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基于现场总线电机运行故障的快速检测及实时打印


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基于现场总线电机运行故障的快速检测及实时打印

基于现场总线电机运行故障的快速检测及实时打印
Fast Detection and

Realtime Printing of Motor Fault Based

on

Fieldbus





葛芦生

张英杰

(安徽工业大学电气信息学院,安徽马鞍山243002)
摘要

在简要介绍宝钢1580热轧厂辊道电机故障监测系统的基础上,主要针对ADAM模块和RS485网络,探讨了提高系统 的数据采集速度与抗干扰措施,并论述了在Windows环境下如何实现电机故障记录的实时打印。 关键词:抗干扰,RS485,数据采集,ADAM,实时打印
Abstract The paper introduces acquisition and the the fault detection system of roller motor placed in 1580 hot rolling stripe product line.Fast data
on

anti—jamming of the system was discussed in detail for ADAM module and RS485,Realtime printing based

Windows operating system was introduced in order to record motor fault immediately. Keywords:Anti-jamming.RS485,Data Acquisition.ADAM,Realtime Printing

1问题的提出
宝钢1580热轧生产线共有辊道电机近600台,由于现场

原系统不能快速、准确可靠地完成对辊道电机运行状态的 数据采集,在数据采集方面主要存在两个缺陷:扫描周期太慢 (≥1min);辊道电机运行状态的故障诊断存在误检测。系统扫描 周期太慢使得故障不能及时发现,对产品的质量造成不良影响;
辊道电机运行状态的误检测会产生错误的故障报警,给现场操

工作环境比较恶劣,辊道电机经常发生故障跳闸动作,如果故障 不能发现,易造成“被动辊”和“死辊”现象,给带钢表面质量造成 严重的不良影响,尤其是“死辊”将严重划伤带钢表面,甚至会造 成轧线停产,为此用VB6.0为软件开发平台建立了一套基于现 场总线和工业以太网的分布式辊道电机运行状态监控系统,原
系统结构如图1所示。
485/232

作人员带来不便。
2.1系统数据采集速度分析 2.1。1提高系统扫描速度的方法

增加硬件设备或改进系统数据采集部分的软件都可能提高
转换器

系统扫描速度。利用原有RS485现场总线网络,根据实际需要, 适当调整其结构,增加近千米电缆、3个RS232/RS485转换器 和3个串口,将原系统经1条RS485网络线与上位机相连改为
经4条RS485网络线与上位机相连,分为4个站(分别位于3

4053

模块

蓑荬{|{二’4模05块3

号辅机室、4号辅机室、5号辅机室、7号辅机室),每一站都通过 一个RS232/RS485转换器直接与上位机串口相连,可提高系 统总体扫描速度,增加更多的硬件设备意味着当前更多的资金 的投入和今后更多的维护成本。 如果能保留原有的RS485现场总线网络不变,通过改进系 统的数据采集程序提高系统的扫描周期,使扫描周期满足系统 设计要求,可节省硬件投资,将是一个更好的选择,为此必须对 原系统的数据采集程序和ADAM4053数字量输入模块的工作 原理及通讯协议进行深入分析。
2.1.2 ADAM4053数字量输入模块内部结构及通讯规则。

_‘!..曼!魍妻l;j.曼蔓恶煮;;王曼臻热室~i
图1原系统结构

电机运行状态由研华公司16通道数字量输入模块
ADAM4053进行采样,共计50个模块,分布在3号、4号、5号 和7号辅机室,用一条屏蔽双绞线将这些模块联结起来组成一 个RS485现场总线网络,通过一个RS232/RS485转换器

ADAM一4520与工控机的RS232串口相连,实现对所有辊道电 机运行状态在线实时监控,但在长期运行中发现:①由于原系统
通过一条RS485网络线将分布在4个辅机室的数字输入模块

ADAM4053数字量输入模块是研华公司ADAM一4000系 列模块中的一员,通过内置微处理器及通讯接口实现与上位机 的通讯,用户可通过计算机以RS一485通讯协议,发出ASC||码 专用命令对模块进行遥控,实现远端数据采集与控制,模块内部
结构如图2所示。

联结起来,扫描周期太慢(T≥1min),导致某些故障信息不能及 时捕捉或误报警;②故障记录不能实时打印。本文在对原系统硬 件结构和软件流程分析的基础上,对其进行优化完善,彻底解决
了上述问题。 2快速数据采集及抗干扰设计 分布在4个辅机室的ADAM4053数字量输入模块共有50 个,通过RS485现场总线将它们连接起来,为了准确快速地捕

]RS485
EPROM



16位
D10

.1通舷r]广 控

制 器 参数配置
圈2

数字 量输
D115

捉电机发生的故障,必须提高系统采样速率。生产现场提出的设 计目标是:系统采样周期小于10s;所有的辊道电机跳闸故障都 能准确定位,降低误报率。

广

入接口

ADAM4053内部功能结构

万方数据  

《工业控制计算机)2006年19卷第3期 ADAM4053的ASCII码专用命令主要包括参数配置和数字 量输入,参数配置命令的作用是设定模块的地址,串行通讯的波 特率、校验方式、数据位、起始位及停止位的个数;数字量输入命 令的作用是要求指定的模块传回所读取的数字量,语法格式是 ¥AA6cr,5个字符,其中AA(范围00-If)表示4053模块的两位 十六进制地址,cr是结束字符,即回车0Dh,其它字符是固定格 式,改变地址即可方便的实现与不同的模块进行通讯。上位计算 机通过串行口将由5个字符组成的数字量输入命令以ASCII码 的形式发送出去,正常情况下,指定的模块发生响应,将传回所 读取的数字量,传回的响应字符串格式如下:!NNNNOOcr,8个 字符,其中NNNN为模块所读取的16bit数字量,用16进制数 表示。为实现电机运行状态的实时监控,上位机必须访问RS485 网络中每一个4053模块。 输入命令¥AA6; 2)正常情况下,上位机能收到指定的4053模块回传的响 应字符串。 例如:向3号4053模块发数字量输入命令为¥036(cr)。响 应字符串为!BEDE00(cr),那么十六进制数BEDE可用二进制 数101111
101 101


71

运行

“一‘气,一一、 支 ?。:一‘,二。 V j..../乙....f 鼍翌
t2 t3 t4止吊

正常tl 干扰

发生 故障

干扰

故障 复位

图3故障发生、复位和干扰信号

扰,不采取任何措施t1时刻将产生误报警,t3时刻不会产生误 报警但会产生错误的故障记录,用软件抗干扰的方法可以解决 问题,考虑现场的开关量点数较多,采用的开关量滤波算法能够 快速检测到真实的故障。 对同一个开关量输入信号连续采样3次,选至少2次相同 的状态作为本次采样的结果,这种“3选2”的开关量滤波算法可 以消除误报警,但系统的扫描周期增加了2倍。 “滑动3选2”法对同一个开关量输入信号每一个系统扫 描周期仅采样1次,和前 2次的状态进行3选2 作为本次的采样结果,系 统的扫描周期不变,但从 电机发生故障到系统确 认故障的发生推迟了一 个系统扫描周期。 为了协调系统扫描 速度与电机状态检测准 确性之间的关系,本文的 思路是:系统运行时保存 上一次的采样结果,如果 上次采样为高电平本次 采样为低电平,则可能是 干扰信号也可能是电机 发生了故障,在扫描下一 个4053模块之前,增加 一次采样,即可消除干扰 的影响,当系统中有一台 电机发生故障仅会使系 统的扫描周期增加二十 几个毫秒,取得了良好的 效果,其算法流程如图4
llft;
J,l,|、o

1)上位计算机通过串行口向指定的4053模块发送数字量

|M∞o醵‰~l
11'

1110表示,即3号4053模块的第0、5、8和

14数字量输入通道是低电平信号,其它12个通道是高电平信 号,在系统中低电平信号表示电机运行发生故障跳闸,高电平表 示运行正常。 2.1.3系统输入信号数据采集扫描时间分析 本文对原系统应用软件进行了较深入的分析,其串行通讯 是通过DAQDI控件实现的,电机运行状态的数据采集占用了系 统大部分时间,导致整个系统的扫描周期很长,4053模块与上 位机采用半双工异步串行通讯方式,双方约定的通讯参数配置 如下:波特率9600;每个字符的桢格式是1个起始位.8个数据 位,1个停止位,所以每一帧共10位。上位机每一次访问4053模 块要通过RS485总线传送13个字符,所花费的时间是:
1 3x 1 0/9600=0.Ol 35s=1 3.5ms

|‘‘l,,盘㈣壶‰㈣l
● 等待响应 l 获取响应字符串

第一个4053 模块地址送strAddr8s


I提取采集到的字符串型数据 t

<≤垂亘≥专
●No 用本次采集的结果更新上次


再次发相同命令 直到提取采集到的数据
■一

字符串掣数据转换成开关量 作为奉次采样的最终结果


修改strAddress 准备扫描F一个4053模块

系统中共计50个4053数字量输入模块,系统完成一次辊 道电机运行状态的数据采集在串行通讯上所花费的时间是 13.5x50即675ms,然而原系统所花费的时间最长接近1min, 在扫描每一个4053模块时都进行了串行口的打开和关闭操作, RS485总线的数据传输能力没有得到充分利用,因此通过改进 原系统的数据采集程序提高系统的扫描周期,使扫描周期满足 系统设计要求是完全可能的。 为了提高系统的扫描速度本文采用了MSComm串行通讯 控件,经实验测试串口每打开和关闭一次所花费的时间约 25ms,因此仅在系统的初始化程序中将串口打开一次,仅在关 闭系统之前将串口关闭一次,使新系统在串行通讯参数配置不 变的条件下,系统的扫描周期缩短到17s。 2.2系统的抗干扰设计 工业生产现场存在各种大量的干扰,不采取必要的措施,会 造成辊道电机运行状态的误检测,从而产生错误的故障报警,同 时给现场操作人员带来不便,因此要准确可靠地检测辊道电机 运行的实际状态,系统必须具有较强的抗干扰能力,抗干扰有硬 件抗干扰和软件抗干扰,系统虽然在硬件上采取了一定的抗干 扰措施,如屏蔽双绞线,但实际运行时偶尔也会产生错误的电机 故障报警。对系统误报警记录进行分析,发现误报警持续的时间 较短,可以用图3来描述。 图3为采集到的开关量原始数据,在t1和t3时刻受到了干



<竺竺竺>

Yes



关闭串口 MSCommDI PortOpen=False

图4

系统数据采集及抗干扰算法流程

2.3系统数据采集硬件网络结构 本文选择改进数据采集部分的应用软件来提高系统扫描速 度,决定保留原系统的现场设备及RS485总线网络,用1条 RS485网络线通过RS232/RS485转换器直接与上位机相连, 利用上位计算机的串行口完成现场数据的采集。为了使用的方 便在原系统的基础上增加了两个操作终端和一台打印机,设在 中央监控室的主站通过工业以太网将采集到的实时数据及时传 送到位于精轧操作室和粗轧操作室的两个计算机操作终端,系 统的总体结构可用图5描述。
操作站l
485/232

主站 (中央监控室)

交 (精轧操作室) 换 机 操作站2 (粗轧操作室)

蓑RS丽485翮h靠
转换器 和

总线网络I

打印机

图5系统总体硬件结构

万方数据  

72

基于现场总线电机运行故障的快速检测及实时打印
Printer.CurrentX=2 Printer,CurrentY=2 Printer.Print

3故障记录的实时打印

当辊道电机运行发生故障跳闸时,不仅要求系统能够发出 声光报警而且能够将故障信息进行实时打印,此处实时打印的 含义及要求如下:当电机发生故障时打印机立即打印一行故障 信息,记录下发生故障的电机名称、位置及故障发生的IEI期、时 间、值班的班次。系统的应用软件开发平台采用的是VB6。0,在 Windows环境下打印机一般是按页而不是按行打印的,可见与 故障记录按行打印是不一致的。解决问题的方法是采用针式打 印机,将纸张页面尺寸的高度设定到适当的值,使得每打印一页
相当于一行,利用Printer对象的属性和方法可实现故障记录的

Tab(4);DeviceName(i,j)&”,”:Tab(28);Format(Date.

”yyyy-mm-dd日”)&Format(Time,”hh:mm:s妒)+”发生故障跳 闸。”&”班组:”&CurrentClass
YY=Printer.CurrentY+3 For XX=5 To 205 7打印一条虚线

Printer.PSet(XX,YY)
Next XX Printer.EndDoc

4结束语

实时打印。一般可以通过设置Printer对象Height属性的值来 具体实现,对不允许设置Printer对象Height属性的打印机驱 动属性,如果设置了Height属性,将不会发生错误,但设置是无
效的,在这种情况下可利用Printer对象的纸张尺寸PaperSize

本文新建立的一套基于现场总线和工业以太网的分布式辊 道电机运行状态监控系统,可以实现对宝钢1580生产线所有辊 道电机运行状态进行在线实时监测,半年多的现场实际运行表 明,当一旦某台或某几台电机发生故障,系统能及时地检测并发 出声光报警,系统的扫描周期缩短到1.7s,完全满足实时性要 求,所有的电机运行故障都能被系统准确捕捉,同时没有发生误 报警,故障记录的实时打印功能完全满足设计要求,本文提出的 设计思路和方法对类似的设计要求具有较好的参考价值。

属性来实现,PaperSize属性的设置值为适当的自定义纸张尺 寸,辊道电机运行故障记录实时打印功能的部分程序如下:
For Each MyPrinter In Printers

7初始化时设置默认打印机

If MyPrinter DeviceName=”Epson LQ一16001<"Then Set Printer=MyPrinter Exit End If Next For

参考文献 1李怀明,骆原,王育新.Visual Basic6.0中文版参考详解(Mj,北京:

辊道电机运行出现故障时执行如下程序:
Printer PaperSize=163

清华大学出版社,1999:502~503 2李玉东,李罡,李雷.Visual Basic6.0/.NET控件大全[M】,北京:电 子工业出版社,2002:312—322
3 AOAM40 00 seriels
user’S

7自定义纸张尺寸
7vbTwips’vbUser’vbMillime—

Printer,ScaleMode=vbMillimeters ters。ok 7VbCentimeters Printer.FontSize=15

manual

fMl.Advantech

Taiwan,

7以磅为单位字号

Chapterl,2,Appendix E

[收稿日期:2005.12.16]

(上接第69页)

场地,同时须敷设大量的信号和电源电缆。改用测控系统的上位 机控制,既方便了监控,同时减少了仪表的维护。 3.2实现在上位机对变频泵的控制 在本次改造项目中,增加了对变频调速泵进行控制。在供浆
泵房中,安装了3台采用西门子变频器变频螺杆泵,为炉前供浆

最多可保存30天。超过设定保存时间的历史数据将自动删除。 历史数据最短的采集周期为1s,由于采用了分组采集技术,并 可以使不同的采集组工作与不同的时间片段,平均了CPU的负
荷,保证了系统的实时性。一个历史趋势曲线最多可以定义6条

曲线。在画历史趋势图还可以自动计算当前时间段的最大值、最 小值、平均值。
2。4安全保护功能

环形母管提供压力为1.0-1.2Mpa的水煤浆。供浆变频泵的任务 是通过变频器自带的PIC调节功能,用APL=SP—PN去改变泵 的频率,以维持炉前供浆泵房母管压力的恒定,变频泵的运行方
式有“变频器就地自动”和“远方手动”两种。测控系统可在CRT 上调出手操模拟图,通过CRT显示变频泵的电流和频率,并设定

使用安全保护功能可以限制操作员的权限,比如可以限制 运行人员只能在监控系统软件内调用画面,不能编辑、修改,也 不允许操作人员采用任何方式回答Windows操作系统下,限制 系统不能软复位等等。通过这些措施,可以大大提高监控系统的 安全性,方便了系统的管理维护。
3系统的使用

供浆母管的压力设定值(SP),达到远方控制变频泵的目的。
4结束语

本次改造的项目,热工控制系统采用基于智能测量前端的 数字测控系统,既不打乱原集控室的盘面布局,节省盘面空间, 摆脱场地的限制,又能提供方便、先迸的监控手段,同时减少了
仪表的维护量,实现了较高的性价比。由于基于智能测量前端采

3.1完成对供浆泵房系统、输卸浆泵房系统和炉前供浆系统的
监控 这三个系统需增加的监控点数如表1所示。 表1系统点数一览表

用了全封闭的模块化结构,具有极强的防尘、防潮、防震能力,并

具有体积小重量轻的特点,可以在检测点集中处就地安装,通过 一根屏蔽双绞线与主机通讯,这就较其它方式节约了大量的信 号电缆,同时信号传输距离的缩短,减轻了各种干扰,大大提高 了测控的可靠性。可以说,这种基于智能测量前端的数字测控系
统是中小型电厂改造的较好选择。

参考文献


马明健,周长城.数据采集与处理技术.西安:西安交通大学出版社,
1997

这些参数如果使用常规仪表监视,需要增加不少的仪表和

[收稿日期:2005.11.29]

万方数据  

基于现场总线电机运行故障的快速检测及实时打印
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 刘升, 葛芦生, 张英杰 安徽工业大学电气信息学院,安徽,马鞍山,243002 工业控制计算机 INDUSTRIAL CONTROL COMPUTER 2006,19(3)

参考文献(3条) 1.李怀明;骆原;王育新 Visual Basic6.0中文版参考详解 1999 2.李玉东;李罡;李雷 Visual Basic6.0/.NET控件大全 2002 3.ADAM40 00 seriels user's manual

本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_gykzjsj200603035.aspx


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