专利名称：基于can总线的分布式潜水电机监控系统的制作方法
技术领域：
基于CAN总线的分布式潜水电机监控系统用于潜水电机运行状态的智能化监测、保护和管理，是机械技术，传感技术和电工电子技术、现场总线技术、计算机技术在电机保护中的应用，属于测控技术领域。
背景技术：
潜水电机是和水泵连成一体，潜入水中运行的装置，目前广泛应用于农田灌溉，矿山排水，湖区水利，及其他工农业给排水领域。可以说潜水电机在我国的工农业生产中扮演了一个很重要的角色。但是因为潜水电机工作环境的复杂性，加上某些潜水电机的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，漏水等，都有可能导致电机的烧毁，所以一般潜水电机需要配有一定的保护装置。监测对象主要有电流，温度，水位等。
国内随着传统的热保护器的淘汰，对潜水电机的监控逐步向智能方向发展，出现了一些相关的智能监控仪，这些监控仪随起到了对潜水电机的保护作用，但都是单机工作，无法实现集中管理与控制，随着国内各潜水泵站的建立，以及在大面积灌溉，多台潜水电泵同时工作的场合，需要对各个潜水泵进行用微机进行群控。进行群控不仅可以节省人力、降低运行费用，更重要的是它可以有效的协调各水泵之间的工作，使水泵的工作更加可靠，更加智能化。而已有的监控系统已经不能满足需要，所以需要开发出一套功能强大的网络化的监控系统。
目前国外也有许多网络化的潜水电机智能保护装置，如丹麦格兰富公司的潜水电机集成电子保护装置CU3等，这些装置一般价格都比较昂贵，而且大多为自己公司电泵产品的专有配套装置，不具备通用性，从而限制了其在国内普通潜水电机上的推广使用。
实用新型内容本实用新型就是要解决国内对潜水电机的监控没有网络化的问题。为满足国内市场需求，设计一种测量精度高、实时性好、抗干扰能力强、性价比高、可扩展性好、便于网络化生产管理、便于批量化生产的潜水电机监控系统。
本实用新型首次将CAN现场总线应用于潜水电机监控，系统整体结构如图1所示，主要由监控计算机、CAN/RS232转换卡、和位于潜水电机工作现场的控制节点构成。
所述的监控计算机可以1、显示各个节点工作情况；2、通过广播设置所有节点的工作参数，或设置某个具体控制节点3的工作参数；3、当电机出现异常时可以给出错误参考，方便维修；4、对于工作过程中新加入或退出的泵站，系统可以自动检测；5、可以把当天的工作情况记录到文件中，方便管理。
所述的控制节点可以对潜水电机实现保护功能，并把现场数据通过CAN总线传给CAN/RS232转换卡，再由CAN/RS232转换卡把CAN数据格式转换为RS232数据格式后送向监控计算机。监控计算机发送下来的RS232总线格式的数据经CAN/RS232转换卡转换成CAN总线协议格式送向目标控制节点。
控制节点的结构如图2所示。控制节点可以独立对电机实现监控保护功能，包括单片机、CAN总线通信模块、传感系统、数据采集模块、强电控制模块、键盘显示模块、看门狗模块、现场数据存储模块、电源及强电控制模块；所述的数据采集模块通过传感系统采集到潜水电机运行状态数据，并把数据送入单片机处理；单片机根据处理结果，通过强电控制模块和外围强电控制电路控制电机的运行；通过键盘显示模块显示数据处理结果、运行状态，并可以通过键盘，现场设置工作参数和CAN网络站号；现场数据存储模块储现场设定的工作参数；通过CAN总线通信模块将电机运行状态实时送向监控计算机；看门狗模块监控单片机程序的正常运行，当程序出现“跑飞”现象，或电路板上电网电压过低时，它都会复位单片机程序。
这种CAN网络的优点有1、可靠性好，强大的总线仲裁功能保证了数据传输的可靠性，避免了总线冲突；2、实时性好，最高传输速度可达到1Mbps；3、传输距离远，在5Kbps的通信速率下，理论上的通信距离可以达到10000米；4、可扩展性好，最多可以挂接110个节点。对于本系统来说，当网络上需要其它性能的控制节点时，只需在新加的控制节点3上留出CAN总线接口即可。
潜水电机监控装置一般要对潜水电机的电压电流，电机定子温度和液位进行监测。但如果把所有的数据都通过相应的传感器采集上来，则由于传感器价格较高，且有些保护功能的重复(如电流升高会导致电机定子温度的升高)，会大幅抬高成本。从性能价格比的综合考虑，我们研制了两类控制节点，1、温度液位控制节点，2、电流液位控制节点。两者在结构上没太大差别，区别在监测对象和数据采集电路原理不同。
温度液位控制节点是以潜水电机定子线圈温度和电机腔液位为监测对象，其传感系统由温度传感器和液位传感器组成，根据传感系统采用相应的数据采集模块采集温度数据和液位数据。
电流液位控制节点是以三相电机电流和电机腔液位为监测对象。其传感系统由电流传感器和液位传感器组成，根据传感系统采用相应的数据采集模块采集电流数据和液位数据。
图1系统总体结构图2控制节点结构图图3电源及外围控制电路图4CAN/RS232转换卡电路原理图图5CAN总线通信模块原理图图6温度液位控制节点主板电路原理图图7温度液位控制节键盘显示电路原理图图8电流液位控制节点主板原理图图9电流液位控制节点键盘显示模块原理图
具体实施方式
具体实施例子如下将该潜水电机监控装置用于QJ型潜水电机中，电机功率18.5千瓦。
温度数据采集电路通过3个8通道多路模拟开CD4051循环采集三路铂电阻温度传感器的信号，再由一个12位A/D转换器ICL7109将此模拟信号转为数字信号送向单片机电流数据采集电路由一个多路模拟开关CD4051循环采集三路磁平衡式霍尔电流传感器的信号、再由一个10位A/D转换器TLC1549将此模拟信号转为数字信号送向单片机。
液位数据采集电路由光电隔离器TLP521采集一个电极式液位传感器的开关量信号，并把信号送向单片机。
强电控制模块是通过一个光电隔离器TLP521将单片机发出的开关量控制信号传送给一个SSR固态继电器，通过SSR控制使交流接触器回路的通断，从而控制电机的启停。
CAN总线通信模块是由一个82C250总线收发器负责向CAN网络收发信号，通过两个6N137高速光隔与SJA1000总线控制器通信，SJA1000通过741s245总线驱动器与单片机通信。具体电路参见图5，它可以实现将控制节点连入CAN总线监控网络。把它做在了一个独立的电路板上，留出相应的接口。这样所有类型的监控节点都可以利用它，从而简化了开发的过程和成本。现有的温度液位控制节点和电流液位控制节点都用的是这个CAN总线通信模块。
CAN/RS232转换卡是由89C51单片机通过SJA1000总线控制器、6N137高速光隔、82C250收发器和CAN网络通信，通过MAX232变压器和RS232总线通信。具体电路参见图4，它完成CAN总线协议和RS232协议之间的转换。它具有的优点有1、价格便宜，2、对监控计算机硬件没有特殊要求，只占用其一标准RS232串口。CAN/RS232转换卡放于监控计算附近，需要一220V交流电源。一端接RS232总线和监控计算机通信，一端接CAN总线和所有的控制节点通信。
将控制节点主板、CAN总线通信模块、键盘显示模块安装在一小的铁制控制箱内可以屏蔽电磁干扰。控制节点操作界面安装在此小控制箱的表面。然后将此小控制箱、开关电源、空气开关、继电器、～380V/～220V变压器安装在一个大控制箱的底板。将散热风扇装于控制箱的侧面，将旋钮开关安装在大控制箱的箱盖上，将传感器接口、CAN总线通信接口、三相380V电源的输入输出接口引至大控制箱外壳上。在此大控制箱的表面留有一块玻璃窗口，通过玻璃窗口可以看见控制节点的操作界面。这种把所有弱电和强电控制部分都安装在同一大控制箱内，所有的接口都引到箱体上的结构，不但方便接线，且更加安全可靠、便于批量生产。
在潜水电机定子线圈下线时，将三根铂电阻传感器用定子线圈绕紧固定于电机腔中，铂电阻的三股引线从电机上盖孔穿出接入监控电路；在安装液位传感器时，将电极式液位传感器用其末端自带的螺纹固定于电机顶盖上，其引线由电机另一上盖孔穿出。在安装磁平衡式霍尔电流传感器时，直接将其用螺钉通过螺钉孔固定在大控制箱的底板上，将三相电流线分别穿过传感器的原边线孔。接12V工作电压，将信号输出端送向数据采集模块。
监控计算机可以选用普通的PC机或笔记本电脑。
本实用新型具有测量精度高、实时性好、抗干扰能力强、性价比高、可扩展性好、便于网络化生产管理、便于批量化生产等特点。其对温度的检测精度误差在0.5℃以内，对电流的检测误差在0.5A内。铂电阻温度传感器和磁平衡式霍尔电流传感器的灵敏度较高，其送出的数据为实时信息。电极式液位传感器传感器检测灵敏度在0.2秒内。CAN总线通信速率设定为20K时，通信距离可达到2000米，控制节点的数量最多可接110个。
权利要求1.基于CAN总线的分布式潜水电机监控系统，其特征在于，包括，监控计算机、CAN/RS232转换卡、和位于潜水电机工作现场的控制节点；所述的控制节点把现场数据通过CAN总线传给CAN/RS232转换卡，再由CAN/RS232转换卡把数据从CAN数据格式转换为RS232数据格式后，送向监控计算机；监控计算机发送下来的RS232总线格式的数据经CAN/RS232转换卡转换成CAN总线协议格式送向目标控制节点；控制节点包括单片机、CAN总线通信模块、传感系统、数据采集模块、强电控制模块、键盘显示模块、看门狗模块、现场数据存储模块、电源及强电控制模块；所述的数据采集模块通过传感系统采集到潜水电机运行状态数据，并把数据送入单片机处理；单片机根据处理结果，通过强电控制模块和外围强电控制电路控制电机的运行；通过键盘显示模块显示数据处理结果、运行状态，并通过键盘，现场设置工作参数和CAN网络站号；现场数据存储模块存储现场设定的工作参数；通过CAN总线通信模块将电机运行状态实时送向监控计算机；看门狗模块监控单片机程序的正常运行。
2.根据权利要求1所述的基于CAN总线的分布式潜水电机监控系统，其中传感系统由温度传感器和液位传感器组成，监测对象为潜水电机定子线圈温度和电机腔液位，根据传感系统采用相应的数据采集模块采集温度数据和液位数据。
3.根据权利要求1所述的基于CAN总线的分布式潜水电机监控系统，其中传感系统由电流传感器和液位传感器组成，监测对象为三相电机电流和电机腔液位，根据传感系统采用相应的数据采集模块采集电流数据和液位数据。
专利摘要本实用新型属于测控技术领域，将CAN现场总线技术应用于潜水电机监控。它是由位于监控中心的监控计算机、CAN/RS232转换卡，和位于潜水电机工作现场的控制节点构成；控制节点包括单片机、CAN总线通信模块、传感系统、数据采集模块、强电控制模块、键盘显示模块、看门狗模块、现场数据存储模块、电源及强电控制模块，可独立对潜水电机实现监控保护功能。CAN/RS232转换卡完成CAN总线协议和RS232协议之间的转换；监控计算机可以通过CAN网络和各个控制节点之间通信，实现集中管理功能；从而形成分散监控和集中管理于一体的分布式监控结构。本实用新型具有测量精度高、实时性好、抗干扰能力强、性价比高、可扩展性好、便于网络化生产管理和批量化生产等特点。
文档编号H02H7/08GK2786671SQ20052000028
公开日2006年6月7日 申请日期2005年1月10日 优先权日2005年1月10日
发明者刘洪涛, 张慧慧, 焦亮, 孙树文, 李屹 申请人:北京工业大学