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毕业设计论文
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电动机生产动态分析系统设计,毕业设计论文
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I 摘 要 电动机的应用量大面广，电动机的安全可靠运行直接关系到生产的正常进行。在油田生产中，电机保护更显的尤为重要。本文是根据大庆油田第二采油厂的实际需求，建立电动机生产信息数字化管理系统。 系统整体设计思想是利用基于单总线技术的 iButton 作为信息的载体；用Delphi 语言，按照单总线协议实现对 iButton 中数据的读取，再把读取的数据出到SQL Server 数据库中或以流文件的形式储存到硬盘，最后把数据绘制成折线图或者是圆周图显示出来。该系统将电动机测试数据、生产动静态信息、电动机电流、电压监测资料有效 的统一结合，充分发挥网络管理优势，实现网络查询每一个电动机参数以便各级管理人员及时掌握每口井生产动态，及时采取相应生产措施。 关键词： 电机保护；单总线； Delphi； iButton nts II Abstract The electric motor should the amount used big surface be broad, the electric motor security reliable run directly relates the production normally to carry on. In oil field production, Electrical machinery protection reveals especially is important. This article is second picks the oil refinery according to the Daqing Oil Field the actual demand, establishment electric motor production information digitization management system management system. The system overall design thinking is the use takes the information based on single bus technology iButton the carrier; with Delphi language, The data is read according to the 1-wire bus protocol implementation to iButton in takes, again reads the data which takes to leave to SQL in the Server database or flows the file the form to store up the hard disk, finally draws up the data folds the graph or is the circumference chart displays. This system the electric motor test data, the production sound of something astir condition information, the electric motor electric current, the voltage monitor information valid unification union,fully displays the network management superiority, the implementation network inquires each electric motor parameter in order to all levels of administrator promptly grasps each well production performance, promptly takes the corresponding production measure. Key words： Electrical machinery protection; 1-wire bus; Delphi; iButton nts III 前 言 本论文研究的目的是结合大庆油田第二采油厂的实际情况，设计出一套电动机生产动态分析系统。电动机在油田生产过程中的应用量非常大，电动机的正常运行直接关系到油田生产的正常进行，因此电机保护是油田生产的重要工作之一。本文所做的工作就是在现有的电机保护技术基础上，利用达拉斯公司纽扣存储器存取方便，易于保存的优点，采用单总线存储技术为信息读取的技术依托；采用功能强大的 Delphi 语言进行界面的设计、图形的绘制和数据的读取，采用微软公司的 SQL Server 数据库的数据存储技术，将读出的数据入库，同时以流文件或文本文 件的形式储存到硬盘，实现双备份。将数据绘制成折线图或者是圆周图显示出来，方便工作人员的查询、分析。将电动机测试数据、生产动静态信息、电动机电流、电压监测资料有效的统一结合，充分发挥网络管理优势，实现了网络查询每一个电动机参数，以便各级管理人员及时掌握每口井生产动态，针对出现的问题及时采取相应的整改方案，确保油田生产的平稳可靠运行，为油田生产节省人力和物力。 本文分为五章： 第一章：概述简要的说明了本文的基本内容和要用到的技术； 第二章：介绍了单总线协议和单总线技术，包括它的产生、发展、硬件结构、软件实现和应 用。 第三章：系统的设计方案，编程工具的选择；怎么样读取 iButton 里数据到存储数据；怎么把数据用图形的方式直观的显示出来。 nts IV 目 录 第 1 章 概 述 1 1.1 电机保护系统概述 1 1.2 单总线技术概述 3 1.3 本文所做的工作 4 第 2 章 单总线 (1-Wire)协议及单总线技术 5 2.1 单总线传输的硬件基础 5 2.2 单总线协议 6 2.3 单总线技术的软件实现 10 2.4 单总线技术的优势 14 第 3 章 系统的解决方案 17 3.1 开发语言平台的选择 17 3.2 系统整体设计 方案 19 3.3 系统详细设计方案 20 3.4 应用效果分析 28 结论 29 参考文献 30 致 谢 31 附录 32 nts 1 第 1章 概 述 1.1 电机保护系统概述 电机在国民经济中起着十分重要的作用 ，电气、机械、冶金、建筑、煤炭、 石油、化工、汽车、飞机以及造船工业等现代工业生产及产业部门以至我们的日常生活，几乎离不开各种各样的电机，它们己是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置。它们数量之多，应用范围之广，地位之重要，几乎是没有其他设备所能与之比拟的，举一个简单的例子，一台生产线上主要电动机的故障，必将造成生产线的停工，它甚至会影响整个大生产系统的工艺流程，影响之大可以设想。据不完全统计，全国使用的中型电机大约有 2000 万台，每年烧毁的电机约占 16%，约 320 万台，平均每台的维修费用 1000 元，总费用为 32 亿元左右。另外，由于电机的故障、损坏所造成的其它事故以及导致工厂停产所造成的问接经济损失则更为巨大。造成这种现象的原因是多方面的，除了管理措施不完善等因素外，关键的问题是电机保护技术尚有不尽人意之处，误动、扰动的情况时有发生，常影响正常使用，以致出现多数用户不用或将保护装置甩掉的严重现象。在目前各种电机保护装置中，普遍存在着要么智能化程度高、价格过高、体积较大不便在有限制的控制装置中安装，推广难度大 :要么价格低而智能化程度低，对故障的判断由于缺少智能分析而影响使用效果，目前广泛使用不带 CPU 的集成电路制作的的电机故障检测仪，虽然可判断电流超限、缺相等故障，但无智能判断，只能简单地以电流超限为判据，而实际使电机发生故障是电流的时间和环境温度的函数，同时也不能对故障情况存储记录和数据显示，另外，仪器没有适时 运行参数显示功能，设定的参数与实际运行的参数无法对照，不能根据实际负荷情况设定电流，因此使用时既不准确可靠、又不直观方便，很不利于故障的排除，导致现场经常放弃使用这类保护。为避免影响生产，开发一种性能稳定、保护种类齐全、动作速度快、灵敏度高、可靠性好的智能电机保护器十分必要。 电机保护技术是 随着近代工业化的发展而发展起来的。早期的电机保护监控方法主要是采用继电器一类的模拟控制器件来实现，用定时继电器、行程开关、热继电器等对电机工作过程进行时序控制、行程控制、逻辑控制、设备保护等。这些模拟控制器件组成的常规控制系统具有可靠性高、易于维护操作等优点，并得到了一泛的应用。但随着工业生产向大型化、复杂化方向的发展，生产过程的nts 2 自动化程度要求越来越高，常规控制系统的局限性己经越来越突出，其主要表现为 :连线复杂、体积大、功耗高、工作速度慢、延时和控制精度低、设计、施工周期长、修改困难，尤其对模拟量难于进行数 字处理，在很多领域里的使用受到了限制。 50 年代以后，随着计算机技术、智能传感器技术、数字信号处理技术、集成电路技术的迅速发展，工业测控系统的应用研究取得了巨大的进步。随着新技术、新工艺不断地向传统的技术与工艺挑战，用计算机测控系统取代传统的测控仪，用现代的控制算法取代经典的控制算法，用灵敏、节能的新型智能传感器取代老式的变送器，己成为工矿企业及科研院所设计与改造工业测控系统首先考虑的问题。 随着科学技术的发展，电机保护系统正趋于走向智能化、模块化、虚拟化。 现代电机保护技术的发展方向： 1、 电机保护系统的 智能化。 现在一般的监控系统是指不带 CPU 或单片机的模板或设备。当一个测控系统中 I/O 设备太多，又要进行大量计算时，常出现在规定时间内不能完成指定任务的情况。单片机的出现，对许多仪器仪表的设计带来了一次根本的变革。由于单片机的功能适中、价格低廉，能适应工业或测控现场环境要求，人们把它作为仪器或设备的局部控制和总线接口的通信器件，从而构成一个智能化的监控系统，用于控制内部电路，同时与外部信号打交道，并按一定协议与总线进行数据交换。它大大减轻了主 CPU 的负担，同时提高了系统的实时性和整体测控性能。 2、 电机保护 系统的模块化 随着计算机技术、大规模集成电路和智能传感器技术的发展，新型的智能外围器件层出不穷。这种新型的智能外围器件具有功耗低、接口简单、结构紧凑、可靠性好、精度和性能价格比高等优点，越来越成为监控系统设计者们的首选器件。这使得传感器等外围电路部件的组合越来越容易，监控系统的设计越来越致力于系统的功能性设计。模块化的设计具有设计周期短、互换性好、精度高、可靠性和系统整体性能好等优点，更有利于产品的更新换代。 3、 选用器件的新型化 目前，某些新型器件以其极高的可靠性、极高的精度、简单的外围电路而在市场上独占 一方，其发展速度让人感到目不暇接。为了提高测控系统的性能价格比，并保持技术上的先进性，增强市场竞争能力，采用新研制出的器件设计或改进测控系统可以改善系统的整体性能。 总之，传统的电子测试仪器已从模拟技术向数字技术发展 ;从单台仪器向多种功能仪器的组合及系统型发展 ;从完全由硬件实现仪器功能向软硬件结合方向发展 :从功能组合向以计算机为核心构成多功能模块的自动测试系统发展。未来的测试nts 3 仪器和系统除了拥有更强大和完善的功能外，将更快、更小、甚至植入要测试的电路中，同时还要具备自我诊断、自我校准和自我感知能力。 1.2 单总线技 术概述 1.2.1 单总线技术的产生 随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们更依赖于获取外界信息的采集技术。敏感元件及传感器是人类探知自然界信息的触角，因此敏感元件及传感器行业成为了衡量社会发展和人类进步的尺度，作为现代信息技术的三大支柱产业之一，传感器技术越来越多的渗入到社会的各个应用领域，从最尖端的高科技到国防建设系统，从引领国际潮流的技术发明到各种人类生活用品，传感器技术已成为 21 世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。国 内 外在敏感元件与传感器的研究、开发、生产和应用主要表现为：自动化技术中经典的传感嚣正在被 新材料、新原理、多功能、微结构所取代；与数字化技术、通信技术的紧密结合；集成化、智能化和微型化进展。 在这种大背景下， 美国 Dallas 半导体公司推出的单总线 (1-Wire Bus)技术 。 与目前多数标准串行数据通信方式（如 SPI/I2C/MICROWIRE）不同， 单总线(1-Wire Bus)技术 采用单根信号线传输数据，而且数据传输是双向的，具有节省 I/O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。 单总线技术适用于单主机系统，单总线主控器能够控制一个或多个从机设备。主机可以选择专用的单总线控制 器，对于小型单总线网络，可选择单片机作为主控器，从机是单总线器件，它们之间的数据交换通过单一信号线进行。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作 。 1.2.2 单总线技术的发展及应用 单总线技术设计的最初目标只是用于相邻器件之间的短距离通信，一种通过 微处理器的一个端口增加辅助存储器的方法。实际应用中，用户很快就发明了许多独特的应用，其中包括扩展总线和从机器件与主控器之间的远距离通信。单总线器件也针对多点（网络）通信、耐用性和确保数据即使在断续接触的情况下也能进行有效传输的 机械装置等方面有了长足的发展。 当今单总线技术已经广泛的应用到了社会的各个领域（包括环境状态监测、远近距离信息采集、安防系统和各种企事业单位签到系统），并且取得了理想的效果。 nts 4 1.3 本文所做的工作 本文所做的工作就是利用 Delphi和单总线协议编写电机保护数据分析、管理程序，包括各电流、电压数据的采集、数据分析和图形显示等功能。同时还要为电泵井功况测试数据的网络化、标准化结构传输，永久性储存，为电泵井工况智能化诊断奠定基础。 nts 5 第 2章 单总线 (1-Wire)协议及单总线技术 2.1 单总线传输的硬 件基础 单总线技术 (1-Wire)是 Maxim 全资子公司 Dallas 的一项专有技术。 Dallas 半导体公司 1-Wire 器件采用一种特殊的接口协议，通过单条连接线解决了控制、通信和供电，降低了系统成本并简化了设计。 1-Wire 芯片包含多种功能的器件，例如电子标识、传感器、控制和存储等，既有各种传统的 IC 封装形式，还可提供超小型 CSP、不锈钢封装 iButton 等新型封装。 单总线技术与目前多数标准串行数据通信方式 (如 SPI/I2C/MICROWIRE)不同，它将地址线、数据线、控制线合为一根信号线，采用单根信号 线双向传输，允许在这根信号线上挂上百个由 Dallas 公司提供的芯片控制的对象，具有节省 I/O线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展等优点。 单总线器件的每个芯片均具有一个全球唯一的由 64 位二进制数组成的识别码，其中包括 8 位族码 (Family Code), 48 位序列号 (Serial Number)和 8 位循环冗余校验码 (CRC Code)，如图 2. 1 所示。 8-Bit 循环较验码 48-Bit 序列号 8-Bit 族码 最 高 位 最 低 位 图 2.1 64-Bit ROM 分布图 族码标识 1-Wire 芯片的种类，如信息钮扣 (iButton) DS1996L 的族码为 01H，可寻址开关 DS2405 的族码为 05H，而温度传感器 DS1820 的族码为 l0H 等等。理论上，一个字节的族码可标识 128 种 1-Wire 芯片。目前有资料可查的单总线芯片有 80 余种，它们分别完成不同功能，用户可参阅 Dallas 公司提供的芯片手册，用激光刻蚀在硅片上的 8 位族码和 48 位序列号是不可改变的，它成为每个芯的唯一确认信息，这 7 个字节可以看作每个单总线芯片 的地址码，当多个单总线芯片挂在同一总线上时，由于它们有独立的地址，很容易主机识别。 CRC 循环冗余校验码上一个字节，用以验证前面 56 位串行数据传输的正确性。 单总线芯片适应于单个主机系统，在该系统中主机可能是 PC 机，也可以是单nts 6 片机，单总线芯片本身通常作为从机形式出现在系统中。一个主机能控制一个或多个从机设备，而且通常是多个从机设备组成一个系统。主机通过一个三态端口，连接至数据线，这样允许设备在不发送数据时释放总线，以便总线被其它设备所使用。 单总线要求外接一个约 5k的上拉电阻，这样，单总线的闲置状态为高电平 。不论在何种情况下，如果传输过程中需要暂时挂起且要求传输过程还能够继续的话，则总线必须处于空闲状态。传输之间没有时间限制，只要总线在恢复期间处于空闲状态 (高电平 )。如果总线保持低电平超过 480s，总线上所有单总线器件将复位。另外，在寄生方式供电时，为了保证单总线器件在某些工作状态下 (如温度转换期间、 EEPROM 写入等 )具有足够的电源电流，必须在总线上提供强上拉电阻。 2.2 单总线协议 单总线技术实现的硬件简单，但芯片品种繁多，在适当的外部电路中能完成复杂的操作，这些功能的实现，则依赖良好的软件环境支持。作为一种 与目前大多数标准串行数据通信方式不同的串行数据传输方式，它有自己独特的通信协议 单总线协议 (或称一线协议 )。单总线协议定义了如下几种信号类型 :复位脉冲、应答脉冲、写“ 0”、写“ 1” ,读“ 0”和读“ 1”。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都有由主机发出同步信号，并且所有的命令和数据都是字节低位在前，这一点与多数标准串行通信方式不同。 2.2.1 复位 /应答脉冲 复位和应答脉冲即组成单总线协议的初始化序列，时序如图 2.2 所示。微处理机的 I/O 输出低电平，拉低总线并保持总线为低电平至少 480s，然后主机释放总线，上拉电阻将总 线拉高，如果总线上已挂有 1 片或多片单总线芯片，由芯片通过 DATA 引脚检测到上升沿后，延时 15-60s，接着芯片通过内部电路将总线拉低60-240s，即为应答脉冲，通过读取微处理机的 I/O 便知有无单总线芯片存在。 2.2.2 写 0/1 时序 微处理机对单总线芯片的所有控制命令均由写“ 0”和写“ 1”两种信号组合而成。在写时序起始后的 15-60s之间，单总线器件将采样总线状态。如果采样为高电平，则向该器件写入“ 1”，如图 2. 3 所示 :如果采样值为低电平，则写入“ 0” ，如图 2. 4 所示。 nts 7 2.2.3 读 0/1 时序 单总线芯片在读时序向 微处理机传送数据。每个读时序由主机发出同步信号后，单总线器件向总线上发送“ 0”或“ 1”，若发送“ 1”，则保持总线为高电平，若发送“ 0”，则拉低总线。单总线器件在完成读时序后释放总线，上拉电阻将总线拉高至空闲状态，时序如图 2. 5 所示。 480s= LongInt (x_MS); end; /us 级延时程序 procedure fc_Delay_US(x_US : Integer); var c1:int64; t1,t2:int64; r1:double; begin QueryPerformanceFrequency(c1);/WINDOWS 返回计数频率 (Intel86:1193180)(获得系统的高性能频率计数器在一毫秒内的震动次数 ) QueryPerformanceCounter(t1);/WINDOWS API 获取开始计数值 while(True) do begin QueryPerformanceCounter(t2);/获取结束计数值 r1:=(t2-t1)/c1*1000000;/取得计时时间，单位微秒 if r1 x_us then break; end; /showmessage(floattostr(r1); end; procedure spdly(dly_cnt : integer); var i : Integer; begin if dly_cnt=Dly_A then begin for i:= 0 to $1400 do begin end; end else if dly_cnt=Dly_D then begin for i:= 0 to $1800 do nts 37 begin end; end else if dly_cnt=Dly_E then begin for i := 0 to $1500 do begin end; end; end; / var / y_t1,y_t2 : Int64; / y_tmp : double; / i,j:integer; / begin / for i := 1 to x_US do / begin / for j := 1 to fc_CPU_count do / begin / end; / end; / QueryPerformanceCounter(y_t1); / while(True) do / begin / Application.ProcessMessages; / /application.HandleMessage; / QueryPerformanceCounter(y_t2); / y_tmp :=(y_t2-y_t1)/fc_CPU_Tik*1000000; / if (y_tmp LongInt(x_US) then / break; / end; / end; /延时函数， msec 为微秒 (千分之 1 秒 ) /procedure Delay_ms(msec:integer); nts 38 /var / FirstTickCount:real; /begin / FirstTickCount:= GetTickCount(); / FirstTickCount:= FirstTickCount + msec; / / While FirstTickCount GetTickCount() do / Application.HandleMessage; /关键是这里 / / cessmessages; /end; /pp read and write information /初始化系统总线 procedure OneW_BUS_Init(); / var / tmp_byte:byte; begin /释放总线 fc_SetHigh(); /输出数据信号作为电压（ 5V 供电） / getPortval(fc_data_Addr,tmp_byte,1); / tmp_byte:=tmp_byte or fc_pin6; / SetPortVal(fc_data_Addr,tmp_byte,1); end; /复位总线 /把总线拉为低电平，并持续 Dly_H；释放总线，延时 Dly_I；主机对总线采样， / 0 表示总线上有应答， 1 表示无应答；延时 Dly_J。 function OneW_Reset():byte; var temp,bus_s:byte; begin /总线拉为低电平 ,清空 fc_setLow(); fc_Delay_US(Dly_H); /拉为高电平 nts 39 fc_SetHigh() ; fc_Delay_US(Dly_I); /总线采样 temp:=fc_checkvalue(); if temp=0 then bus_s:=1 else bus_s:=0; fc_Delay_US(Dly_J); fc_SetHigh() ; result:=bus_s; end; /往总线写 1 位 procedure OneW_WBit(bit:byte); begin if bit0 then/把总线拉为低电平，并持续 Dly_A；释放总线，延时 Dly_B。 begin fc_setLow(); spdly(Dly_A); /fc_delay_us(dly_A); / fc_setHigh(); fc_Delay_US(Dly_B); end else begin fc_setLow(); fc_Delay_US(Dly_C); / fc_setHigh(); spdly(Dly_D); /fc_delay_us(dly_D); end; end; nts 40 /从总线读 1 位 /把总线拉为低电平，并持续 Dly_A；释放总线，延时 Dly_E；主机对总线采样，以读取从机上的数据延时 Dly_F function OneW_RBit():byte; begin fc_setlow(); spdly(Dly_A); /fc_delay_us(dly_A); / fc_setHigh(); spdly(Dly_E); /fc_delay_us(Dly_E); result:= fc_checkvalue(); fc_Delay_US(Dly_F); /frmmain.Memo2.Text:=frmmain.Memo2.Text + + inttohex(result,2); end; /往总线写入 8 位数据 procedure OneW_WByte(data:byte); var i:byte; begin / frmmain.Memo1.Text:=frmmain.Memo1.Text+ +inttohex(data ,2); for i := 1 to 8 do begin OneW_Wbit(data and $01); data:=data shr 1; end; end; /从总线读取 8 位数据 function OneW_RByte():byte; var i,temp:byte; ss:byte; begin nts 41 temp:=0; for i := 1 to 8 do begin temp:=temp shr 1; ss:=OneW_Rbit(); if ss0 then temp:=temp or $80; end; result:=temp; end; /写 Scratchpad procedure OneW_WScratchpad( addr:word; var buff:array of byte; cnt:byte); var i:byte; paddr:integer; /p:array of byte; begin /初始化 paddr:=addr;
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