修相结合的方式，对故障设备常用的检测方式只要是依靠人的主观 判断，以手动操作的方式记录压力、温度、电流、电压等数据，手工绘制曲线。 由此引发的测量手段落后，测量精度不高、数据采集缺乏科学性和劳动强度大等 缺点，无法建立一个完备的关于水泵各个参数和运行工况的档案。给现场管理和 安徽理工大学硕士学位论文 维护带来极大的不便。 传统的潜水电泵保护方法是采用双金属片结构的热继电器，这种沿用了普通 水泵的保护装置价格低，结构简单，安装方便。但其缺点也是显而易见的：元件 热惯性、分散性较大，耗能大，校验不方便，对电机的缺相、短路问题无法解决。 装置不带水位、渗水漏水检测，没有起到真正的保护作用。随着电子技术在矿山 机械设备上的不断应用和发展，许多科研单位研发了以小规模集成电路为主的故 障检测仪，这些装置虽然在一定程度上解决了热继电器的某些问题，但其无法进 行智能判断，也无法对故障情况进行存储记录和数据显示，加上元件可靠性差， 价格高，电路复杂，导致现场放弃使用此类设备。 随着计算机技术，现场总技术，网络技术和虚拟仪器技术的普及，为潜水电 泵智能化监测系统的研发提供了良好的条件。分布式潜水电泵监控系统是一种性 能稳定，反应速度快，通用性好，可靠性好，成本低的网络化监控系统，能有效 的防止潜水电机的烧毁和安全合理的控制单个或群体水泵的正常运行，能够在无 人或少人参与的情况下，实施水泵的监事和控制。 1 2 国内外潜水电泵监控系统研究现状 如今，国内已经有多家企业或科研单位相继开发了相应的潜水电泵智能化监 测系统，上海电器科学研究所研制的d z w 。1 电机测试系统：浙江大学机械工程系 生产工程研究所与杭州斯莱特泵业有限公司联合研制的泵用电机测试系统；浙江 大学的武钢，朱祖超利用虚拟仪器技术对水泵瞬态特性进行实验研究；安徽益阳 潜水电泵股份有限公司和上海安凯电机公司联合研制的h s d 1 高压电机绝缘电阻 监控仪，用来监测电机的绝缘电阻参数；秦皇岛四海专修泵业有限责任公司开发 的微机式潜水电机保护器，用来检测电机的短路、缺相、电网电压过低等故障。 这些监控系统都具有参数设置，显示等功能，较传统的装置相比有节能可靠， 方便灵活，成本低等优点。但都仅限于个体控制。 在网络通信技术迅猛发展的今天，国内相关单位还研制了潜水泵遥测、遥控 群控系统，如北京市市政水利局排水泵站采用无线测控系统。该系统由中心站、 p c 机系统、无线通道、主泵站和监控子系统组成，中心泵站可通过遥感方式对各 泵站运行情况进行遥测、遥控和管理。但其软硬件功能模块价格昂贵，成本极高， 一般的潜水电泵厂家无法将其转换为产品来推向市场。 国际上，一些知名的水泵公司在水泵测试领域的研究起步较早，测试系统产 品相对比较成熟。目前，国外的监测系统呈现出高集成、小体积、可移动、多功 第1 章绪论 能、设备全、易操作等特点。例如美国a g r i t e c h n o l o g y 公司开发的p t e s t 水泵测试 系统，他们将测试系统安放在流水线旁边，每台必测，采用p c l 技术，一次接线就 完成全部测试项目，且自动打印测试结果，效率极高。丹麦的格兰富公司研制的 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。“3 1 从介绍中不难发现，国内的潜水电泵监控系统的发展水平与国外还存在着较 大差距，但国外的测试标准不一定符合我国国情，不能生搬硬套，且系统产品价 格较贵。如何研制出符合国内水泵评估方式的智能化测试系统成为迫在眉睫的事 i 圭 l 同0 1 3 状态监测与故障诊断技术简介 1 3 1 状态监测的概念 状态监钡, u ( c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ) 是指对正在运行中的设备的总体或其个体零 件部分的运行状态进行考查测量，并做出鉴定，判断整个系统或某一模块是否正 常，运行情况是否良好，有无异常情况的发生，当异常出现时，及时追踪异常征 兆，预测裂化趋势，鉴定异常结果的程度等。状态监测的最终目标是为了了解设 备发生故障前的异常情况，掌握其劣化信息，以便在事故发生之前利用有效的预 警机制，预防、处理相关故障的出现，从而降低了因故障而引起的待机时间和因 待机而造成的直接或间接的损失，有效的控制了维护费用，提高了设备的利用率。 此外，对设备进行状态监测，能够确切掌握设备的实际特性，有助于判定需要修 复或更换的零部件和元器件，充分利用设备和零部件的潜力，防止维护过量，节 省维护成本，降低待机损失。h 卜m 1 3 2 状态监测与定期检查的异同点 定期检查是指在一定时间内，为了检验设备是否到达规定要求，保证设备的正 常运转，而对生产设备进行维护与预防而实施的一次全面性的检查，其间隔时间 较长。状态监测主要的考察对象是系统中的关键重要设备，受检测的宽度和广度 比定期检查要小，采用专业仪器检测设备间断或不间断的对已经明确监测目的的 考察点进行检查，定量地分析设备的异常特征和劣化动态参量，判断设备运行状 态，找出损伤部位和原因，以决定相应的维修措施。 系统设备的状态监测的结果是故障诊断，它能够准确的分析和把握监控设备的 安徽理工大学硕士学位论文 动态特性。设备状态是否正常，有无异常征兆或故障出现，可根据监测所得的动 态数据( 电压、电流、受力等) 与故障情况，与标准状况下的状态特性参数的进 行对比并进行鉴定。表1 1 说明了标准状况下设备运行状态的判断。 表1 - 1 标准状态下设备运行状态的判断 t a b1 1j u d g m e n to fr u n n i n gs t a t u so fe q u i p m e n ti ns t a n d a r ds t a t e 部件 设备状态应力 性能缺陷状态 设备性能 正常在范围值内满足规定微小缺陷满足规定 异常超过允许值部分降低缺陷扩大接近规定 故障达到破坏值达不到规定破损达不到规定 1 3 3 故障诊断技术的概念 故障诊断技术( f a u l td i a g n o s i st e c h n i q u e ) 是一种在不拆卸或基本不拆卸的情 况下，通过对监测仪器采集的设备状态运行参数的分析，找出设备的不正常情况， 掌握设备的故障机理，并能预测设备未来运行趋势的技术。对设备现行状态进行 分析，从设备的性能、工作强度、抗干扰能力、可靠性等方面综合考量基于设备 的系统运行情况，当设备出现故障时，能对故障的机理、部位、危害程度进行评 判，并做出合适的修复方案 1 。 故障诊断技术的基本原理及工作流程如图1 1 所示，它主要包括状态信息库和 故障档案库的建立、信号检测、特征提取、状态识别和预报决策等。 1 ) 信号检测按照不同的目的，对被诊断对象进行分类，选择最合适的监测信号， 利用传感器技术，对被测信号进行数据采集，并建立相应的数据状态信息库，这 属于初始模式1 8 1 。 2 ) 特征提取将上一级信号检测模块采集的状态信号经过信号调理电路，对原始 信号进行放大、变换、降噪、滤波，提取故障特征，形成待检模式。 第1 章绪论 _ 二二二一一 ( 基准模式) 状态信息库r 叫建档技术h 故障档案库 待检设备h 设备状态信号h 事故特征信号h 分类比较h 状态确认 信号特征提取 检测 继续检测 预报检测 状态异常 i ：只别f 正常 故障情况 发展趋势 图1 1 设备故障诊断技术工作流程 f i g 1 1t h ew o r kf l o wo ff a u l td i a g n o s i st e c h n i q u ei nd e v i c e 3 ) 状态识别结合以往的故障案例，通过理论分析，利用数据库原理建立的故障 档案库作为基准，比对待检模式和基准模式，并进行分类，即可鉴别设备的正、 异常情况。 4 ) 预报决策经过判别，如果设备是正常的，可重复上述工序检测；如果设备发 生异常，则要查明故障原因，做出发展趋势分析，预计今后发展方向和可持续时 间，以及解决问题的控制措施和维修方法。 1 3 4 状态监测与故障诊断的共同点和异同点 状态监测与故障诊断直接构成了现代诊断技术的两个重要的关键步骤，它们 有联系却又有不同。状态监测主要是初步鉴别设备的运行技术状态，故障诊断则 是对该状态的进一步分析调研，并做出判断。在生产实际中，没有检测就没有诊 断，诊断是目的，监测是手段；监测是诊断的基石，诊断是监测的最终目标。 状态监测仅仅是监督和检测设备或单个部件的运行状态，并通过状态信息和 特征参数来判断其是否合乎标准。故障诊断不但要监测出设备的正常与否，还要 对故障产生的机理、性质、达到某种程度以及发生故障的位置做出深入全面的分 析，客观准确的判断。这就需要对设备本身的结构特性、工作过程、故障特征和 出现故障后的维护与管理等相关事件有比较客观全面的认识和把握，从这一方面 可以看出，故障诊断与状态监测又有着十分不同的专业倾向。 安墼望三奎堂堡主堂垡笙壅 一 一一 1 0 第2 章矿用潜水电泵分布式监控系统总体方案设计 2 矿用潜水电泵分布式监控系统总体方案设计 2 1潜水电泵的结构性能分析 潜水电泵是一种泵体叶轮和驱动叶轮电机都潜入水中的水泵。叶轮和电机通 过联轴器和联接段结合在一起。潜水电泵用的电动机有干式( 电机全部密封) 、半 干式( 电机的定子密封，转子在水中运转) 、充油式( 电机内部充油形成油封，防 止水分进入绕组) 和湿式( 电机内部充水，定子和转子都在水中运转) 等类型。 湿式的需要在运行前在电机腔内充满洁净的水或防锈润滑液，而充油式潜水电机 则无需充加任何液体就可直接使用。 b q w 型潜水泵在广大煤矿企业应用十分广泛，其外形美观，结构简单，密 封性能好，稳定性高，寿命长，安装方便，且可以长期在水下连续作业，被广泛 用于煤矿立井，斜井及井底散煤泥地自动化排水。 b q w 型矿用隔爆排污排沙潜水电泵严格根据煤炭行业标准m t t 7 6 1 2 0 0 5 煤矿用隔爆型潜水电泵、中华人民共和国国家标准g b 3 8 3 6 2 0 0 0 设计制作， 电动机采用y 型干式隔爆型三相异步电动机，具有启动转矩大、运行性能好、噪 音小、体积小以及优良的隔爆结构性能和较高的防护等级等特点。适用于煤矿井 下巷道及采掘工作面、其他周围介质中含有甲烷或煤尘爆炸性气体混合物的环境 中排放地下水及含有悬浮煤粉、岩屑、煤粒、砂石、泥浆等固体颗粒的污水物。 本监控系统主要针对的是型号为b q w 2 5 4 0 5 5 潜水电泵。其结构如图2 1 所示。 矿用潜水泵常见的故障主要有以下几个方面： 1 潜水电泵不能启动 ( 1 ) 合闸后电泵无法正常抽水，且无“嗡嗡”声响，说明电机电路不通，可能是线 路不通、电源断电或电机定子绕组烧坏等； ( 2 ) 合闸后虽有“嗡嗡”声响，但不出水，说明绕组有电流通过，但不能转动。这 种情况可能有以下几种原因：1 ) 缺相运行，即电缆线、开关线或定子绕组有一相 不通；2 ) 电压过低，启动力矩不足，无法启动。 2 潜水电泵启动后不出水或少出水 ( 1 ) 由于水位下降，导致液位在进水口处徘徊，进水口半淹半露，此时电机虽然 仍在转动，但形成了间歇性出水的情况。 安徽理工大学硕士学位论文 图2 1b q w 型矿用隔爆排污排沙潜水电泵结构图 f i g 2 1s t r u c t u r eo fm i n e u s ef l a m e p r o o fs e w a g es a n ds u b m e r s i b l ep u m p ( 2 ) 电机转动，但电表指针摇摆幅度较大，超出额定值范围，且不出水，泵体内 部管路出现振动情况。这种状况可能是由于滤水网的过流部分、叶轮、导流壳内 存在异物而引起的堵塞或扬水管路管道破损、甚至折断。 ( 3 ) 如果电机正常转动但出水量很小，其原因可能是如下几条：1 ) 过流部分局 部堵塞；2 ) 输水管路连接不严，大量漏水；3 ) 导流管壳口环或叶轮严重磨损。 3 潜水电泵出水后突然中断，电机停转。这种情况很有可能是电机的定子绕组烧 毁。主要原因有： 一1 2 篁! 童笙旦堂垄皇茎坌鱼塾篁鳖壅堑篁笠立窒堡盐 ( 1 ) 电机长期超载运行，温度过高，使绕组绝缘层逐渐老化、失效； ( 2 ) 两相运行或制动； ( 3 ) 电压过低或电源线过长，电压降太大，使电流增大，导致电机过热而烧毁； ( 4 ) 电缆线破损或接头密封不严，有水渗入定子绕组或电缆线中，导致绝缘性遭 到破坏； ( 5 ) 电机腔内缺水，使电动机散热不良而烧毁； ( 6 ) 叶轮、转轴或其他转动部分和静止部分摩擦，电动机转子和定子摩擦相碰， 电动机水润滑导致轴承，止推轴承磨损，叶轮被卡住而电源未断等原因，造成定 子电流突增，烧坏绕组； ( 7 ) 开停机过于频繁导致电机过热而导致绕组烧坏； ( 8 ) 脱水运行时间超过规定值； ( 9 ) 转子断条，转速下降，电流加大致使温度升高。 4 运行声音不正常或振动 ( 1 ) 推力轴承磨损后，叶轮下盖板和导流壳发生机械摩擦，致使电流表指针摆动， 机组发生振动； ( 2 ) 电动机和泵体内的导轴承严重磨损，使轴和轴承之间的间隙较大，轴变弯曲 脑 奇o 综合上述分析不难发现，b q w 型潜水电泵的主要故障多半原因是电动机的 定子绕组被烧毁。为了保障电机的正常运行，应当添加具有过流、过载、短路、 缺相等保护的装置。 综合考虑后，我们决定将潜水电机的三相电流、三相定子线圈的温度，以及 电机腔内的液位作为监测对象。 2 2 传感器的选择与安装 2 2 1 温度传感器的选择与安装 b q w 型潜水电泵的温度检测有以下特点： ( 1 ) 监测对象为定子绕组线圈，温度变化范围大约在0 c 1 0 0 。c 之间，且变化速 度较快； ( 2 ) 标定目标为定子线圈的表层温度，其值为一个暂态时间段的平均值； ( 3 ) 测量对象为金属铜丝，受电磁场干扰，长期浸泡在水中，环境恶劣； ( 4 ) 最终需要将温度信号转换成数字信号。 安徽理工大学硕士学位论文 目前，温度测量的手段比较多，有热电式( 热电偶、热电阻) 传感器、半导 体传感器，还有利用红外线原理制成的红； i - n 温仪。本质上讲，上述任何一种传 感器都可以对电机进行测温。热电偶是一种传统的温度传感器，采用接触式的测 量方法，具有结构简单，精度高，测量范围宽，便于远距离和多点测量。其缺点 是灵敏度低，重复性不好，线性度差；半导体传感器的主要特点是：电阻温度系 数大，电阻率高，感温元件可以做得很小，可以与外围电路集成在一块芯片上制 成集成化温度传感器，但是此类传感器在进行防水封装后对温度信号的反应非常 慢，无法准确把握温度的实际情况；红外线传感器是一种非接触式的温度传感器， 用来检测物体辐射的红外线，但考虑到潜水电泵实际工作环境在水下，这种测量 方法会造成测量结果不准确，且仪器设备价格昂贵，不利于批量使用。电阻式温 度计利用高强度的金属电阻丝和稳定的正温度系数的特点来监测温度，具有线性 度范围大、测量准确度较高、测量性能稳定、耐腐蚀、性价比高，使用方便等优 点，采用面接触式的测量方式，在工业现场中一直广泛使用，是一种理想的测温 元件。经过相关资料的查阅以及监测对象的特点，最终选用铂电阻p t l 0 0 作为温 度传感器，如图2 2 、2 3 所示。根据铂电阻的电阻值和温度之间的关系： r t - r 0 ( 1 + a 什b t 2 ) 式中r f _ t 时电阻值； i o 一0 时电阻值； a = 3 9 6 8 7 1 0 3 ： b = 5 4 1 0 。7 。 可知，当在0 。c 时电阻值为1 0 0 f l ，1 0 0 。c 时阻值为1 3 8 5 q 。 采用工业过程中最常用的三线制接线方式，即在热电阻的根部的一端毗连一 根引线，另外一端毗连两根引线的方式，可以减小铂电阻与测量仪表间连接导线 因环境温度变化所引起的测量误差3 11 1 4 1 。 笙三章矿用潜水电泵分布式监控系统总体方案设计 - 二二二二= 二= = 竺：竺二 图2 - 2 铂电阻传感器实物图 图2 - 3 铂电阻传感器示意图 f i g 2 - 3p l a t i n u mr e s i s t a n c es e n s o r 考虑到传感器的安装空间比较狭窄，因此采用直径为3 5 m m 的铂电阻。如图 2 4 所示，传感器固定在电机绕组线圈之间的空隙内，与绕组紧密相连，引线固 定在接线盒内，屏蔽线接电机壳体，避免在电机工作时脱落。 安徽理工大学硕士学位论立 图2 4 铂电阻传感器安装示意图 f i g 2 4i n s t a l l a t i o no fp l a t i n u mr e s i s t a n c es e n s o r 2 2 2 电流传感器的选择与安装 设备状态监测与故障诊断中常用的电流传感器是电流互感型的。一次侧匝数 很小( 多为一匝，也有用很多匝的) ，监测时将磁芯穿过被测设备的接地线或其他 导线上，磁性材料根据频率进行选择，当测量高频或脉冲电流时选用铁淦氧，其 最高使用频率为5 0 0 k h z l m h z ，相对磁导率为2 0 0 0 ；测量低频电流时可选用坡 莫合金，其磁导率为1 0 5 ，但价格昂贵。近几年发展较快的微晶磁芯，其磁导率 在1 0 4 以上，灵敏度高且加工成型方便，价格介于铁淦氧和坡莫合金之间，频率 范围在4 0 h z 5 0 0 k h z 之间1 1 5 1 0 近年来，在交流变频调速、电力电子、逆变装置及开关电源等领域，一大批 大功耗的半导体元件涌入市场。原有的电流检测元件已不适应电流波形的传递和 检测。霍尔电流传感器作为领导潮流的工业用传感器，在测量控制电流领域取得 了长足的进步。它是一种先进的、能控制电子电路和隔离主、次电路回路的电信 号采集元件。它具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被 测电路能量等诸多优点。众所周知，互感器只能测量5 0 h z - l - 频的信号，而分流器 只能进行直接测量，不能隔离测量，而霍尔电流传感器克服了上述的缺点，且综 合了两者的优点，使得该传感器的性能得到了充分的发挥。它不仅可以检测直流 电，还可以检测交流电，在某些特殊场合下还可以检测暂态峰值，该传感器将两 个分立元件集成在一个设备上，大大降低了系统的复杂性。电力电子装置在直流 一1 6 第2 章矿用潜水电泵分布武监控系统，西un 降川l 采上叹刚。t i 输出的过程中，霍尔电流传感器可以消除主电路信号对分回路信号的影响，起到 了很好的电隔离作用。当电路出现短路时，也能够起到一定的保护作用。此外， 在电流反馈和稳流调节方面也能发挥一定的功效。该传感器已被广泛运用于交、 直流变频调速系统、逆变控制器、稳恒电源、变电所、电化学装置、数控机床、 微机电力电网监控系统等各个领域中。尤其是在需要隔离检测大电流、电压设备 中，对大电流进行精确测量和控制方面发挥了重要的作用。从而在根本上保证了 场频的质量和安全6 卜引。 本系统测量对象是b q w 型潜水电泵，其潜水电机的功率为5 5 k w ，频率为 5 0 h z ，额定工作电流为1 4 5 a 。需要测量的目标电流主要参数有：电流强度为0 3 0 a ， 频率范围在0 1 0 0 h z 之间，精度小于0 5 a 。根据上述要求，选用磁平衡式霍尔电流 传感器，如图2 5 所示。 图2 5 磁平衡式霍尔电流传感器 f i g 2 - 5m a g n e t i cb a l a n c et y p eh o l z e rc u r r e n ts e n s o r 此磁平衡式霍尔电流传感器的主要性能参数有：供电电压为1 2 v ；o 3 0 a 的交流电流输入，0 - 5 v 直流电压输出；线性度大于0 1 2 ，满量程可达到线性 要求；精度小于0 5 a ；动态性能好，响应时间小于l o g s ，动态特性参数均能满 足要求；工频带宽可在0 1 0 0 k h z ，范围较广；过载能力强，输入电流和输出 电压在电路过载时仍然具有线性比例关系；可靠性高，平均工作无故障事故时 间大于5 0 0 0 0 个小时。 安徽理工大学硕士学位论文 此传感器依据的工作原理主要是霍尔效应原理。当原边电流i p 经过电流传感 器时，会产生磁力线，与此同时，在磁芯气隙中，霍尔电片可产生与原边磁力线 成正比的，大小为毫伏级的感应电压，通过后续信号调理电路可将带有串扰的微 小信号转化为副边电流i s ，得到以下关系式： i s * n s = i p * n p 其中，i s 一副边电流； i p 一原边电流； n p 一原边线圈匝数； n s 一副边线圈匝数； n p n s 匝数比，一般取n p = i 。 电流传感器的输出信号是副边电流i s ，它与输入信号( 原边电流i p ) 成正比，i s 一般很小，只有1 0 - 4 0 0 m a 。如果输出电流经过测量电阻r m ，则可以得到一个 与原边电流成正比的大小为几伏的电压输出信号。 使用霍尔电流传感器的方法简单易行，只需将电流信号线穿过传感器的线孔 即可。同样的方法，将三相电流线分别穿过各自的霍尔电流传感器的线孔。再接 入士1 2 v 供电电压，输出信号线直接引入监控系统，其测量电路如图2 6 所示。9 1 【2 0 】 图2 6 磁平衡式霍尔电流传感器测量电路示意图 f i g 2 - 6m e a s u r i n gc i r c u i to fm a g n e t i cb a l a n c et y p eh o l z e rc u r r e n ts e n s o r 1 8 安徽理工大学硕士学位论文 制的串行通信网络。是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上的， 不过，其模型结构只有3 层，即o s i 底层的物理层、数据链路层和应用层。 c a n 总线与一般通信总线相比，其数据通信具有突出的可靠性、实时性 和灵活性。其特点如下： ( 1 ) c a n 总线的工作方式为多主方式，任何节点在网络上均可随时向其他节 点发送信息，无主从关系之分； ( 2 ) c a n 总线节点在报文标识符上有鲜明的优先级制度，数据优先级较高的 传输时间最多可在1 2 0 1 a s 内完成； ( 3 ) 采用总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先 级较低的节点会主动退出发送，而优先级较高的节点可不受影响继续传输数 据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下， 也不会出现网络瘫痪情况； ( 4 ) c a n 节点只需要通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点 及全局广播等几种方式传送数据； ( 5 ) c a n 总线通信距离最远可达1 0 k m ( 速率在5 k b p s 以下) ；速率最高可达 1 m b p s ( 此时距离为4 0 m ) ； ( 6 ) c a n 总线的驱动能力决定了总线上的节点数，现阶段可达1 0 0 个。在帧 报文标准标识符有1 1 位，而报文标识符扩展帧的个数基本不受制约； ( 7 ) 报文以短帧结构进行传输，具有时间短，受外界影响的概率低，数据报 错率低的特点； ( 8 ) 当发生严重错误时，c a n 节点可自动停止传输功能，这样以来，总线上 其他节点将不受其干扰，仍可独立正常运行； ( 9 ) 在每一个帧信息码内c a n 功能区都包含有检错措施，例女1 c r c 校验等， 当遇到错误码段时，可自行查找错误源进行纠错； ( 1 0 ) 通信介质材料的选择范围广泛，光纤、同轴电缆或双绞线均可为备选 素材： ( 1 1 ) c a n 总线具有较高的性价比，结构简单，器件容