CN102968103A - 马达保护器数据通讯模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种马达保护器数据通讯模块，包括中心处理单元，存储单元，电源单元，可组态模块，本地应用接口，包括状态输入接口、状态输出接口、数据采集接口及数据上传接口的现场控制接口以及用于信号连接的接插件；所述通讯模块设有现场控制接口的数据采集接口采集包括电机的电流、电压、启动时间、运行和故障数据；所述通讯模块设有数据上传接口，用于按用户设定的要求，把采集的数据打包后上传给上层通讯装置或上位采集***；本发明主要是通过对MCC开关柜马达保护器的运行状态监测来判断是否对此马达保护器进行数据采集，使***不必耗费多余的通讯时间。

Description

马达保护器数据通讯模块

技术领域

本发明涉及一种马达保护器数据通讯模块，为MCC开关柜马达保护器智能数据采集装置。

背景技术

目前我国火力（或核电等）发电厂、石油化工及钢铁等产业均配置有较多数量的马达（电机），很多马达配套的开关柜都设有马达保护器并将马达的电流等信号通过4－20mA信号传递给PLC或DCS***，但这些信号基本不需要连锁动作仅作为电机运行状态的显示，所以这些信号在PLC/DCS***中很多只是经过控制***内部数据转换一下而已；但是占用了PLC/DCS***大量的通道资源，使PLC/DCS***异常的庞大。

有些用户使用操作站（操作站安装组态软件，如IFIX、Intouch等）来通过现场总线直接和马达保护器通讯进行数据采集在一定程度上实现了数据采集功能，但由于不能确定哪些马达控制器在运行，哪些不在运行或是在故障状态而导致数据采集***不能正常运行。如：一个操作员站与多个马达保护器进行通讯完成数据采集工作，正常情况下采集数据为总线一问一答的方式，需时为Time-a（由于立刻响应，一般时间较短，比如20ms），当马达保护器没有运行或其它原因导致马达保护器不能反馈数据时，操作员站会连续发多次（一般为3次）数据请求每次约间隔Timeb（一般为200ms），而在这个间隔时间内***不能做其它同类的工作。1个采集端口（Modbus-RTU接口）在1秒钟内可以完成20至30台甚至更多马达保护器的采集数据刷新，如果有4台马达保护器发生故障会导致***超时等待时间达2.4秒，但每个周期额外的短短2.4秒足可以使整个数据采集***无法进行刷新。

目前使用的马达保护器都是Modbus-RTU数据接口，只能供单个数据采集端口进行数据采集，当采集***出现故障时，故障期间的数据将全部丢失，对于用户来说这种采集***是不可靠和不安全的，这种情况在***运行中也是不允许发生的。

因此，开发出一种马达保护器数据通讯模块用于解决马达保护器数据采集的问题是非常必要的，对于广大用户来说也是非常迫切的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：增加马达保护器的运行状态信号通讯，改善马达保护器与上位数据采集***两者间的通讯性能。

本发明所要解决的另一个技术问题：提高数据通讯模块的可靠性，提高数据通讯模块的智能化、数字化程度；提高数据通讯模块信号的标准化及互连、互通的能力。

本发明所要解决的另一个技术问题：降低上位机对马达保护器数据采集***的制造成本，降低数据通讯模块安装时的MCC开关柜改造成本。

本发明所要解决的另一个技术问题：解决开关柜抽屉（安装马达保护器）与开关柜柜体（安装数据通讯模块）之间的信号连接问题。

本发明所要解决的另一个技术问题：解决开关柜抽屉拉出时（马达保护器与通讯装置断开总线连接）不影响其它抽屉（主要指马达保护器）的数据通讯。

为解决以上问题，本发明提供一种马达保护器数据通讯模块，包括马达保护器数据通讯模块（以下称通讯模块）的连接附件装置-接插件。

本发明技术方案是，一种马达保护器数据通讯模块，包括中心处理单元、存储单元、电源单元、可组态模块、本地应用接口、现场控制接口（包括状态输入接口、状态输出接口、数据采集接口及数据上传接口）以及用于信号连接的接插件；

所述通讯模块设有现场控制接口的数据采集接口采集包括电机的电流、电压、启动时间、运行和故障数据；所述通讯模块设有数据上传接口，用于按用户设定的要求，把采集的数据打包后上传给上层通讯装置或上位采集***。

所述通讯模块设有用于监测MCC(马达控制中心)开关柜马达保护器的运行状态和数据，根据用户的要求采集并打包传送给上位数据采集***的运行状态输出接口；

所述通讯模块上设有马达保护器运行状态输入接口，所述马达保护器运行状态输入接口为开关量输入接口。用于控制是否对指定马达保护器进行数据采集的信号接口，管理马达保护器及通讯装置的工作环境和工作状态的监测并实现智能化管理。该通讯装置上配有内部可组态模块，用于完成通讯模块与马达保护器之间、两层通讯装置之间及上位数据采集***与通讯模块的数据及信号匹配等功能。所述本地应用接口为Modbus-RTU接口（UART扩展）、SPI（串行***设备接口）和Ethernet接口中的一种或多种。

进一步的，所述的连接附件装置-接插件，该连接装置上配有联动的限位装置，用于检测柜内抽屉的状态。如抽屉拉出则限位装置闭合，以确保数据采集***中前后两台马达保护器可靠连接；如抽屉推入则限位装置断开，以确保抽屉内的马达保护器以总线型连接方式接入数据采集***。

进一步的，所述通讯模块上设有通讯装置运行状态输出接口。用于显示上层通讯装置或上位采集***与本通讯装置的运行状态，以判断是否有必要对通讯模块进行数据采集。

进一步的，该通讯模块还包括本地应用接口，用于实现设备现场人机交互、数据访问、功能联接操作。

进一步的，联动的限位装置，由静插件和动插件组成的卯榫结构，静插件分为上下活动的两部分，静插件的上下两部分分别由上下两个弹簧作用使其连接在一起，动插件为一相对固定的上下两个部分；动插件未***时，静插件的上下两部分分别由上下两个弹簧作用使其连接在一起，以确保原有总线上下两节点互联接通；当动插件***静插件时，静插件上下两个部分各自分开，动插件的上下两部分分别与静插件的上下两部分连接在一起。

中心处理单元是马达保护器数据通讯模块的大脑，负责马达保护器数据通讯模块的计算、存储、处理和控制任务，中心处理单元设计采用工业级处理器MSP430F149微处理器，MSP430F149微处理器具有60KB+256B Flash Memory，用于本数据通讯模块组态数据及从马达保护器中采集的数据的存储及缓存；电源单元为本数据通讯模块提供5V、3.3V等多种规格电源，同时采用锂电池对***进行多重供电以确保在短时断电时采集***正常工作；该通讯模块上设计配有内部可组态模块，用于完成通讯模块与马达保护器之间、两层通讯装置之间及上位数据采集***与通讯模块的数据及信号匹配等功能；该通讯模块本地应用接口设计有Modbus-RTU接口（UART扩展）、SPI（串行***设备接口）、Ethernet接口中的一种或多种；该通讯模块设计现场控制接口主要是检测和控制马达保护器数据通讯模块本身或者现场设备的状态信号，来实现工作环境和设备工作状态的全面智能化管理，用于实现MCC开关柜某一抽屉抽出时通知该数据通讯模块不对该抽屉内的马达保护器进行数据采集，并完成Modbus-RTU数据采集总线的切除功能，当MCC开关柜某一抽屉推入时通知该数据通讯模块重新采集该抽屉内的马达保护器数据，将原采集总线断开，并将该马达保护器接入数据采集总线。

对于数据通讯模块上设计现场总线数据采集接口，主要是用于和马达保护器通讯，采集包括电机的电流、电压、启动时间、运行、故障等数据，设计现场总线数据上传接口，用于按用户设定的要求，把采集的数据打包后上传给上层通讯装置或上位采集***，设计有马达保护器运行状态输入接口，该接口为开关量输入接口，用于控制是否对指定马达保护器进行数据采集的信号接口，管理马达保护器及通讯装置的工作环境和工作状态的监测并实现智能化管理，设计有通讯装置运行状态输出接口，用于显示上层通讯装置或上位采集***与本通讯装置的运行状态，以判断是否有必要对通讯模块进行数据采集。

马达保护器数据通讯模块的连接附件装置-接插件，该连接装置设计配有联动的限位装置，用于连接抽屉内的马达保护器和柜体上的通讯模块，如抽屉拉出则限位装置闭合，以确保数据采集***中前后两台马达保护器可靠连接；如抽屉推入则限位装置断开，以确保抽屉内的马达保护器以总线型连接方式接入数据采集***，确保数据采集过程中的线路连接的可靠性。

本发明所达到的有益效果：本发明通讯模块设计有专门的信号状态输入通道，用于监测MCC开关柜马达保护器的运行状态，同时对通讯链路的连接方式进行优化，并根据用户的要求采集并打包传送给上位采集***。在工业应用中，MCC开关柜运行一段时间后有些备用抽屉经常被抽出，导致部分马达保护器无法与上位采集***通讯，但故障状态下耗费的通讯资源是正常状态下数倍或数十倍，从而造成上位采集***不能正常工作而面临瘫痪。本发明主要是通过对MCC开关柜马达保护器的运行状态监测来判断是否对此马达保护器进行数据采集，使***不必耗费多余的通讯时间。

本发明通过增加对马达保护器运行状态的监测，避免了上位采集***对从***切除的、故障的马达保护器进行数据采集，使***的实际采集周期延长导致上位采集***崩溃的情况发生；数据采集端口可以完成16台甚至更多马达保护器的数据，扩展方便；连接方式简单，通讯可靠性和稳定性高。本发明尤其是采用马达保护器数据通讯模块的连接附件装置-接插件，该连接装置设计配有联动的限位装置，使本发明开关柜抽屉拉出时（马达保护器与通讯装置断开总线连接）不影响其它抽屉（主要指马达保护器）的数据通讯，可靠性好。

附图说明

图1是马达保护器数据通讯模块功能单元组成示意图；

图2是马达保护器数据通讯模块接口图；

图2－1是马达保护器数据通讯模块三极管驱动继电器状态输出电路图；

图3是马达保护器数据通讯模块附件-接插件；

图4是马达保护器数据通讯模块软件开发流程图；

图5是马达保护器数据通讯模块软件结构图；

图6是现有的马达保护器数据采集***连接拓扑图（操作员直接采集）；

图7是为本发明的马达保护器数据通讯模块现场组网结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

马达保护器数据通讯模块，主要是由中心处理单元、存储单元、电源单元、可组态模块、本地应用接口、现场控制接口（包括状态输入接口、状态输出接口、数据采集接口及数据上传接口）以及附件（用于信号连接的接插件，详见附图3）等部分组成，详见附图1。

硬件结构：

中心处理单元：中心处理单元是马达保护器数据通讯模块的大脑，负责马达保护器数据通讯模块的计算、存储、处理和控制任务。中心处理单元设计采用工业级处理器MSP430F149微处理器，其主要技术特点如下：

.1.8V～3.6V超宽供电电压

.5种低功耗模式，从standby模式唤醒时间小于6μs

.0.1μA RAM保持

.0.8μA实时时钟模式

.2K RAM，60KB+256B Flash Memory（支持IAP）

.片内硬件乘法器支持四种乘法运算

.两个具有PWM输出单元的16-Bit定时器（TimerA3，TimerB7）

.两个UART接口，两个SPI接口（与UART复用）

.一个8通道12-Bit模数转换器(ADC)，具有片内参考电压源

.一个模拟比较器，看门狗电路等

存储单元：MSP430F149微处理器具有60KB+256B Flash Memory，用于本数据通讯模块组态数据及从马达保护器中采集的数据的存储及缓存，确保设备运行过程中的安全、正确、稳定和可靠。

电源单元：电源单元为本数据通讯模块提供5V、3.3V等多种规格电源，同时采用锂电池对***进行多重供电以确保在短时断电时采集***正常工作。

电源设计选用yaohuaDY 24S05－2W电源模块完成模块内DC5V电源的供给，同时选用AMS1117模块完成中心处理器3.3V电源的供给。

可组态模块

组态就是利用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。它是面向专门用途，根据某一用户的特殊要求，以低研制成本、短周期交货的全定制或半定制控制装置。

马达保护器数据通讯模块就是利用组态这种方式完成本数据通讯模块与马达保护器之间、两层数据通讯模块之间及上位数据采集***与本数据通讯模块的数据及信号匹配等功能。

本地应用接口：本地应用接口主要解决设备现场人机交互、数据访问、功能联接等操作。本数据通讯模块为了功能扩展方便，主要设计有以下几种接口类型：

.Modbus-RTU接口（采用UART接口进行扩展）

.SPI（串行***设备接口）

本地应用接口中Modbus-RTU接口主要是作为数据上传以及组态数据的设定接口，SPI接口主要是为马达保护器数据通讯模块的程序更新使用。

现场控制接口(包括状态输入接口、状态输出接口、数据采集接口及数据上传接口)：现场控制接口主要是检测和控制马达保护器数据通讯模块本身或者现场设备的状态信号，来实现工作环境和设备工作状态的全面智能化管理，用于实现MCC开关柜某一抽屉抽出时通知该数据通讯模块不对该抽屉内的马达保护器进行数据采集，并完成Modbus-RTU数据采集总线的切除功能；MCC开关柜某一抽屉推入时通知该数据通讯模块重新采集该抽屉内的马达保护器数据，将原采集总线断开，并将该马达保护器接入数据采集总线，详见附图2。

图中TCP/IP接口为以态网方式的数据上传接口，该接口为工业以态网接口，用于组态数据设置及数据上传功能；

Address接口为数据通讯模块数据上传用RS485接口（COM_OUT）的地址设置拨码开关；

COM_OUT接口为数据通讯模块数据上传用RS485接口；

COM_IN接口为马达保护器现场数据采集RS485接口；

DEV_State_A和DEV_State_B接口分别为8通道马达运行状态采集接口，共计可对16台马达进行数据采集，9号端子为公共端即查询电压，当某马达保护器运行时即把对应的9号端子(24V查询电压）与端子Dx（x为1至8）短接，即将马达运行信号传送给数据通讯模块，如数据通讯模块接收不到24V信号，则表示相应的马达保护器离线（图中数据总线及状态信号仅示意马达保护器和通讯模块之前可能有这种信号）；

DEV_Set_A和DEV_Set_B接口分别是DEV_State_A和DEV_State_B的控制接口，如运行操作人员不需要采集马达保护器的数据则只需将其通道对应的DIP开关拨到OFF位；

PRO接口为编程接口，为SPI串型接口，用于通讯模块的程序修改；

POWER接口为电源接口，用于通讯模块的工作电源接入，其旁边的拨码开关用于选择电源规格，用户可根据需要视MCC开关柜中是否有AC220V电源进行选择。

由于马达保护器数据通讯模块使用在工业现场环境，容易受到现场环境不同的干扰影响，为了隔离保护低电位、传送信号的精确，对本数据通讯模块设计开发出一种光电耦合器件隔离输入；考虑到接口状态输出的稳定性，设计上采用S9013型大型功率三极管驱动继电器进行状态的输出，代替平常使用的晶体管驱动进行状态的输出，详见附图2-1。

附件-接插件：本数据通讯模块接插件有了很大的改进，配有联动的限位装置，该装置主要是静插件和动插件组成，由其主要结构如图3所示。静插件分为上下活动的两部分，动插件为一相对固定的上下两部分。当抽屉没有推到位时，动插件未***时，静插件的上下两部分分别由上下两个弹簧作用使其连接在一起，以确保原有MODBUS总线上下两节点互联接通；当抽屉推到位时，动插件***静插件时，静插件上下两部分各自分开，动插件的上下两部分分别与静插件的上下两部分连接在一起，静插件上部分接至马达保护器通讯模块的COM_IN端，下部分接至下一个马达保护器MODBUS接口，以确保马达保护器以总线型接入Modbus-RTU现场总线采集网络。这种插件结构与以往工程上应用的接插件不同在于：以往的接插件相当于一个插头，对于每一个节点都是星型结构的三个分支，由于安装在MCC开关柜内的各个马达保护器距离较近，使得Modbus-RTU的总线型网络结构在局部形成了星型网络结构，从而影响了正常通讯，而本接插件的分支要短（和现场总线两个分支点间的距离应有数量级的区别），形成总线结构形式，不会改变原有的网络结构形式，影响总线上数据的通讯，本接插件就是考虑了这种情况而单独设计的专用接插件。

软件：马达保护器数据通讯模块的软件开发使用IAR进行开发，软件开发的流程图详见附图4。

本程序在设计时主要考虑马达保护器数据通讯模块在与马达保护器通讯时首先检查马达保护器是否在线（是否可采集数据），如马达保护器离线则不采集其数据，从而减少了通讯超时占用的时间，本通讯模块软件结构图详见附图5。

现有马达保护器的数据采集***连接方式（操作员直接采集），详见附图6。在本图操作员站配置为组态软件（IFIX、Intouch、WINCC等）及串口采集卡。在图中可以看出，由于总线上的马达保护器经常会出现离线状态，因此在***设计时每条总线上配置的马达保护器只有5到8台，以确保数据采集的实时性，另由于每条总线的马达保护器不多，也就造成了现场总线电缆及相关施工费用的增加。

本发明的马达保护器数据通讯模块现场组网方式，详见附图7。本图配置为两层马达保护器数据通讯模块组成的采集***，总共为三层网络结构：第一层为现场数据采集部分，主要为马达保护器数据通讯模块采集马达保护器的数据（每个通讯模块最多可与16台马达保护器进行通讯）；第二层为单个操作单元或生产区的数据采集（如单个生产区为一个监控单元可直接采用操作站进行数据采集）；第三层为上位数据采集（操作站）。从图中可以看马达保护器数据通讯模块在这里组成网络时有以下优点：采集的马达保护器的数量比较大；现场总线的数量及相应的施工量比较小；可以有多台操作站同时采集数据，监控***的稳定性及可靠性得到了极大的提高。

总之，本发明的马达保护器数据通讯模块和其它数据采集装置的不同之处主要在于：本数据通讯模块设计了状态的输入和输出接口，用于监测MCC开关柜马达保护器的状态信号，通过此状态信号的采集可以使马达保护器数据通讯模块在发出指令之前就可以判断是否要和当前设备（MCC开关柜马达保护器）进行通讯，如不需要则进行下一设备的数据访问，从而减小了数据的整体采集周期，而当设备正常投用时又可以根据此状态的信号迅速与其通讯进行数据采集。其它数据采集装置只有在和设备进行通讯后才判断当前设备是否处于离线状态，而在这期间其他设备无法与数据采集装置进行通讯，而这个过程***必须付出正常采集过程十倍甚至数十倍的时间才可以检测得到，耗费了大量的网络资源。

Claims (5)

1.一种马达保护器数据通讯模块，其特征是包括中心处理单元，存储单元，电源单元，可组态模块，本地应用接口，包括状态输入接口、状态输出接口、数据采集接口及数据上传接口的现场控制接口以及用于信号连接的接插件；

所述通讯模块设有现场控制接口的数据采集接口采集包括电机的电流、电压、启动时间、运行和故障数据；所述通讯模块设有数据上传接口，用于按用户设定的要求，把采集的数据打包后上传给上层通讯装置或上位采集***；

所述通讯模块设有用于监测MCC开关柜马达保护器的运行状态和数据，根据用户的要求采集并打包传送给上位数据采集***的运行状态输出接口；

所述通讯模块上设有马达保护器运行状态输入接口，所述马达保护器运行状态输入接口为开关量输入接口。用于控制是否对指定马达保护器进行数据采集的信号接口，管理马达保护器及通讯装置的工作环境和工作状态的监测并实现智能化管理。该通讯装置上配有内部可组态模块，用于完成通讯模块与马达保护器之间、两层通讯装置之间及上位数据采集***与通讯模块的数据传输及信号匹配；

所述本地应用接口为Modbus-RTU接口（UART扩展）、SPI（串行***设备接口）和Ethernet接口中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的马达保护器数据通讯模块，其特征是所述的连接附件装置-接插件，配有联动的限位装置，用于检测柜内抽屉的状态。

3.根据权利要求1或2所述的马达保护器数据通讯模块，其特征是所述通讯模块上设有通讯装置运行状态输出接口。用于显示上层通讯装置或上位采集***与本通讯装置的运行状态，以判断是否有必要对通讯模块进行数据采集。

4.根据权利要求2所述的马达保护器数据通讯模块，其特征是联动的限位装置，由静插件和动插件组成的卯榫结构，静插件分为上下活动的两部分，静插件的上下两部分分别由上下两个弹簧作用使其连接在一起，动插件为一相对固定的上下两个部分；动插件未***时，静插件的上下两部分分别由上下两个弹簧作用使其连接在一起，以确保原有总线上下两节点互联接通；当动插件***静插件时，静插件上下两个部分各自分开，动插件的上下两部分分别与静插件的上下两部分连接在一起。

5.根据权利要求5所述的马达保护器数据通讯模块，其特征是静插件上部分接至马达保护器通讯模块的COM_IN端，下部分接至下一个马达保护器MODBUS接口，以确保马达保护器以总线型接入Modbus-RTU现场总线采集网络。

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