潜水电泵群故障检测与智能监控系统设计

摘要：潜水电泵工作环境复杂，各种影响因素会造成电机损坏，监控潜水电泵的工作状态并对其进行保护尤为重要。因此设计了一种基于CAN总线的潜水电泵群故障检测与智能监控系统。选用T89C51CC01作为微控制器，实现对潜水电泵的故障监测和智能保护；用比率测温法处理铂电阻采集到的电机定子线圈温度；选择PCA82C250为CAN总线收发器，通过CAN总线网络把潜水电泵的运行状态传送给监控主机；整个系统呈分布式网络结构，实现潜水泵站的分散监控和集中管理功能。本文介绍了系统的结构、工作原理、硬件电路及软件设计流程以及调试方法。实际应用表明，该系统具有安装使用方便、抗干扰能力强、工作可靠性高等特点。
 
关键词：潜水电泵；故障检测；现场总线；分布式系统；
中国分类号：TP247             文献标识码：A

Design of Fault Monitoring and Intelligent Control System of Submersible Pump Cluster
Sun Shuwen
   (College of Mechanical Engineering & Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100022 ,China)
Abstract: Countering the problems existing in the submersible pump, such as the complex condition of running, high malfunction ratio, many factors influenced, a fault monitoring and intelligent control system for submersible pump cluster based on CAN (Controller Area Network) field bus is designed. T89C51CC01 is chosen as MCU of system, PCA82C250 as the transceiver for CAN physical interface. Selection of platinum resistance to measure temperature of motor’s stator based on ratio method. It has some functions of submersible pump intelligent controlling and fault protecting. The function of distributed control and concentrated management is realized in this system. The whole structure and principle of system, the hardware circuit, and the software programming were discussed in detail. Practical using shows that this intelligent monitoring system has such characteristics as strong anti-jamming and the better control effect, etc. It is suitable for similar practical engineering
Keywords: submersible pump，fault monitoring，field bus，distributed system

 
0 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、高楼供水等众多领域中。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，这些保护装置的运行是相互独立的，无法实现潜水泵站的集中监管。因此，对潜水电泵群的故障检测、智能保护与信息统一管理的要求日益迫切。传统的集散型控制系统存在系统不开放、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]。因此研究和开发一种基于现场总线的分布式监控系统对保证潜水电泵群的安全可靠运行是十分必要的。

1 系统总体构成
        基于CAN总线的潜水电机群故障检测与智能监控的分布式系统由监控中心计算机、潜水电泵保护器、CAN总线网络组成，其系统结构如图1所示。分布在现场的监控装置可以独立对潜水电泵进行智能控制和故障保护；监控中心计算机通过CAN总线网和各个控制节点之间进行实时通信，从而实现潜水电泵机群的分散控制和集中监管功能。

 图1系统总体结构示意图
       现场智能保护器可以有效的检测潜水电泵运行过程中的过流、过热、缺相、短路、渗漏等异常现象，通过切断主电路电源，使电机得到保护，并通过显示模块指示故障类型。潜水电机保护器具有CAN总线通信接口，具备远程通信功能。
       监控中心计算机对整个分布式系统进行监管。通过CAN总线网络，可以收集、保存、显示和查询由潜水电泵保护器采集并上传的各潜水电泵的运行参数；还可以进行网络的组态，包括：设置总线通信波特率、保护器节点地址、参与运行的电泵数量等功能。

2 潜水电泵保护器
       潜水电泵保护器的硬件采用了模块化结构设计，由微控制器、CAN通信接口模块、信号采集与处理模块、电机控制模块、LED显示模块、现场参数设置模块及电源模块组成，各模块之间的相互关系如图2所示[2]。根据具体情况可以进行模块删减。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通信接口模块等。
 

图2  智能保护器结构框图
       潜水电泵保护器的单片机选用的是Atmel公司推出的带有在片CAN控制器的T89C51CC01[3]，它是一种功能强大的8位微控制器，自带32 KB Flash存储器，静态时钟模式，其周期时间为300ns，可在系统编程（ISP），包括有2KB闪存引导存储器，2KB E2PROM和1.2KB RAM，与8051系列单片机兼容，这样大大简化了节点的硬件电路设计，减少程序的复杂程度，提高系统的可靠性。
2.1 信号采集与处理
        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模拟信号输入端口相连；电极式液位开关输出的是开关量信号，经过光电隔离后与T89C51CC01的数字量输入口相连即可。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。为了实现测量三相定子温度的目的，采用了基于ICL7109和多路模拟开关的改进型测温电路[4]。
2.2 状态显示模块

 图3 状态显示电路图
        状态显示模块采用工业上常用的七段数码管（LED）实时显示潜水电机运行过程中定子的温度和电流值。比起液晶显示器，LED具有抗干扰能力强、成本低、亮度高等特点。共有9个共阳极数码管分成３组，每组数据为２位整数１位小数。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。T89C51CC01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３所示。
2.3 CAN总线通信接口
       CAN总线通信接口电路主要由T89C51CC01的片内CAN驱动器、ADuM1201高速数字隔离器、CAN收发器PCA82C250组成。T89C51CC01完成CAN协议的应用层功能；CAN驱动器完成物理层和数据链路层的功能；PCA82C250提供了对总线差动发送和接受数据的功能。
        为了提高抗干扰能力，系统中采用双路电源模块供电，在控制器和传输介质之间加接光电隔离器件，CAN总线通信接口原理图如图4所示。采用ADuM1201高速数字隔离器替代传统的光电耦合器（如6N137），简化了电路，极大的降低了功耗，有效地提高了总线的抗干扰能力，进一步提高了系统的可靠性。

 图4 CAN通信接口原理图
2.4 CAN总线通信程序设计
       智能保护器的通信程序采用CAN总线2.0A协议，通信模块的程序主要包括：初始化子程序、报文接收子程序、报文发送子程序三部分。其中初始化子程序是实现通信的关键，它主要用来完成CAN控制器工作方式的选择，即对T89C51CC01中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[5]。

 图5 发送程序流程图     图6 接收程序流程图
　　智能保护器通过CAN总线与监控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。发送程序流程如图5所示，系<