（电气工程专业论文）油田远程智能电机群控系统的研究.pdf

摘要 论文题目：油田远程智能电机群控系统的研究 学科专业：电气工程 研究生：张咏军签名： 指导教师：钟彦儒教授签名： 胡伟滋高工签名： 摘要 抽油机是石油开采中必须使用的设备，而电动机又是抽油机不可或缺的重要部分。因 此，随着国内石油需求量的增长，抽油机的数量不断增加，抽油机电控装置的发展将不可 避免，对抽油机电机的保护与控制的研究也将会有质的飞跃。 根据电机在油田生产中的使用情况，采用无线电机群控系统方案，用于监测、保护和 控制电机。在每个抽油机的电机上安装一个智能电机监控器作为监控网络的一个终端，每 个油区的电机构成了一个小型的网络监控系统，设置一台监控主机，通过无线数据传输技 术实现主机与多个终端的数据通信，监控主机能够实现遥测电机相关参数以及遥控电机的 启停。 本文对智能电机监控器的基本功能如电机参数的采集、电机保护、输出控制、数据传 输等电路的设计原理和控制软件设计方法作了详细的阐述和认真的研究。监控主机采用面 向对象的 i ，b 语言作为开发工具，文中介绍并分析了v b 在该系统中的应用、人机界面组态 的方法 该监控系统投入运行后，在生产过程中将发挥较好的作用。该系统不但能够提高电 机运行的可靠性，而且能够改善抽油机的工作效率。通过远程分布式智能监控，不但能够 减轻员工的劳动强度，而且能够降低设备故障率，运行稳定，具有广泛的推广价值。 关键词：电动机；群控；保护；无线数据传输 西安理工大学工程硕士学位论文 t i t l e ：t h er e s e a r c ho fr e m o t el n t e l u g e t 谭tm o t o rg r o u p c o n t r o l l i n gs y s t e mi no l lf i e l d m a j o r ：e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：y o n g j u r lz h a n g s u p e r v i s o r = p r o f y a n r uz h o n g s l g s l g p r o f w e i z ih u s i g n a t u r e ：业山：池 a b s t r a c t t h cp m p m gi san e c e s s a r ye q u i p m e n ti no i le x p l o i t a t i o n h o w e v e r , t h em o t o ri sa l l i n d i s p e n s a b l ep a r to ft h ep u m p i n g t h e r e f o r e ，a st h eg r o w t ho fd o m e s t i co i ld e m a n da n dt h e n u m b e ro fp u m p i n gu n i t , t h ed e v e l o p m e n to fp u m p i n ge l e c t r o n i cc o n t r o ld e v i c e sw i l lb e u n a v o i d a b l e 1 1 i es t u d yo fp r o t e c t i o na n dc o n t r o lw i l lb eaq u a l i t a t i v el e a pf o rt h em o t o ro ft h e p u m p i n g a c c o r d i n gt ot h em o t o ru s e di no i lf i e l dp r o d u c t i o n ，aw i r e l e s sm o t o rg r o u pc o n t r o l l i n g s y s t e mp r o g r a mi su s e dt om o n i t o ra n dp r o t e c ta n dc o n t r o lm o t o r a ni n t e l l i g e n tm o t o r g u a r d i a n s h i pd e v i c ei si n s t a l l e do ne a c ho f t h ep u m p i n gu n i ta sam o n i t o r i n gn e t w o r kt e r m i n a l t h em o t o r so fe a c ho fo i lf i e l d sc o n s t i t u t eas m a l ln e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m ac o n t r o l n l a i l i f 锄ei ss e tu pt oc o m m u n i c a t ew i t hm a n yt e r m i n a l st h r o u g hw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y , mh o s tc a l lb ea c h i e v i n gr e l a t e dm o t o rp a r a m e t e r st e l e m e t r ya n dr e m o t em o t o r c o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cf h n c 吐咄o ft h ei n t e l l i g e n tm o t o rg u a r d i a n s h i pd e v i c ea r ed e s c r i b e d i nd e t a i la n da l es t u d i e dc a r e f u l l y s u c ha st h ec i r c u i td e s i g np r i n c i p l e sa n dc o n t r o ls o f t w a r e d e s i g nm e t h o d so fm o t o rp a r a m e t e r sc o l l e c t i o n , m o t o rp r o t e c t i o na n dc o n t r o l , d a t at r a n s m i s s i o n a n ds oo n , m o n i t o r i n gm a i n f r a m eu s c qo b j e c t - o r i e n t e dv i s u a lb a s i cl a n g u a g ea sad e v e l o p m e n t t 0 0 1 t h i s p a p e ri n t r o d u c e s a n da n a l y z e st h e a p p l i c a t i o no fv bi nt h es y s t e ma n d h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ec o n f i g u r a t i o nm e t h o d s a f t e rt h em o n i t o r i n gs y s t e mi sr u n n i n g , i tw i l lg e tab e t t e rf u n c t i o n i h cs y s t e mn o to n l y nr a i s et h ec r e d i b i l i t yo ft h em o t o rm o v e m e n t b u ta l s oc a ni m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c yo ft h e p u m p i n g t h r o u g hr e m o t ei n t e l l i g e n td i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n g , n o to n l y 锄r e d u c et h e e m p l o y e e sl a b o rs t r e n g t h b u ta l s oc a nl o w e rt h ee q u i p m e n tb r e a k d o w nr a t e 皿em o v e m e n to f t h es y s t e mi ss t a b l ea n dh a v et h ee x t e n s i v ee x p a n s i o nv a l u e k e yw o r d s ：m o t o r ；b r o n pc o n t r o l l i n g ；p r o t e c t i o n ：w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n 前言 前言 抽油机是石油开采中的必需设备，而电机是抽油机的重要组成部分，随着国民经济的 飞速发展，国内对石油的需求量逐年增加，抽油机的使用量的增加，对抽油机电机控制和 保护的研究将不断深入。 直接起动不带保护的抽油机电机控制方案将会快速退出历史舞台，保持电机转速稳 定，具有多种保护功能及功率因数补偿的抽油机控制设备将是抽油机电控设备发展的主 流，由于这种抽油机控制方案具有软起动、缺相和过载保护以及功率因数补偿，其性能将 更加灵敏、更加迅速、更加准确和可靠。 带有遥控遥测功能，具有完善保护能力，可节能的抽油机电机控制器是一个研究热点。 它可以实现多台抽油机电机的集中控制，达到巡回检测，群控等功能 技术性能先进的抽油机电机保护装置可降低石油开采成本，带来巨大的经济效益，推 进石油企业装备的进步，使我国石油企业能很好地面对加入w t o 的挑战，增强参与国际石 油市场竞争的能力。 国内对抽油机电控设备的研究方兴未艾，将促进该领域的发展和进步。 i i ! 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：益纽丝鸯。译，。月l z 日 学位论文使用授权声明 本人妇g ! l 聋在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或勰密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) z 咿 论文作者签名：酗兰务导师签名 年f o h 以& 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的现状 电动机是油田抽油机“1 的不可缺少的驱动设备，由于其成本较高，因此，近年来对电 动机的监控和保护的研究也越来越多，提出了很多保护和控制方案，譬如实现电机的群控、 节能控制、智能控制等。 直接起动不带保护的抽油机电机控制方案将快速退出历史舞台，由于这种控制方案的 弊端太大，已不在大、中油田的采油企业中使用，地方油田将很快淘汰这种抽油机控制设 备。具有软起动、缺楣、过载保护及功率因数补偿的抽油机电机控制方案将大面积推广和 应用叫蜘。 为保护抽油机电机不被烧坏，所以具有软起动、缺相、过载保护及功率因数补偿的带 有智能化控制的抽油机电控设备将获得大面积推广和使用，应特别强调的是这种控制设备 中补偿电容将不是固定地接在抽油机电机的定子两端，而将是根据抽油机负载曲线随时自 动切换补偿电容的数量，从而使抽油机工作中整个周期内的功率因数都补偿到0 9 以上。 另外其缺相保护，过载保护性能将更加灵敏、更加迅速、更加准确和可靠。保持电机转速 稳定，具有多种保护功能及功率因数补偿的抽油机控制设备将是抽油机电控设各的发展主 流。保持电机转速稳定，按抽油机负载调压，同时具有多种保护功能及功率因数补偿的抽 油机控制设备将是抽油机电控设备的发展主流，由于这种抽油机控制方案具有保护功能齐 全、自身带有软起动、缺相、过载、电机过热等保护，且可根据地下油藏及抽油量的大小 而自动调节抽油机电机的端电压，同时有功率因数补偿环节，可极大的减小抽油机工作中 拖动电机的损耗，实现很好的节能效果，毫无疑问，这种方案将是抽油机电机控制方案的 主流，将在各油田获得广泛应用，其市场前景巨大。 带有遥控遥测“3 功能，具有完善保护能力，可节能的抽油机电机控制器是一个研究热 点。由于采油井分布地域复杂，有的位于高山之上，有的位于河谷，有的位于沙漠腹地， 各井位之间有相当的距离，在油田并不是每个生产油井都有人值班，所以带有遥测和遥控 装置，同时保护功能齐全、功率因数高及节能效果明显的抽油机控制装置将是抽油机电机 控制设备的一个发展方向。这种控制器可以实现多台抽油机的集中控制，达到巡回检测， 群控等功能，能把抽油机的生产运行情况及时向中央控制站报告，特别符合油田的生产需 要，是未来几年内抽油机控制器的一个研究热点，将代表着抽油机电机控制器的发展方向。 群控系统的应用比较成熟。譬如电梯群控系统、锅炉群控系统等，而石油工业中抽油 机电机控制，到目前还有很多采用简单的电气控制电路，这种控制方式已经不能满足现代 化生产的需要，实现智能群控是大势所趋，不但减少了劳动力，而且降低了电机损坏率， 在一定程度上节省了能源损耗。 1 西安理工大学工程硕士学位论文 1 2 课题研究的意义 石油行业的特点本身就是大通量、满负荷的连续运转，因丽对抽油机电机设备的可靠 性和稳定性要求极高，一旦发生事故，必须马上查找故障原因并及时消除，以保证及时恢 复生产。 在我国油田中有杆抽油系统仍然是油井生产的主力，如何实现生产过程的自动检测与 实时监控不仅关系到成品原油的产品质量、关系到设备的能耗大小，更决定着生产过程的 安全平稳运行及原油生产的经济效益。在这种形势之下，石油工业开始向数字化、网络化、 模型化的智能生产技术方向发展。 在我国，中小型油田企业无论从规模、技术、管理上看，总体上存在着规模小、装备差、 技术水平低，运行效率低，消耗大等问题。 为了实现中小型油田生产、安全实时监控与管理，提高现代化管理水平，实现节能降 耗，降低设备维护率，提高设备使用寿命，根据油田生产现场分散的实际情况，并结合生 产企业的需求，设计了“油田远程智能电机群控系统”。此设计可实现“间歇抽油”、。实 时检测”以及“远程监控”，很好的解决了由于地下油层能量不足形成的“干抽”对机泵 造成磨损的实际问题，实现了节电降耗，提高了生产效益，加强了油田安全生产的管理， 对油田实现可持续发展具有重大意义。 1 3 课题来源及背景 由于油田生产区域广阔，油井分布比较复杂，特别是受自然条件因素的制约，不少油 井工作状态参数不能及时掌握，特别是电机运转数据，它对油并的稳产、高产至关重要。 为方便油田生产管理，减轻采油队劳动强度，降低电机的损坏率，我们开发了油田远程智 能电机群控系统。油田远程智能电机群控系统实现了远程采集电机的相关参数，远程控制 电机启动与停止，能够实现无线的数据传输嘲只要是电机出现不正常的运行状况，在监 控中心即可观测到，使油田工人不必要每天都去偏远的生产环境恶劣的油区进行巡察，检 查抽油机的运行情况，记录电机运行参数等数据。即使油井生产设备被盗，被破坏情况非 常严重时，抽油机一停机，值班人员很快就被发现，避免了长时间停产现象，严重影响生 产的正常运行。根据目前油田生产的实际情况。提出采用无线电机群控的生产自动化技术 方案嘲，即将监控主机设在采油队值班室，每个油田抽油机电机安装一个智能控制器作为 监控网络的一个终端设备，通过无线数据传输电台实现主机与终端设备的数据交换 本课题来源于某企业，与企业联合开发油田远程智能电机群控系统。 1 4 课题研究的内容 本文结合油田生产的实际情况，根据抽油机电机可能出现的故障，提出一种新的自动 化解决方案：既采用无线远程电机群控系统，该系统可采用三级网络结构忉，最底层是分 布式的电机智能控制器，中间层是采油队监控中心，顶层是厂级生产管理部门。系统采用 2 绪论 单片机控制技术、电力电子技术、网络技术、自动检测技术、传感器技术、无线电技术等 构成综合电机群控系统嗍嘲渊 论文研究的主要内容： 1 设计油田抽油机电机智能控制器硬件电路和控制软件 本控制器的主要功能包括： ( 1 ) 电机电流采集：采集异步电动机的a 、b 、c 三相电流，可以实现三相不平衡报 警和过流报警； ( 2 ) 电机自动保护：遥控启停、软启动保护、过压、欠压、缺相、断相保护、延时 启动等； ( 3 ) 无线传输功能：利用数据传输模块实现无线传输采集数据，智能控制器接收主 机发送命令等 2 监控主机通信程序设计 根据数据通信传输协议，编写上位机通讯程序、接收控制器发送的数据，发送下达的 控制指令。监控主机的接口采用串行c o m 口与无线数据传输模块通过r s 2 3 2 c 连接。 3 监控主机实现后台控制管理，利用v b 软件，实现电机电流曲线的显示，查询历史 信息，显示并记录过压、欠压、缺相、断相、过流、三相不平衡报警，制定抽油机间歇启 动时间及遥控发布指令等。 本课题研究的“油田远程智能电机群控系统”是油田抽油机电机参数监测和运行保护 的智能化多功能仪器，为油田生产提供了安全、可靠、高效的控制和保护。 3 西安理工大学工程硕士学位论文 2 群控系统原理设计及功能分析 2 1 群控系统原理设计 2 1 1 群控系统结构设计 本课题研究的是一种远程智能电机群控系统。其结构框图如图2 - 1 所示。本系统采用 两级网络结构设计，以采油队的监控主机负责本油区的抽油机电机监控，采用一点对多点 的通讯方式，监控主机定期巡检各个智能电机监控器，接收智能控制器发送的数据，并进 行存储，同时可以显示接近实时的动态曲线( 譬如电流曲线图) ，通过这些数据信息，工 作人员可以及时进行判断并进行相应的处理，发送控制命令给控制器，由控制器完成对电 机的直接控制。 图2 - 1 系统结构框图 ”f i g 2 1s y s t e ms l r t l c t u n ：丘锄d i a g r a n 监控系统由两部分组成：监控器和上位机监控软件。监控器由主控模块和电源模块组 成，安装在现场，完成信息的采集、电机控制、报警等功能上位机监控软件，安装在监 控中心，主要是实现远程的监控，方便了维护、管理和检修。 2 ，1 2 监控器原理设计 监控器的原理框图见图2 2 。其中主控电路的核心部件是4 0 引脚的“p l c l 6 f 8 7 7 a ” 微型控制器芯片，便于数字化、智能化、网络化等现场总线连接监控，其扰干扰能力强、 精度高、工作性能稳定可靠。时钟日历芯片采用p c f 8 5 6 3 ，p c f 8 5 6 3 是低功耗的c m o s 芯 片，内有1 6 个8 位寄存器，可产生时、分、秒的时间和日期芯片的工作电压通过电源 4 群控系统原理设计及功能分析 模块提供。 p i c l 6 f 8 7 7 a 是监控器的核心，实现数据采集及控制的智能化，这个智能微处理电路 接有指示电路、按键电路、动作执行电路、通讯模块。指示电路部分利用l e d 指示功能， 实现逆相、缺相、过流、不平衡、电池报警以及吸合、断开指示；利用液晶显示器j h d l 6 2 a 的显示功能，实现时、分、秒时问显示和起动时间、停机时间、延时时间的设置显示以及 起动电流显示、运行电流实时显示、报警显示功能。按键电路可实现系统参数的设置，包 括时间设置、钟控起动时间设置、钟控停机时间设置、上电延时时间设置、起动电流显示 时间设置、过流倍数监控设置等。动作执行电路经中间继电器带动与电动机电源相接的交 流接触器，实现三相电机的起动与停机。通讯模块通过r s - 2 3 2 通讯接口连接无线通讯模 块实现信息传输，一台上位机可接多台监控器，并可对每台电机进行参数设定、启停控制 操作，可实现单台或多台电机的运行状态监测、历史数据保存、查询和打印等功能，便于 保护信息的自动化管理。监控器具有追忆功能，可存储近期电机所发生的三次故障原因， 便于工作人员对故障的查询与处理。 通过组合逻辑电路对三相电源相关参数进行检测，并输出“逆相、缺相”报警信号与 “断开”信号，以实现“缺相”保护功能。集成运放电路与p i c l 6 f 8 7 7 a 相连接，对运行 电流进行实时监控，并输出“过流”报警信号与“断开”信号，以实现过流保护功能。 图2 - 2 监控器的原理框图 f i g 2 - 2p t i n c l p i ef r a m ed i a g r a mo f m o n i t o r i n gm a c h i n e 5 西安理工大学工程硕士学位论文 2 1 3 远程监控软件原理设计 远程监控软件安装在监控主机上，实现后台控制管理利用v b 软件作为开发工具， 制作监控界面，实现电机电流曲线的显示，显示并记录过压、欠压、缺相、断相、过流、 三相不平衡报警，制定抽油机间歇启动时间及遥控发布指令等上位微机利用v b 和数据 库实现数据的存储功能，可保存所监控的所有电机的启动时间、停机时间、故障发生时问、 故障原因、故障发生时电机的工作参数等数据，以供用户查询，并可对历史数据进行查询、 打印等。 2 2 监控器功能分析 图2 - 3 为监控器的功能框图，根据框图内容，本节作了详细的功能分析 监 控 罂 功 能 曼示报警功能 钟控起停功能 电机保护功能 参敷设置与记忆功能 串口通讯功能 l c d 显示功能 l 髓指示功筮 上电延时起动功能 钟控起停功能 开机缺相保护功能 欠压保护功能 逆相保护功能 电流检测与过流保 护功能 三相不平衡保护功 能 图2 - 3 监控嚣的功能框图 f i g 2 - 3f u n c t i o nf r a m ed i a g r a mo f m o n i t o r i n gm a c h i n e 2 2 1 显示报警功能 1 、l c d 显示功能 北京时间显示功能：显示时、分、秒。 钟控起动时间显示功能：。显示设置的起动时间( 时、分) 。 钟控停机时阀显示功能；显示设置的停机时间( 时、分) 。 上电延时时间显示功能：显示设置的延时时间( 分、秒) 。 6 群控系统原理设计及功能分析 起动电流显示功能：显示三相电机起动三相电网接通时的某相电流( 显示时间为3 s ， 欲显示的相电流可以任意设置) 。 运行电流显示功能：可以实时显示三相电机三相电网运行时的相电流。 报警显示功能：当某个按键长闭不断，并影响监控器正常运行时，l c d 将显示故障标 一 j t 生o 2 、l e d 指示功能 缺相欠压报警灯：当三相电网缺相欠压时，该灯燃亮。 过流报警灯：三相电机起动后三相电网投入运行后，起动电流运行电流无明显下降 并居高不下时，该灯燃亮；在三梗电机运行中，当电机电流发生突变并超过运行电流基准 值2 倍以上时，该灯燃亮。 三相不平衡报警灯：当电机电网三相运行电流不平衡时，该灯燃亮。 主接触器吸合指示灯：当主接触器吸合控制回路接通时，该灯燃亮。 断电指示灯：当主接触器自保持控制回路断开时，三相电机三相电网被停止运行， 该灯燃亮 2 2 2 钟控启停功能 。 1 、上电延时起动功能 通过l c d 显示屏和按键操作，可以设置主接触器在设置的“起动接通”时刻起，经 适当延时后“吸合”，从而通过不同的延时时间设置，使同一支线上的数台变压器在线路 恢复供电时分步接通负荷，降低因负荷同时投入形成的涌流对电网的冲击。 2 、钟控起停功能 监控器按北京时间计时，根据设置时间，每日可设置8 次“起动接通”和8 次“停 机断开”功能j 实现避高峰用电和避免干抽对井筒的磨损。 2 2 3 电机保护功能 1 、开机缺相保护功能 监控器上电后，即对三相电源电压进行检测，在三相电源电压缺相时，监控器输出“缺 相”报警信号与“切除”信号，使主接触器无法吸合，三相电机网络被禁止接通。 2 、欠压过压保护功能 监控器上电后，即对三相电源电压进行检测，在三相电源电压欠压过压时，监控器 输出。欠压过压”报警信号与“切除”信号，使主接触器无法吸合，三相电机网络被禁 止接通。 3 、逆相保护功能 监控器上电后，即对三相电源相序进行检测，在三相电源逆相序时，监控器输出“逆 相”报警信号与“切除”信号，使主接触器无法吸合，三相电机网络被禁止接通 4 、电流检测与过流保护功能 7 西安理工大学工程碛士擘往论文 主电路负荷接通之后，监控器即对起动电流进行连续采样、实时监测。起动后3 s ( m i n ) 内，起动电流无明显下降并居高不下时，监控器立即输出。过流”报警信号与“切除”信 号，三相电机网络被断开，等待人工恢复。 在三相电机网络运行中，当运行电流发生突变并超过运行电流基准值4 倍以上时， 经3 5 s 延时判断确认后，监控器输出“过流”报警信号与“切除”信号，三相电机网 络被断开，等待人工恢复 在三相电机运行中，当电机电流发生突变并超过运行电流基准值2 倍以上时，经3 0 s 延时判断确认后，监控器输出。过流”报警信号与“切除”信号，三相电机网络被断开。 1 分钟后，三相电机网络被再次接通，若电机网络电流仍然超过运行电流基准值2 倍以 上时，经3 0 s 延时判断确认后，监控器输出“过流”报警信号与“切除”信号，三相电机 m 络被断开，等待人工恢复 5 、三相不平衡保护功能 在三相屯机网络运行中，当电枫网络三榴运行电流发生不平衡对( 不平衡程度大于 3 0 ) ，经3 0 s 延时判断确认后，监控器输出“三相不平衡”报警信号与“切除”信号，三 相电机网络被断开。1 分钟后，三相电机网络被再次接通，若电机网络三相运行电流 不平衡程度仍然大于3 0 9 6 时，经3 0 s 延时判断确认后，监控器输出“三相不平衡”报警信 号与“切除”信号。三相电机网络被断开，等待人工恢复 2 2 4 参数设置与记忆功能 内部设有备用电池，供停电时维持内部时钟芯片正常运行，恢复供电后无须重新进彳亍 时间设置与调整。 系统参数可由用户通过面板按键来设置，系统参数保存在内部e e p r 咖中，即使监控 器断电，参数也不会丢失。 系统设置有密码保护功能，对系统参数进行设置时要求先确认密码，方能进入参数设 置。 2 2 5 骼2 3 2 串口通讯功能 系统设置有r s 2 3 2 串口通讯“功能，利用无线数据传输模块，进行数据的接收与发送 可将采集到的电流参数送到计算机，进行计算机数字处理与分析，对供电网络进行动态跟 踪与显示 2 3 远程监控软件功能分析 远程监控软件安装在监控主机上，实现后台控制管理。利用、，b 软件作为开发工具， 制作监控界面，实现电机电流曲线的显示，显示并记录过压、欠压、缺相、断相、过流、 三相不平衡报警，制定抽油机闼歇启动对阅及遥控发布指令等v b 和数据库进行链接。 实现数据的存储、历史信息查询等功能。 8 监控器软硬件设计 3 监控器软硬件设计 3 1 监控器硬件设计 监控器由电源模块和主控模块组成，安装在现场，完成电流采集、电机控制、保护报 警等功能。其原理图见附录。下面分别对各模块的设计进行详细介绍。 3 1 1 电源模块设计 电源电路的原理图见图3 - 1 电源电路主要是给主控模块提供电源，三相3 8 0 v 交流 电经过3 8 0 v 1 0 v 变压器转换为1 0 v 交流电，经过全桥整流、电容滤波、7 8 0 5 稳压得到 单片机控制电路应用的5 v 电压。 在给主控电路提供电源的电路中，变压器的一次侧加了两个压敏电阻( v o l t a g e d e p e n d e n tr e s i s t o r ，简写为“v d r ”) 。压敏电阻是一种以氧化锌为主要成份的金属氧化 物半导体非线性电阻元件；电阻对电压较敏感，当电压达到一定数值时，电阻迅速导通。 压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阈值“u s ”时，流过它的电流极小， 相当于一只关死的阀门，当电压超过u n 时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。利用 这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。本设计 压敏电阻主要应用于瞬态过电压保护。 图3 - i 电源电路原理图 f i g 3 - 1p o w e rs u p p l yc i r c u i tp r i n c i p l ed i a g r a m 3 1 2 主控模块设计 1 p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机性能简介 美国m i c r o c h i p 公司的p i c8 位单片机其生产史1 1 年，但现在其产量已跃居世界第二 位，仅次子m o t o r o l a 公司。现在p i c 单片机的品种已超过1 2 0 种。p i c 单片机是r i s c 结 9 西安理工大学工程硕士学位论文 构的单片机，具有高速处理数据的特性。f i c l 6 f 8 7 7 a 内部自带看门狗、2 5 6 字节的 e e p r o m 、8 路a d 功能、l s p 功能和宽电压工作，工作可靠，能很好的适应智能控制器 的应用开发嘲吲。 p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机的基本特性：“哈佛”结构，功能强大的r i s c 单片机内核；8 层 硬件堆栈用于保护和恢复程序计数器；工作频率o 2 0 删z ，用户可选的多种时钟模式； 引入指令执行流水线机制，指令顺序执行时1 条指令只需1 个指令周期，程序分支跳转需 2 个指令周期；全部3 5 条指令，每条指令占1 个字，程序字长1 4 位；程序空间最大物理 可寻址范围5 1 2 字节，使用寄存器文档的概念；丰富的外围功能模块；片内或片外多种信 号中断机制；片内具备独立看门狗。 2 智能控制器单片机复位及时钟电路 单片机复位及时钟电路如图3 2 所示。本设计采用上电复位和按键复位相结合的综合 复位方法，保证系统正常复位时钟采用4 m 时钟晶体振荡器，每个指令周期最小可达 o 2 5 u s 。 图3 - 2 单片机复位及时钟电路 f i g 3 - 2m c ur 酬e 血喀a n dc l o c kc i r c u i t 3 智能控制器报警显示电路 报警电路实现过流、欠压、过压、不平衡、断相、逆相等的报警显示，其中欠压、过 压、断相、逆相报警由硬件电路直接完成，而不平衡、过流报警则由单片机经检测判断后 发送过来。 监控器软硬件设计 【_ r _ l州d n w 目“口 正 r i -唧0 n -”o 正 r l m _“o 正 i v l “j ln 竿 i 。ja ；匕 卜i t ： 图3 - 3 报警显示电路 f i g 3 - 3 a l a r m i n ga n dd i s p h y i 甥c i r c u i t 4 智能控制器按键电路 本设计共配置了四个按键：m e n u 、a d d 、d e c 、e n t e r ，可以实现液晶显示的内容切换， 设置系统时间日期，设置钟控时间，四个键直接接入单片机的i o 口，通过查询完成键控 制。 f i g 3 - 4k e yc i r c u i t 5 智能控制器液晶显示电路 液晶显示电路如图3 - 5 所示，其主要显示系统时间、钟控时间、三相电流等参数。l c d 液晶模块选用j h d l 6 2 a 型“”，显示内容为1 6 字符2 行，字符点阵为5 8 点，芯片工作 电压为4 5 5 5 v ，工作电流为2 ( h n a ( 5 o r ) ，字符尺寸为2 9 5 4 3 5 6 v 1 0 m m ，反射型、 带绿色背光。接口信号如表3 - 1 所示。 西安理工大学工程硕士学位论文 表3 - 1 j i - i d l 6 2 a 接口信号 编号 符号 引脚说明编号符号 引脚说明 1v s s 电源地 9d b 2d a t a i o 2v o c 电源正极 1 0d b 3d a t a f o 3 v e e 液晶显示偏压信号 1 1d b 4d a t a i o 4r s 数据，命令选择端( h l ) 1 2d b 5d a t a l ，o 5r w读，写选择端( h l )1 3d b 6d a t a i o 6e 使能信号 1 4d b 7d a t a v o 7d 肋d a t a i o 1 5l e d + 背光源正极 8d b l d a t a i o 1 6u e m 背光源负极 圈3 - 5 液晶显示电路 6 智能控制器串行通讯电路 根据p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机串行口的特点，选用无线数传模块，其接口为标准r s 2 3 2 c 串行口，与p i c l 6 f 8 7 7 a 的串行口1 阻电平连接时，通过专用电平变换芯片m a x 2 3 2 实 现连接，电路如图3 6 所示。 7 无线通讯电平转换框图如图3 - 7 所示。无线数据传输模块选用美国m d s 无线数据通 信公司产品，m d s 4 7 1 0 数字电台。m d s 电台是专业级的无线数传电台。m d s 数字电台 的性能价格比在常规电台中独占鳌头，覆盖频率为3 3 0 5 1 2 m h z ，它的数据吞吐量大， 传输距离远，全透明异步实时传输。使用标准的异步通讯协议，电台本身的数据接口为标 准的r s 2 3 2 接口。无需特别设置及编程，并提供一路通用的数字输出。设备具有发射启 动快、收发转换快、可以连续发射、功耗低、工作温度范围广。电台具有网管功能，通过 m d s 专用网管软件或通用网管软件可以远程设置电台各项参数。m d s 电台具有很高的性 能，在稳定性，可靠性、抗干扰性、传输速率远远超过模拟电台和普通的数传电台。 】2 监控器软硬件设计 m d s 数字电台可在现场设置为主站或子站，可以半双工或单工运行。支持各种收发 频率闻隔，主站电台可以做网管单工运行模式允许所有电台之间的通信。本产品使用于 u l 标准一级二类，a 、b 、c 、d 各种恶劣危险的环境使用电台性能优异，数据可靠， 坚固耐用。采用了d s p 技术，自适应均衡，前向纠错技术，速率达到1 9 2 0 0 b p s 。电台安 装简便易行。无线系统的安装实施快，投资见效快。电台无须特别编程设置，任何常见异 步通信协议都可以使用。电台在最恶劣的环境下使用，电台设计出色。在干扰严重，传 输路径阻挡的环境下表现优异。 图3 击串行通讯接口电路 巧舀3 6s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t c 】矗c i r c u i t r i t x t or x m d s m a x 2 3 2 模块 g n dg n d 闰3 - 7 无线通讯电平转换框图 f g 3 7 9 r l r e l e s sc o m m u n i c a t i o nv o l t a g ec o n v e r s i o nf r a m cd i a g r a m 本控制器采用全双工方式通信，以提高可靠性，利用串行口工作模式2 和3 来实现一 点对多点的多机通信，工作过程是：当主机向多台从机发出呼叫命令时，首先发出一帧地 址信息，其地址信息是第9 位置1 ，各台从机按方式2 工作，收到信息时都发生中断，执 行中断程序，将接收到的地址与自身设定地址比较，相同时则转入工作方式3 ，接收主机 发送的命令数据，然后发送自身的数据信息，完毕则返回方式2 状态，而地址不相同的从 机仍然按方式2 工作，不再对主机发送的数据产生中断，继续执行原先的工作任务，这样 主机就可以依次巡检每台从机进行数据交换，从而实现一点对多点的分布式通信方式 7 智能控制器电流检溺电路 电流检测电路如图3 8 所示，主要检测三相电流，即a 相、b 相、c 相，提供三相电 西安e t - r 大学- y - 彩 j i - 1 - 学位论文 流数据，进行三相不平衡判断，分析电机是否正常运行。 电流引入端接电流互感器的二次侧，采用星形接法，经l m 2 9 0 4 构成的同相比例放大 电路将信号放大，由二极管i n 4 0 0 7 进行整流，由电容滤波经电阻转换为电压信号送单片 机模拟信号输入口r a 0 进行数字转换。 图3 - 8 电流检测电路 8 智能控制器过压欠压检测电路 本设计将三相电源的相电压作为取样信号，设计了一种三相欠压过压保护电路，当 三相电源有一相或者几相相电压低于1 8 0 v 或高于2 6 0 v 时，将检测信号送入单片机，单 片机发出控制命令通过驱动切断负载的电源，并且用发光二极管发光示警，提醒值班人员 注意三相电源有某相或者某几相欠压或者过压，便于及时排除故障；当三相电源各相电压 恢复到1 8 0 2 6 0 v 之间时，自动恢复供电。 该三相欠压过压保护电路由三相取样电路、双限比较器、发光报警电路、或非门等组 成。工作原理如图3 - 9 所示。三相电源的三相相电压经过取样电路降压、峰值检波后，输 出到双限比较器与基准电压进行比较。若三相相电压都在1 8 0 2 6 0 v 之间，比较器输出 1 4 监控器软硬件设计 低电平，输入或非门电路，三相信号经或非门和非门输出v o 为低电平v o l ，发光二极管 不亮当三相电源中有一相或几相相电压低于1 8 0 v 或高于2 6 0 v 时，比较器输出高电平， 输入或t 1 1 f 1 ，或非门再经t l i f 7 输出v o 为高电平v 傩，点亮发光二极管。发出报警信号给 单片机，由单片机控制切断负载的电源，实现三相缺相保护。 该保护电路同时也能用于缺相和三相不平衡保护，且电路简单，调试方便，具有准确、 稳定、反应速度侠等特点，有一定的实用价值。 乒氧岖簧糟 手辫置户巧昱母牛辫耋苴 书茹t 0 芦p 1 了 m “ 图3 - 9 过压欠压检测电路 f i g 3 9i i 曲a n dl o wv o l t a g ee x a m i n a t i o nc i r c u i t 西安理工大学工程硕士学位论文 9 智能控制器断相逆相检测电路 图3 1 0 电路中，三相电、r a 、v b 、v c 经光电隔离器产生过零触发脉冲，从图中不 难看出，只取正向电平反向截至，经分析得出，若有一向断相，则在一个周期( 频率为 5 0 i - i z ) 之内，必有一个时刻三相电平同时为低，经过或非门和反相器之后输出必然为低， 从而可知有一相处在断相状态 过零检测电路经光耦和反相器之后，有三个分支送入相序检测电路“”相序检测电路 用于检测三相交流电的相序是否正确。若相序正确，则电路输出信号为低电平，逆相报警 灯不亮；否则，逆相报警灯点亮，并将报警信号送入单片机，由单片机发出控制信号驱动 继电器回路，完成切断电源的动作。 该电路主要由一片c d 4 0 1 3 双d 触发器构成。三相交流电经降压、隔离后变换为低 压脉冲信号输入到本电路的三个输入端口，v a 、v b 两端信号经光隔和反相后，分别作为 两个d 触发器的时钟信号，v c 端信号经光隔和反相后，经过电阻和稳压二极管限幅、整 形，再经微分电路变为尖脉冲作用于两触发器的复位端r 。若相位顺序正确，即以a 、b 、 c 的顺序出现正脉冲，如图3 1 1 ( 1 ) 所示，则a 的上升沿首先使q 1 输出高电平，然后 q 2 在b 的上升沿作用下变为高电平，最后c 的上升沿在r 端产生的尖脉冲使两个d 触 发器复位，q l 、q 2 回到低电平，完成一次循环。三相交流电是周期信号，q 2 输出脉冲 的频率与三相交流电频率相同，该电压使发光二极管不断闪烁，表明相序正常。若相序不 对，则q 2 输出保持低电平不变，发光二极管一直不亮，表明错相了，由单片机进行处理， 发送控制信号控制电机停止运行，波形如图3 1 1 ( 2 ) 所示。 图3 1 0 断相逆相检测电路 f i g 3 - 1 0 l a c k o f p h a s ea n da n t i - p h a s e e x a m n a t l o n c i r c u i t 监控器软硬件设计 几n 厂 l 几n 厂 囊 c 厂 厂1f c li 一 _ 1 几几 翻 越 n几门 避 ( 1 ) 正确相序波形图( 2 ) 错误相序波形图 图3 1 1 相序检测波形图 v w , 3 - l xp h a s eo r d e re x a m i n a t i o nw a v ed i a g r m s 1 0 智能控制器时钟日历电路 图3 - 1 2 时钟日历电路 f i g 3 1 2c l o c ka n dc a l e n d a rc i r c u i t p c f 8 5 6 3 是低耗的c m o s 实时时钟b 历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中t 断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过i 2 c 总线接口串行传递。最大总线速度为 4 0 0 k b i t s s ，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。p c f 8 5 6 3 的低工作 电流为典型值为0 2 5 u a ( v d d