潜水电泵智能监控仪的研制

1 引 言 随着城市建设和农业现代化的不断发展，由潜水电泵构建的各种泵站不断地用于大面积农田灌溉、大型喷泉、城市排污、高楼供水等众多项目中。潜水电机是潜水电泵的核心部件，因其工作环境复杂及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，这些故障因素都有可能导致潜水电机的烧毁。目前国内外已有多家公司开发出针对个体潜水电机的智能电子保护装置，虽然可以达到保护电机的目的，但无法实现集管理。因此，对潜水电泵群故障的实时监控与统一管理的要求日益迫切。而传统的集散型控制系统（DCS）存在系统不开放、硬件投资大、布线复杂、维修不便的缺点，具有明显的局限性[1]。因此我们设计了一种具有CAN总线通信接口的潜水电泵智能监控仪。 2 智能监控仪的构成 潜水电泵智能监控仪在设计上采用了模块化结构，由微控制器（CPU）、CAN通信模块、信号采集模块、电机控制模块、状态显示模块、参数设置模块组成，监控仪的整体结构如图1所示。不同的功能模块配以相应的处理软件。根据具体情况可以只选用其中的部分模块。例如：可以去掉显示模块和现场设置模块，利用监控计算机实现数据显示和参数设置的功能。在单机运行时，可以不使用CAN通信模块。信号采集模块可以根据不同的监控要求选择不同的传感组件及不同的信号处理模块，例如：监测温度、监测电流。 图1 现场智能监控仪结构框图 2.1 智能监控仪的硬件设计 为了提高智能监控仪的可靠性和性价比，其CPU选用的是Philips公司带有在片CAN控制器的P87C591微型控制器。P87C591自带CAN总线控制器，不占用处理器的端口资源，大大简化了接口电路的设计，减少了程序的复杂程度，提高了系统的稳定性。现场智能监控仪各个组成模块的功能与所选择微处理器相对应的资源如下： （1）CAN通信模块：CAN总线通信接口电路主要由P87C591的片内CAN驱动器SJA1000、光电耦合器6N137、CAN收发器PCA82C250组成。PCA82C250芯片具有高速稳定的差动发送和接收能力。为了提高抗干扰能力，CAN驱动器和收发器之间的光电隔离电路采用了双路隔离电源模块供电[2]。CAN通信接口电路如图2所示[2]。 图2 CAN通信接口原理图 （2）信号采集模块：用来检测电机的运行状态，包括：铂电阻温度传感器、电流互感器、电极式液位传感器。分别用来检测电机三相定子的温度、三相主电流、和电泵腔内的水位，可以有效的监测潜水电泵的过流、过热、缺相、短路、渗漏等异常现象。 电流互感器选用的武汉华意电子有限公司的HYH-SK-7的电量传感器，输入为0～100A，输出为0～5V信号，可以直接与微型控制器P87C591模拟信号输入端相连；电极式液位开关输出的是开关量信号，经过光电隔离后与P87C591的P口相连即可。温度传感器选择的铂电阻PT100，为了消除长线误差和提高测量精度，采用的是4线制基于比率法的测温接口电路。为了实现测量3相定子温度的目的，采用了基于ICL7109和3片模拟开关4051的改进型测温电路[3]，其原理如图3所示。 图3 ICL7109铂电阻测温电路原理图 （3）电机控制模块：CPU判断电机定子温度、电流、液位中的任一项值超出正常值范围时，都会通过SSR（过零触发型交流固态继电器）触发相应的异常处理电路，使电机得到保护。 图4 ICL7109铂电阻测温电路原理图 （4）参数设置模块：报警电流、报警温度、停机电流、停机温度、控制器地址、波特率等信息通过参数设置模块存储于基于X25045[4]的E2PROM中，实现控制器工作参数现场设定能。下次使用时，再从X25045芯片中读出这些数据，这样就可直接按照上次设置的参数运行，而无需用户再次输入这些参数，使控制系统具有自动记忆的功能。 X25045是美国Xicor公司的可编程E2PROM及看门狗芯片。它将微机测控系统中常用的功能：串行E2PROM、看门狗、上电复位、电压监控集成在一片8引脚的芯片内，大大减少了对电路板的空间要求，简化的硬件设计，降低了成本和功耗，提高了系统的可靠性和安全性。数据存储及看门狗电路如图5所示。 图5 数据存储及看门狗电路 （5）状态显示模块：采用工业上常用的七段数码管（LED）实时显示电机运行过程中定子的温度和电流值。比起液晶显示器（LCD具有抗干扰能力强、成本低、亮度高等特点。共有9个共阳极数码管。正常模式下显示三路温度，设置模式下，显示停机温度、报警温度和CAN网络站号。CD4094是带三态锁存功能的8位移位寄存器。P87C591的串行口工作在方式0下，TXD为CD4094提供位移时钟，RXD输出显示数据，P1.7控制是否允许CD4094输出并行数据。状态显示电路如图6所示。 图6 状态显示电路图 2.2 智能监控仪的软件设计 智能监控仪的软件设计与硬件设计相一致，也遵循模块化的设计原则，这使控制软件具有易读、易扩展和易维护的优点。通过C51语言编写相应的软件模块实现智能监控仪的各项功能。软件的各个功能模块之间通过入口和出口参数相互联系，组合灵活方便，减少了调试时间，缩短了开发周期。智能监控仪的软件结构流程如图7所示。 图7 智能监控仪软件结构流程图 2.2.1 数据采集程序设计 数据采集程序处理由传感器组件采集到的现场信号，包括：定子工作温度、定子工作电流、电泵腔内的水位。液位信号为开关量，处理相对简单；温度和电流为模拟量信号，处理方法基本一致，所以只讨论温度信号的处理方法。温度信号采集采用中断的方式实现，其程序流程如图8所示。 图8数据采集程序流程 为了提高抗干扰能力外，增加采集数据的准确性，在A/D数据采样中辅以一阶惯性滤波法[5]实现软件数字滤波，把干扰降低到最低程度，使监控仪运行更加准确、可靠，提高系统的稳定性。 2.2.2通信程序设计 智能监控仪的通信接口采用CAN总线2.0A协议[6]，通信模块的软件设计主要由初始化子程序、报文接收子程序、报文发送子程序三部分组成。其中初始化子程序是实现通信的关键，它主要完成CAN控制器工作方式的选择，即对系统中的CAN控制器控制段中的寄存器进行设置。初始化过程是在CAN控制器复位模式下完成的[7]，通信程序的初始化流程如图9（a）所示。 图9 监控仪通讯程序设计流程图 智能监控仪与计算机之间的数据交换是通过发送程序和接收程序实现的。报文发送时只需将电机状态数据送入SJA1000的发送缓冲区中，然后启动请求发送。报文发送子程序流程如图9（b）所示，监控节点采用定时中断的方式主动向监控计算机发送数据。这是利用了CAN总线可以采用多主机方式通信的特点。由于实时监控功能是由各个控制节点完成，而监控计算机主要起到管理功能，所以采用了定时上传数据的方法，而没有实时上传所有传感器采集到的数据，从而减轻了总线负担。一个正在等待的报文会从存储器复制到发送缓冲器后，置位命令寄存器TR标志产生发送请求，发送过程由SJA1000独立完成。基于SJA1000的报文接收有两种方式：中断方式和查询方式。为了保证接收报文的准确性，选择实时性较高的中断方式。在中断方式下，如果SJA1000已接收一个报文，并且报文已通过验收滤波器并放在接收FIFO，那么会产生一个接收中断，通知微处理器有报文已经接收。报文接收子程序流程如图9（c）所示，接收缓冲区用来存放CAN总线上发来的数据，CPU读取数据后接收缓冲区将被清空，等待接收新的数据。 3 测试实验 3.1 数据采集实验 数据采集实验包括：温度采集与显示、电流采集与显示、液位检测与显示三个部分。温度采集实验的目的是为铂电阻的非线性校正提供实测数据和检测显示电路的工作状况。非线性校正可以用硬件、软件两种校正方法。本文采用的是用软件方法对铂电阻进行非线性校正，不但节省大量的硬件开支，使测量电路简单，而且精度也可以大大提高。由于铂电阻-温度曲线的曲率和斜率的变化都较小，所以采用了等距离分段的“线性插值法”实现铂电阻的非线性校正。 表1是一组温度采集的实验数据，此实验数据是在实验室测得的（因为在现场，铂电阻传感器安装在电机的定子线圈中，而电机定子的真实温度无法测量）。由表5-1的实验数据可知，18ºC到86ºC系统三组测温平均值最大误差0.4ºC。即使加上各个铂电阻间差异导致的最大可能误差0.2ºC ，也能满足智能监控仪对定子温度的测量要求。 3.2 单机测试实验 单机测试实验主要内容有：①显示功能、②参数设置功能、③故障报警、④停机功能、⑤自启动功能等。在现场进行单机测试实验时，出现了异常。每次刚刚启动电源，控制系统就自动断开电路。后来查明原因是控制系统软件中没有考虑到电机启动电流的问题。电机的启动电流可以大出正常工作电流的1.5～2倍，而控制系统设置的“报警电流”及“停机电流”都是针对正常工作状态的，所以电机启动时，系