一種基于Android平臺的離心泵電機狀態監測裝置及監測方法與流程

本發明屬于數據采集技術領域，尤其是一種基于安卓平臺的離心泵電機狀態監測裝置及監測方法。

背景技術：

關于水泵的參數檢測，在國外、歐美等發達國家的相關研究起步普遍較早，在一些領域如特殊泵的制造、泵的內特性測試等方面目前仍領先于國內。對泵的外特性測試裝置而言，早在1961年，英國國立工程試驗室(NEL)就建立了自己的水利機械試驗臺，可用于水泵和模型水輪機(最大轉輪直徑0.5m)的性能試驗，可以在開式和閉式兩種循環方式進行效率和汽蝕試驗，部分參數實現半自動控制，實驗數據由計算機自動采集和處理，并能自動繪制試驗曲線和打印試驗結果。大量外文書刊及互聯網資料顯示，目前國外水泵測試系統的產品已經比較成熟，美國、德國等發達國家已經普遍化，并呈現出高集成、小體積、可移動、多功能、設備全、易操作等特點，例如美國TecQuipment Inc.生產的Centrifugal Pump Test Set(GH5)是一臺用于離心泵測試的裝置，為研究離心泵在不同揚程、流量和轉速下的特性提供了一種新的測試方法。盡管這類水泵測試裝置具有高集成、小體積、可移動、多功能、設備全、易操作等優點，但在數據處理方面功能薄弱，缺少嵌入式的數據處理分析系統，效率不高。

在國內，泵測試技術的發展歷程可以簡要的劃分為兩個時期：20世紀70年代、20世紀80年代至今。20世紀70年代屬于指針式測試系統時期，泵的測試基本采用分立式儀器和儀表來測量各種物理量。例如，用水銀壓力計、彈簧壓力計等測量壓力，用文吐里流量計、渦輪流量計等測量流量，用電流表、電壓表等測量電力參數。測試儀器體積龐大，成本高，可靠性差，試驗人員多，工作量大，試驗誤差大，效率低等都是這一時期水泵測試系統存在的問題，為了得到性能優良的水力模型，往往需要反復進行多次模型試驗，效率極低。

20世紀80年代至今屬于測試系統的自動化時期。隨著產品結構調整和更新換代速度的加快，市場對產品種類、質量、性能等方面提出了更高的要求，傳統的試驗方法在測試精度與速度等方面已經難以滿足泵產品研制和技術改造的要求。

而這個時期正是計算機技術、通信技術和智能控制技術高速發展的時期，自動控制領域日新月異，智能儀表、先進的控制系統等層出不窮，智能電磁流量計、超聲波流量計、激光流量計、智能電容式壓力變送器、轉矩轉速傳感器、微機扭矩儀、電子計算機、單片機等先進的智能電子裝置迅速地被應用于新一代的水泵測試系統中，極大地提高了水泵測試系統的自動化程度、測試精度、響應速度和人工效率，盡管如此，這種測試系統仍存在著一些問題：

(1)儀器儀表眾多，成本較高，系統龐大；

(2)接口復雜，連接線太多，計算機通信接口資源緊張，維護困難；

(3)試驗數據分析軟件易用性、界面友好性不夠好；

(4)由于各儀器采用了不同的通訊接口、協議，必然加大程序編寫的困難。另外，由于在Windows操作系統的保護模式下，不能直接訪問接口卡硬件，它們的驅動程序編寫較麻煩，程序編寫困難。

技術實現要素：

本發明針對傳統監測系統儀器儀表眾多，成本高，系統龐大且試驗數據分析軟件易用性、界面友好性不夠好等問題，提出了一種基于Android平臺的離心泵電機狀態監測裝置及監測方法，實現本發明的技術方案如下：

一種基于Android平臺的離心泵電機狀態監測裝置，包括離心泵電機信號采集模塊、信息處理模塊、安卓設備、上位機；所述離心泵電機信號采集模塊連接所述信息處理模塊，所述信息處理模塊分別連接所述安卓設備和所述上位機

所述離心泵電機信號采集模塊采用電流互感器、電壓互感器以及電能芯片實現；所述電流互感器、所述電壓互感器用于采集三相電，采用三相三線制接法，將三相電的A、B、C三相分別穿過電流互感器，以B相作為地，電流互感器能感應每一相的電流，電壓互感器可以感應兩相之間的電壓；在A、B、C三相分別穿過電流互感器、電壓互感器到達電能芯片時，電能芯片將頻率信息及功率信息儲存在寄存器中；

所述信息處理模塊一方面將所述電流互感器、所述電壓互感器采集的三相電信息轉發給所述上位機；所述信息處理模塊另一方面直接讀取電能芯片相應寄存器的頻率信息以及功率信息，結合外圍漏磁感應電路感應的漏磁頻率得到離心泵的轉速，根據得到的功率和轉速信息，結合泵在定轉速下的Q～P，Q～H，Q～η泵特性曲線和泵的比例定律，換算出泵的性能，最終得到相應的工況；

所述上位機一方面對轉發的三相電信息通過漢寧窗做FFT頻譜分析，計算電壓諧波和電流諧波的比值，得到偏心譜波頻率，結合轉子齒數，計算得到轉差率，通過轉差率和供電電源頻率即可得到相應的轉速，再通過所述信息處理模塊讀取電能芯片的功率信息，根據得到的功率和轉速信息，結合泵在定轉速下的Q～P，Q～H，Q～η泵特性曲線和泵的比例定律，換算出泵的性能，最終得到相應的工況；所述上位機另一方面實現對所述信息處理模塊得到的離心泵工況進行實時監測；

所述安卓設備設有顯示選項，用于對所述信息處理模塊得到的離心泵工況進行實時監測。

進一步，所述信息處理模塊采用STM32控制器實現。

進一步，所述電能芯片采用ATT7022B實現。

進一步，所述安卓設備與所述信息處理模塊的連接方式為藍牙連接或者GPRS連接。

進一步，所述上位機與所述信息處理模塊的連接方式為modbus連接或者GPRS連接。

進一步，還包括與所述信息處理模塊相連的LCD顯示屏，用于顯示泵的性能參數。

基于上述裝置，本發明還提出了一種基于Android平臺的離心泵電機狀態監測方法：

步驟1，基于ATT7022B芯片的離心泵電機信息采集：使用電流互感器、電壓互感器采集三相電，采用三相三線制接法，將三相電的A、B、C三相分別穿過電流互感器，以B相作為地，電流互感器能感應每一相的電流，電壓互感器可以感應兩相之間的電壓，當A、B、C三相分別穿過電流互感器、電壓互感器到達ATT7022B時，ATT7022B通過計算將電量功率信息和頻率信息儲存在芯片對應的寄存器中；

步驟2，基于STM32的數據接收、分析處理：以STM32微控制器作為載體，連接電流互感器、電壓互感器以及ATT7022B和漏磁頻率感應電路；所述漏磁頻率感應電路利用感應線圈感應泵運行時的頻率信號，通過低通濾波電路將工頻過濾，再將得到的低頻漏磁頻率信號進行通過整形電路，使信號變成頻率相同的方波信號，得到的方波信號由于比較微弱，需要再通過集成運放電路將信號放大，將放大后的信號送給STM32微控制器；

所述STM32直接讀取ATT7022B計量芯片相應寄存器的頻率信號以及功率信號，結合外圍漏磁頻率感應電路感應的漏磁頻率，通過工頻和漏磁頻公式得到泵的轉速，其中f₁為工頻，f₂為漏磁頻，p表示極對數，n表示泵的轉速；

根據功率和轉速信息，結合泵在定轉速下的Q～P，Q～H，Q～η泵特性曲線和泵的比例定律，換算出泵的性能，從而得到相應的工況；

步驟3，所述STM32分別與手機客戶端和上位機通信，將泵的工況分別發送給手機客戶端和上位機，實現實時監測。

進一步，步驟2還包括：所述STM32將電流互感器、電壓互感器采集的電流、電壓信息以及功率信息轉發給上位機，在labview中，上位機對采集的電壓、電流信號通過漢寧窗做FFT頻譜分析，計算電壓諧波和電流諧波的比值，得到偏心譜波頻率，結合轉子齒數，計算得到轉差率，通過轉差率和供電電源頻率得到泵的轉速；

上位機根據得到的功率和轉速，結合泵在定轉速下的Q～P，Q～H，Q～η泵特性曲線和泵的比例定律，換算出泵的性能，從而得到相應的工況，對離心泵的狀態進行實時的監測。

進一步，所述步驟3中，所述STM32與所述手機客戶端的連接方式為藍牙或GPRS；所述STM32與所述上位機的連接方式為modbus或者GPRS。

本發明的有益效果是：

1、在不安裝傳統的振動和壓力傳感器的情況下，僅利用驅動電機的電參數，實現了離心泵的狀態預測和監測。

2、利用ATT7022B計量芯片可以檢測泵在變頻情況下工頻的特征，結合STM32微控制器可以測量泵在變頻條件下的轉速。

3、提供兩種功率、轉速的測量方案，并且在同一套系統上顯示，可以相互檢驗，從而使測量的結果更加準確；

附圖說明

圖1是一種基于安卓平臺的離心泵電機狀態監測裝置示意圖；

圖2是第一種測量轉速方案；

圖3是第二種測量轉速方案；

圖4是測量三相電、轉速頻率綜合圖；

圖5是狀態轉化流程圖。

具體實施方式

本發明針對傳統監測系統儀器儀表眾多，成本高，系統龐大且試驗數據分析軟件易用性、界面友好性不夠好等問題，提出了一種基于Android平臺的離心泵電機狀態監測裝置及監測方法，如圖1所示，包括基于ATT7022B芯片的離心泵電機電流、電壓信號采集模塊，基于STM32數據接收、分析處理模塊，數據通訊及共享模塊，Android客戶端以及上位機和顯示屏。通過基于ATT7022B芯片的離心泵電機電流、電壓信號采集模塊得到電機定子電流信號、電壓信號，轉化為離心泵的轉速和功率信號，再利用得到的功率和轉速信號，結合泵的特性曲線和比例定律，換算出泵的性能，例如揚程、效率等量，從而去判斷相應的工況，對離心泵的狀態進行實時的監測。

基于ATT7022B芯片的離心泵電機電流、電壓信號采集模塊，用電流互感器、電壓互感器采集三相電，采用三相三線制接法，將三相電的A、B、C三相分別穿過電流互感器，以B相作為地，電流互感器能感應每一相的電流，電壓互感器可以感應兩相之間的電壓，當A、B、C三相分別穿過電流互感器、電壓互感器到達ATT7022B時，ATT7022B通過計算將電量信息儲存在芯片對應的寄存器中，故在ATT7022B相應的寄存器中讀取對應的功率信號和頻率信號。

基于STM32數據接收、分析處理模塊，是以STM32微控制器作為載體，通過STM32的引腳連接由ATT7022B為核心的電量信號采集電路、漏磁頻率感應電路，其中漏磁頻率感應電路，利用感應線圈感應泵運行時的頻率信號，由于需要剔除工頻高頻信號需先通過低通濾波電路將工頻過濾，再將得到的低頻漏磁頻率信號進行通過整形電路，使信號變成頻率相同的方波信號，得到的方波信號由于比較微弱，需要再通過集成運放電路將信號放大，便于STM32微控制器采集。如圖4所示。

結合以ATT7022B為核心的采集電路對轉速信號的采集提供兩種方案。方案一、將電流互感器、電壓互感器采集的電流、電壓信號，通過STM32的串口發送至基于Labview環境下上位機，在labview中，上位機對采集的電壓、電流信號通過漢寧窗做FFT頻譜分析，計算電壓諧波和電流諧波的比值，得到偏心譜波頻率，結合轉子齒數，計算得到轉差率，通過轉差率和供電電源頻率即可得到泵的轉速，對應的流程圖如圖2。方案二、STM32直接讀取ATT7022B計量芯片相應寄存器的頻率信號以及功率信號，結合外圍漏磁感應電路感應的漏磁頻率，通過工頻和漏磁頻公式得到泵的轉速，其中f₁為工頻，f₂為漏磁頻，p表示極對數，n表示泵的轉速。對應的流程圖如圖3。

根據得到的功率和轉速信號，結合泵在定轉速下的Q～P，Q～H，Q～η泵特性曲線和泵的比例定律，換算出泵的其他性能，例如揚程、效率等量，從而去判斷相應的工況，對離心泵的狀態進行實時的監測，如附圖5。

根據離心泵實際運行工況以及實際故障，例如泵葉輪卡死、空化、缺水故障時，故障對應的電流信號的時頻特征和故障判別指標，開發相應的Android客戶端，設置相應顯示選項，Android客戶端與基于STM32控制器的數據接收、分析處理模塊之間的通訊采取兩種方式：1、藍牙局域網：適用于管理者在廠房內與離心泵電機距離相對較近時的情況；2、GPRS廣域網：適用于管理者與離心泵電機相應距離很遠的情況，實現遠程的實時監測。上位機與于STM32控制器采取modbus協議通過串口傳輸數據，也可以通過GPRS廣域網實現遠程的實時監測。

其中兩種測量轉速方案的具體實施如下：

第一種測量轉速方案：

將三相電的A、B、C三相分別穿過電流互感器，以B相作為地，電流互感器感應每一相的電流，電壓互感器感應兩相之間的電壓，當A、B、C三相分別穿過電流電壓互感器，信號到達ATT7022B時，在ATT7022B相應的寄存器中可以讀取對應的電流信號和電壓信號。采集的電流電壓信號，通過STM32的串口發送至基于Labview環境下上位機，在labview中，上位機對采集的信號通過漢寧窗做FFT頻譜分析，計算電壓諧波和電流諧波的比值，得到偏心譜波頻率，結合轉子齒數，計算得到轉差率，通過轉差率和供電電源頻率即可得到相應的轉速，對應的流程圖如圖2，根據得到的功率和轉速信號，結合泵在定轉速下的Q～P，Q～H，Q～η泵特性曲線和泵的比例定律，換算出泵的其他性能，例如揚程、效率等量，從而去判斷相應的工況，對離心泵的狀態進行實時的監測，如附圖5。

第二種測量轉速方案：

將三相電的A、B、C三相分別穿過電流互感器，以B相作為地，電流互感器感應每一相的電流，電壓互感器感應兩相之間的電壓，當A、B、C三相分別穿過電流電壓互感器信號，到達ATT7022B時，在ATT7022B相應的寄存器中讀取對應的頻率信號和功率信號。直接讀取ATT7022B計量芯片相應寄存器的頻率信號以及功率信號，結合外圍漏磁感應電路感應的漏磁頻率，通過工頻和漏磁頻相應公式得到泵的轉速，其中f₁為工頻，f₂為漏磁頻對應的流程圖如圖3。

上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發明的可行性實施方式的具體說明，它們并非用以限制本發明的保護范圍，凡未脫離本發明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應包含在本發明的保護范圍之內。