电机智能监测系统的设计.docx

电机智能监测系统的设计.docx

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电机智能监测系统的设计

电机智能监测系统的设计

摘要：

本文设计与开发了电机智能监测系统。

本系统上位机使用“组态王”软件进行监控，下位机使用电机智能综合保护器，二者采用RS485转RS232通讯方式，以Modbus通讯协议RTU报文传输格式进行通讯。

针对三相异步电动机的过载、断相、过压、欠压等故障的特性，通过单片机的综合处理实现保护，实现了电动机的实时监测与有效保护。

不仅可以提高工厂自动化和机电设备管理水平，同时对机电设备的工况在线监测，及时提示设备故障及具体信息，统计设备运行时间及能耗，提示管理人员对设备进行维护、管理，获取设备能耗状况，从而降低设备事故发生率，延长电机设备使用寿命，保障工厂正常生产。

关键词：

电机智能保护器；在线监测；组态王；ModbusRTU；RS485

TheDesignofIntelligentMotorMonitoringSystem

Abstract:

Inthispaperthedesignanddevelopmentofintelligentmotormonitoringsystem.Thehostcomputerusingthe"configuration"softwaretomonitorthelowermachineusingtheelectricalmachineryintelligenceprotectiondevice,betweenthetwoRS485toRS232communicationmethod,RTUmessagetransmitformatofcommunicatewithinordertoModbuscommunicationprotocol.Microcontrollerintegratedtreatmentforthree-phaseasynchronousmotoroverload,phasefailure,overvoltage,undervoltageandotherfaultcharacteristics,protection,real-timemonitoringandeffectiveprotectionofthemotor.Cannotonlyimprovethemanagementleveloffactoryautomation,andmechanicalandelectricalequipment,atthesametime-linemonitoringoftheconditionsoftheelectricalandmechanicalequipmentinatimelymannertoprompttheequipmentfailureandspecificinformation,statistics,equipmentruntimeandpowerconsumption,suggestingthatthemanagementpersonneloftheequipmentmaintenance,management,accesstoequipmentcanconsumptionconditions,therebyreducingequipmentaccidentrate,extendthelifeoftheelectricalequipmenttoprotectthenormalproductionofthefactory.

Keywords:

Intelligentmotorprotectivedevice;on-linemonitoring;Kingview;ModbusRTU;RS485

1引言

1.1课题提出的依据和意义

随着社会经济的日益发展，自动化水平的提高，电能的应用和发展越来越具有重要的位置。

作为电能转化为机械能的重要工具，电动机在人们日常生活中也越来越重要。

三相交流电动机正朝着功率与体积之比越来越大的方向发展，一些外形尺寸小、效率高、功率大的电动机陆续出现。

为了安全可靠地运行这些电机，对电动机的保护系统提出了越来越高的要求。

电动机保护系统必须正确无误地保护电动机，使电动机在允许的热极限负载范围内工作，减少电动机损坏事故的发生。

在一些大型工厂的自动控制系统中，还要求对电动机组进行集中控制和状态监控。

同时大型机电设备多为高能耗设备，在提倡节能减排的背景下，如何有效降低工厂能耗已成为工厂可持续发展的重要因素，对机电设备能耗的监督和管理也显得尤为重要。

为了满足这些要求，本设计将介绍一种新型的电动机综合保护与监控装置。

本设计所开发的电动机综合保护与监控装置，可实现对电动机的保护与监控的自动化，是电动机保护系统的发展趋势。

它的制成可对电动机进行准确保护和监控，即可使电动机的过载能力得到充分的利用，还可减少电动机烧毁事故的发生，对国民经济的发展具有重要的意义。

1.2针对工厂电机的工况监测和故障诊断系统

通过对智能保护技术进行研究，在理论上研究电动机的保护原理，针对三相异步电动机的过载、断相、过压、欠压等故障的特性，通过单片机的综合处理实现保护，采用模拟、数字相结合的办法。

根据三相异步电动机的保护原理，本文设计了以单片机为核心的智能型电机综合保护器的硬件系统和以“组态王”软件为主的上位机监测系统，并利用Modbus通讯协议RTU报文传输格式进行二者通讯，实现了机电设备工作状况的实时在线监测与有效保护，不仅可以提高工厂自动化和机电设备管理水平，同时对机电设备的工况在线监测，及时提示设备故障及具体信息，统计设备运行时间及能耗，提示管理人员对设备进行维护、管理，获取设备能耗状况，从而降低设备事故发生率，延长电机设备使用寿命，保障工厂正常生产。

2电机智能监测系统设计框架

2.1本课题的主要任务

本课题的主要任务是实现对电动机的综合保护和状态监控。

具有对交流电机短路、缺相、堵转、欠压、三相电流不平衡、接地、漏电、过载、反序的保护功能，可对电机三相电流、电压、有功、无功、功率因数的测量显示、电度计量及显示。

电动机的过载保护是通过设置电动机的热时间常数建立相应的数学模型模拟电动机的发热和散热过程来实现的。

过压和欠压保护是用一位拨码开关来设置其动作值，当电网电压超出其动作值规定的范围并持续一定时间后，过压和欠压保护动作。

漏电保护是按照漏电电流与漏电保护动作时间的反时限关系设计的。

堵转和起动超时保护是通过拨码开关设置起动电流和起动时间来实现的。

而短路保护是电动机线电流达到短路保护动作值后采取瞬时动作来完成的。

缺相及相不平衡保护是当电动机缺相或线电流不平衡度超过设定值并达到一定时间后切除电动机来实现的。

本设计对电动机的状态监控主要实现以下功能：

1）上位机对电机保护性报警及工况监测，监测各个机电设备的运行工况，在线了解设备运行信息，及时发现并处理设备异常情况，避免设备亚健康运行；

2）电机保护监测及故障查询：

采用电机综合保护监控器实现对电机运行中出现的过载、失衡、缺相、反序、漏电、欠压等故障进行保护和报警。

同时现场或上位机可随时查询最新18条电机故障记录及每条记录下的电机故障时参数，包括：

故障代码、故障时三相电流、电压、故障电流与额定电流的比值、故障时刻。

上位工况监测：

上位机可显示监测电机运行电压、电流、单相及三相功率计量（有功、无功、功率因数）、电机设备累计运行时间、电机单次运行时间和电机运行次数等参数；

3）电机及设备定期维护提示：

将电机设备累计运行时间、电机单次运行时间和电机运行次数等参数作为电机定期维护的参照,提示工作人员对设备进行维护和保养；同时工作人员也可手动查询各个设备在线数据，对设备运行状况做出预判后进行维护这样不仅可以保障生产，降低机电设备的事故发生率，而且还能延长机电设备的使用寿命；

4）电耗节能管理

通过智能仪表采集设备电能消耗值并通过上位组态界面显示机电设备电能消耗情况，判断设备电能使用状况，对电耗合理管理。

2.2本课题的主要内容

2.2.1电机智能监控系统原理图

电机智能综合保护器1

电机智能综合保护器2

电机智能综合保护器3

电机1

电机2

电机3

上位机（组态王）

RS485/232转换器

RS232

RS485

RS485接口

Modbus通讯协议

图1系统结构框图

2.2.2电机智能监测系统设计原理

硬件方面：

下位机设计使用以单片机为核心的电机智能综合保护器，对电机工作信号和数据进行采集，通过A/D转换后进入智能仪表的单片机,通过其进行数据判断和故障诊断，处理后的结果可在其LED面板上显示，由于其采用Modbus通讯协议，所有的数据可以通过Modbus通讯协议的RTU报文传输模式，RS-485通讯方式与上位机连接，上位机采用北京亚控公司的“组态王软件”，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

这样就实现了工作人员在调度室就能实时在线监控工厂现场的电机运行状况，及时对工况进行判断和处理，提高了工作效率，降低了事故发生率，保障工厂正常运转。

3电机智能监测系统硬件系统设计

3.1电机智能综合保护器介绍

3.1.1主要特点及可实现功能

1）集保护和测量于一体：

具有对交流电机短路、缺相、堵转、欠压、三相电流不平衡、接地、漏电、过载、反序保护功能，可对电机三相电流、电压、有功、无功、功率因数的测量显示、电度计量及显示；

2）运行时间累计功能：

方便用户定期检修、维护电机；

3）通讯方式：

采用RS485通讯方式，RS485标准接口，结构简单、价格低廉、通讯距离和数据传输速率适当，方便与各种监控监测系统联网。

实现大范围、甚至跨地域的电机运行状态和电力综合监控系统，通讯协议翻涌工业标准Modbus协议RTU方式。

4）故障追忆：

存储近期电机所发生的十次故障原因。

上位机经过通讯接口读取记录。

3.1.2主要技术指标

（1）测量范围

A相电流输入；范围：

0-999A；精度：

±1%

B相电压输入；范围：

AC150-AC500V；精度：

±1%

（2）过载保护：

电机负载在1.05-8倍额定电流值时进行的过载保护

（3）堵转保护：

当工作电流达到3.5-8倍额定电流值时，进行堵转保护。

（4）短路保护：

当工作电流达到8倍额定电流以上保护

（5）漏电保护:

漏电电流大于60mA可进行保护

（6）欠压保护：

工作电压连续120秒低于175V时，欠压指示灯亮，进行欠压保护

（7）缺相保护：

当任一相<0.10倍额定电流，其余两相>0.10倍额定电流时进行缺相保护

被测量

A/D转换接口

单片机

面板键盘

键盘输入接口

工作电源

D/A转换接口

显示器接口

LED

通信RS458

RAM

图2电机智能综合保护器结构框图

3.1.3单片机的选择

本系统的智能仪表采用ATMEL89系列单片机中的AT89C55作为微控制器，其最大特点就是片内含有Flash存储器，便于修改程序代码。

以下是89系列单片机的优点：

1）内含FLASH存储器，可以承受l万次写／擦循环。

在系统的开发过程中可随意进行程序修改，这样就大大缩短了程序的开发周期，减少了软件开发中的浪费。

2）提供两种省电工作方式。

为了尽可能地发挥CMOS电路功耗低的特点，AT89系列单片机有两种由软件产生的低功耗方式：

空闲方式和掉电方式。

在空闲方式下，CPU停止工作，RAM和其他片内的部件（如振荡器、定时器／计数器、中断系统等）继续工作。

此时的电流可降到大约为正常工作方式时的15％．在掉电方式下，所有片内的部件都停止工作