专利名称：基于物联网的多模智能化电机节电应用系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于物联网的多模智能化电机节电应用系统，尤其是涉及由计算机通过GPRS无线移动通信网络，远程选择变频或相控模式对电机实施节电的应用系统。
背景技术：
在工农业生产中大部分采用三相异步电动机，对此类电机的节电方式主要有变频降速技术和相控技术两种，简称变频模式和相控模式。变频模式是实时动态调整电机转速，从而降低电机轴功率，实现电机节电。相控模式是通过实时侦测电机负载的大小，实时调整电机的电压和电流，在不改变电机转速的前提下，保证电机输出转矩与负载需求的动态、精确匹配，有效避免电机出力过大而带来的电能浪费。变频模式节电效果显著，但因需要改变电机转速，使生产效率受到影响，从而应用范围受到限制。相控模式不改变电机转速、不影响生产效率，应用范围很广，但节电效果比变频模式稍弱。 目前针对三相异步电动机设计的节电器，要么采用变频模式设计，针对允许调速的场合；要么采用相控技术设计，针对不允许调速的场合。对电机单一地采用变频或相控模式节电，就产生了生产效率和节电效率之间的矛盾。例如混凝土搅拌行业，滚轮式皮带输送机用于输送砂石。滚轮式皮带输送机的实际负载状况分为空载、轻载、重载3种。从混凝土生产的整个工艺流程来看，各个生产环节之间的生产效率需相互匹配，输送砂石的速度在不同时间段有不同需求。对滚轮式皮带输送机实施单一的变频模式节电，会遇到实际负载很轻、但输送速度需求很高的情况，这时变频模式节电因为降低电机转速而降低了砂石输送速度，也就影响了整体生产效率。对滚轮式皮带输送机实施单一的相控模式节电，会遇到实际负载重、但输送速度需求不高的情况，这时相控模式节电效果不明显、不降低电机转速的技术优势根本发挥不出来。单一的节电模式会使生产效率与节电效率之间的矛盾突出起来。但是，相当一部分工业生产场合，随着工作时间段不同，会先后出现允许调速或不允许调速2种工况，例如上述的混凝土搅拌行业的滚轮式皮带输送机的应用。因此，需要发展一项新的电机节电技术，同时集成变频和相控两种节电模式，根据不同时间段的不同生产要求，智能切换节电模式，解决生产效率和节电效率之间的矛盾。另一方面，还需要将电机节电模式的切换，建立在物联网应用的基础上，根据生产流程的全局调度需求，通过无线物联网实时遥控切换多个生产环节、多台电机的节电方式，实现系统化节电。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能兼容变频和相控两种节电模式、并能通过无线物联网实施节电模式切换的三相异步电机节电系统，从而解决生产效率和节电效率之间矛盾。本发明提供一种基于物联网的多模智能化电机节电应用系统，集成了变频和相控两种电机节电技术，具备无线物联网功能，通过GPRS无线移动通信网络，由中央监控计算机根据生产需求，远程控制工业现场的电机节电器选择节电模式、对电机实施节电。为达到此目的，本发明采用以下技术方案该系统包括多模相控节电器分系统和中央监控分系统。其中，多模节电器分系统包括变频节电器、相控节电器、程控开关、单片机、GPRS网络单元，中央监控分系统包括中央监控计算机、GPRS网络单元。多模节电器分系统对电机以变频或相控模式实施节电，中央监控分系统通过GPRS无线移动通信网络，远程遥控选择多模节电器分系统的节电模式。中央监控计算机根据生产需要，产生节电模式切换指令，由GPRS网络单元，通过GPRS无线移动通信网络，传给工业现场的多模节电器。多模节电器中的GPRS网络单元，从GPRS无线移动通信网络接收节电模式切换指令，解析为程控开关的控制信号，对变频节电器、相控节电器的使用实施选择切换。更进一步的方案是·
变频节电器变频节电器采用变频降速原理节电。三相异步电机的交流电源频率与转速成正比，而转速与轴功率的3次方成正比。因此，适当降低频率，能显著降低轴功率的消耗。变频节电器由整流器、滤波器、逆变器、单片机、U/f模式形成器、控制脉冲发生器组成。整流器将输入的三相电整流成为直流，经滤波器滤去高次谐波和杂波，送给逆变器，逆变器将直流电能转换为工频或指定频率的交流电。逆变器输出的交流电的频率是受控的，采用PWM脉冲控制方式，频率控制功能由单片机、U/f模式形成、控制脉冲发生器3个单元共同实现。单片机产生控制指令，送给U/f模式形成单元，U/f模式形成单元将控制指令解析为频率控制信号、电压控制信号，作为PWM脉冲参数，送给控制脉冲发生器，产生所需的PWM脉冲。PWM脉冲的幅值表示需要输出的交流电的电压，PWM脉冲的频率表示需要输出的交流电的频率。具备一定幅值和频率的PWM脉冲送给逆变器，控制逆变器将直流电能转换为所需的频率、电压的交流电能。相控节电器相控节电器采用动态侦测电机负载大小，实时调整电压、电流，按电机的实际使用需求供电，节省不必要的电能浪费。相控节电器由数控开关、电流互感器、电压互感器、可控硅模块、信号处理、单片机、电源控制、缺相检测、故障及功率控制组成。三相电输入相控节电器，在三组电压互感器和电流互感器的检测下，得到三相电的电压电流变化信号，通过信号处理单元转换为电压和电流之间的相位差信号，送给单片机，由单片机对该信号进行处理，当相位差小时，电机负载大，这时单片机通过控制可控硅模块供给电机大的电流。反之，当相位大差时，电机负载小，这时单片机控制可控硅模块供给电机小的电流，实现按需供电。程控开关程控开关对变频节电器和相控节电器进行选择切换，根据单片机的控制指令，选择出所需的节电设备。单片机是多模节电器的控制部分，向程控开关发出控制信号，对变频节电器和相控节电器进行选择切换。单片机通过GPRS网络单元接收中央监控计算机无线传来的节电模式切换指令，根据指令控制程控开关，选择节电模式。GPRS网络单元负责无线网络通信，分别分布在中央监控分系统和多模节电器分系统。在中央监控分系统，GPRS网络单元接收并转发计算机的控制指令，通过GPRS无线移动通信网络，传给工业现场的多模节电器。在工业现场的多模节电器，GPRS网络单元通过GPRS无线移动通信网络，接收并转发来自中央监控分系统的节电模式切换指令，并转换为程控开关的控制信号，控制节电器的选择切换。中央监控计算机采用PC机配置操作系统Windows2000，配置相应的中央监控软件。中央监控软件的节电模式切换控制指令，由RS232串口发出，由GPRS网络单元接收转发，经GPRS无线移动网络，远程发送给工业现场的多模节电器。根据本发明，由于兼容了变频和相控两种节电技术、并基于无线物联网应用，因此，可以在保证正常生产效率的前提下，最大限度地提高节电效率。
图I是本发明基于物联网的多模智能化电机节电应用系统的原理框图。图2是图I的变频节电器的原理框图。图3是图I的相控节电器的原理框图。图4是图I的GPRS网络单元的原理框图。
具体实施例方式下面对本发明的具体实施方式
作描述系统的
具体实施例方式如附图I所示，所述的基于物联网的多模智能化电机节电应用系统，由多模相控节电器分系统和中央监控分系统组成。其中，多模节电器分系统由变频节电器、相控节电器、程控开关、单片机、GPRS网络单元组成，中央监控分系统由中央监控计算机、GPRS网络单元组成。多模节电器分系统对电机以变频或相控模式实施节电，中央监控分系统通过GPRS无线移动通信网络，远程遥控选择多模节电器分系统的节电模式。其中，中央监控分系统的设备仅有一套，多模节电器分系统中的多模节电器有一套或多套。多模节电器分系统集成变频节电器、相控节电器、程控开关、单片机、GPRS网络单元，集中组装为一台多模节电器，串联在电机电源线上。中央监控分系统集成中央监控计算机、GPRS网络单元，GPRS网络单元通过RS232串口连接在计算机上。多模节电器的输入端与电网的380V三相交流电源相连，多模节电器的输出端与电机电源线相连，多模节电器的网络通信接口与GPRS无线移动通信网络连接。多模节电器内部的程控开关有2个，一个在多模节电器的输入端，另一个在多模节电器的输出端。输入端程控开关输入电网的380V三相交流电源，选择切换给变频节电器或相控节电器。输出端程控输入来自变频节电器或相控节电器的电源，选择切换输出I路给电机。多模节电器内部的单片机通过TTL数字信号线与2个程控开关相连，输出切换控制信号。当切换控制信号为逻辑“I”时，选择变频节电模式，变频节电器为主用节电器；当切换控制信号为逻辑“O”时，选择相控节电模式，相控节电器为主用节电器。单片机通过RS232串口与多模节电器内部的GPRS网络单元相连，接收节电模式切换指令。多模节电器内部的GPRS网络单元与外部的GPRS无线移动通信网络相连，接收从中央监控分系统无线传来的节电模式切换指令。下面对各单元组成部分的具体实施方式
作进一步的描述变频节电器的
具体实施例方式如图2所示，所述的变频节电器由整流器、滤波器、逆变器、单片机、U/f模式形成器、控制脉冲发生器组成。整流器将输入的三相电整流成为直流，经滤波器滤去高次谐波和杂波，送给逆变器，逆变器将直流电能转换为工频或指定频率的交流电。逆变器输出的交流电的频率是受控的，采用PWM脉冲控制方式，频率控制功能由单片机、U/f模式形成、控制脉冲发生器3个单元共同实现。单片机产生控制指令，送给U/f模式形成单元，U/f模式形成单元将控制指令解析为频率控制信号、电压控制信号，作为PWM脉冲参数，送给控制脉冲发生器，产生所需的PWM脉冲。PWM脉冲的幅值表示需要输出的交流电的电压，PWM脉冲的频率表示需要输出的交流电的频率。具备一定幅值和频率的PWM脉冲送给逆变器，控制逆变器将直流电能转换为所需的频率、电压的交流电能。整流器采用CZ28系列的集成整流模块实现，滤波器采用L型拓扑结构的LLB系列的集成滤波模块实现，逆变器采用BJT模块HT38系列的集成BJT模块实现。单片机采用PIC16C72，U/f模式形成单元采用集成模块FC1202实现，控制脉冲发生 器采用集成PWM脉冲产生模块PF2062实现。单片机与U/f模式形成单元之间采用RS232串口线连接，U/f模式形成单元与控制脉冲发生器之间采用两条TTL数字信号数据线相连，分别传送频率控制字和电压控制字。控制脉冲发生器与逆变器之间采用同轴电缆连接。相控节电器的
具体实施例方式如图3所示，所述的相控节电器由数控开关、电流互感器、电压互感器、可控硅模块、信号处理、单片机、电源控制、缺相检测、故障及功率控制组成。单片机通过电源控制单元控制数控开关，将三相电引入相控节电器，在三组电压互感器和电流互感器的检测下，可得到三相电的电压电流变化信号，通过信号处理单元得到电压和电流的相位差信号，单片机对该信号进行处理，当相位差小时，电机负载大，这时单片机通过故障和功率控制模块，控制可控硅模块供给电机大的电流。反之，当相位差大时，电机负载小，这时单片机通过故障和功率控制模块，控制可控娃模块供给电机小的电流，实现按需供电。单片机采用MCS-8051，最高速度可实现4 X 105次/秒的电压电流检测，有效地实时检测出电压电流相位差变化，实现供电的实时控制。数控开关采用有TTL数控接口的交流接触器实现，控制信号为逻辑“ I ”时，三相电被切换入节电器，控制信号为逻辑“O”时，三相电被切断。数控开关的控制线采用TTL数字信号数据线实现，连在电源控制单元上。电源控制单元实时检测设备的温度，当设备温度过高时发出信号为逻辑“O”的控制信号，切断三相电的输入。当设备温度正常时发出信号为逻辑“I”的控制信号，接通三相电的输入。缺相检测单元实时检测三相电各相线的电流，当检测到任一相线上没有电流时，就将检测结果传给单片机，单片机立即下达指令给故障和功率控制模块，发出控制信号切断可控硅模块的电流通路。可控硅模块采用MTC系列的产品实现。电源控制单元通过TTL数字信号数据线，将工作温度状态实时传给单片机，信号为逻辑“I”时表示温度过高，信号为逻辑“O”时表示温度正常。单片机与故障和功率控制模块的连线采用TTL数字信号数据线实现，信号为逻辑“I”时表示导通，信号为逻辑“O”时表示切断。缺相检测单元与单片机的连线采用TTL数字信号数据线实现，信号为逻辑“ I”时表示故障，信号为逻辑“O”时表示正常。程控开关的
具体实施例方式所述的程控开关采用带TTL控制接口的交流接触器组模块CJX-2-1-380-TTL来实现。CJX-2-1-380-TTL交流接触器组模块对380V三相电源起到单刀双掷的切换作用；由控制端输入TTL电平的数字控制信号，信号为逻辑“I”时，选择相控节电器为主用，信号为逻辑“O”时，选择变频节电器为主用；数字控制信号来自单片机。交流接触器组模块有2只，分别在多模节电器的输入端和输出端；2只交流接触器组模块在单片机控制下联动，对变频节电器、相控节电器进行选择切换。单片机的
具体实施例方式
所述的单片机采用作PIC16C72作微处理器。PIC16C72具有2个PWM通道、5个A/D转换通道、I个CCP模块、3个定时器、11个中断资源。yPIC16C72采用精简指令集，优化指令方式，指令效率高，代码压缩效率高，功耗低。单片机采用4M晶振，指令周期为O. 25μ S。数据DO位输出给程控开关作为切换控制信号。单片机通过RS232串口与GPRS网络单元相连，接收由GPRS网络单元接收转发的节电模式切换指令，再将指令解析为数字TTL信号给程控开关，信号为逻辑“ I ”表示将相控节电器选择为主用节电设备，信号为逻辑“O”表示将变频节电器选择为主用节电设备。GPRS网络单元的
具体实施例方式如图4所示，所述的GPRS网络单元由微处理器、GPRS通信模块、扩展数据储存器、SIM卡座、RS232接口。GPRS通信模块由嵌入TCP/IP协议的单片机、GPRS通信模块、SM卡座、外部接口和扩展数据存储器等部分组成。单片机控制GPRS通信模块接收和发送信息，通过标准RS232串口和外界进行进行数据通信。用软件实现中断，完成数据的转发。单片机采用美国德州仪器公司的MSC1210Y5，时钟频率为33MHz，32KB Flash程序存储器，256B内部RAM和1024B片上SRAM，2KB启动R0M，支持串行和并行的在系统编程。双数据指针DPTRO和DPTRl可加快数据块的移动速度。单片机主要实现过程如下通过AT指令初始化GPRS通信模块，使之联接在GPSR网络上，获得网络运营商动态分配的GPRS终端IP地址，并与目的终端建立连接。通过串口 O扩展MAX232标准串口和外界进行通信。复用Pl. 2和Pl. 3，也就是串口 I分别和GPRS通信模块的TXDO和RXDO连接，Pl 口的其他6个端口分别接到GPRS模块对应的剩余RS232通信口，通过软件置位初始化和控制GPRS通信模块的收发数据。扩展数据存储器部分MSC1210的Flash存储器可全部作为Flash程序存储器，也可以全部作为数据Flash程序。因为要嵌入实时操作系统和网络协议，需要一定的空间，因此将其全部用作程序存储器。扩展6264作为外部数据存储器。GPRS通信模块采用德国Simens公司的MC35模块。MC35由射频天线、内部Flash、SRAM、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的ZIF插座组成。GSM基带处理器是核心部件，相当于协议处理器，处理外部系统通过串口发送AT指令。射频天线部分主要实现信号的调制和解调，以及外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换。匹配电源为处理器、基带、射频部分提供工作电源。中央监控计算机的
具体实施例方式所述的中央监控计算机采用普通的PC机实现，配置操作系统Windows2000，并配置相应的中央监控软件。Windows2000操作系统安全稳固，适合工业控制应用。中央监控软件的控制指令，由RS232串口发出，由GPRS网络单元接收转发，经GPRS无线 移动网络，远程发送给工业现场的多模节电器。
权利要求
1.关、单片机、GPRS网络单元、中央监控计算机，其特征在于，包括 所述的基于物联网的多模智能化电机节电应用系统的节电模式，有变频模式和相控模式2种； 所述的节电模式的切换，是通过GPRS无线移动通信网络，由中央计算机远程遥控实施。·
全文摘要
本发明提供一种基于物联网的多模智能化电机节电应用系统，涉及电力电子学领域，能基于GPRS物联网对电机以变频或相控模式实施节电。该系统包括相控节电器、变频节电器、控开关、单片机、GPRS网络单元、中央监控计算机。其中，相控节电器、变频节电器、程控开关、单片机、GPRS网络单元组成多模节电器，中央监控计算机配置GPRS网络单元。中央监控计算机通过GPRS无线移动通信网络，远程控制多模节电器内部单片机，切换程控开关选择变频节电器或相控节电器实施节电。本发明兼容变频、相控两种节电技术，能根据需求任意遥控切换，在保证正常生产效率的前提下，最大限度挖掘节电潜力，特别适用于多台电机的节电改造。
文档编号G05B19/418GK102902259SQ20121043736
公开日2013年1月30日 申请日期2012年11月6日 优先权日2012年11月6日
发明者胡晋东 申请人:河南恒天电子信息技术有限公司