一种基于4G移动互联网的变频器专用监控系统的制作方法

本发明涉及变频器远程监控领域，具体讲是一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统。
背景技术：
：变频器应用现状：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。随着自动化、电力电子等技术的发展，变频器作为电机调速节能关键设备，改变了普通电动机只能以定速方式运行的既定模式，使得电动机及其拖动负载在无需任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗，达到系统高效运行的目的。过去十年间，变频技术高速发展，产品功能不断拓展，变频器在冶金、石化、水泥、电梯、印刷、电力等现代化产业以及医学、通讯、交通、运输、电子、环保等领域得到空前的发展和应用，几乎国民经济各行各业都与变频器密不可分。远程监控简介：随着工业自动化水平的逐渐提高，变频器作为一种关键工业设备，其集中监控已然是大势所趋，单纯的人为巡检工作不能够及时、快速的处理已经发生的故障。集中监控系统的出现，能够填补人为巡检的弊端，大大提高了工业生产的效率。变频器系统的运行状况直接影响工业生产的经济利益，各生产设备的精确运转是工业系统的核心。现场设备与控制系统实时通讯，将现场设备的运行参数实时传输给监控系统，达到集中监控的目的，可以实现生产的最大经济性，所以，生产设备监控系统的研究与开发就成了工业控制领域的热门问题。同时，提高工厂的自动化与智能化水平程度，可以使我国的自动化产业竞争力加强。因此，对于现场设备的监控系统研究与开发，对工业生产具有很大的现实意义。对监控系统的三个基本要求是准确性、快速性、可靠性。三个基本要求具体表现在以下方面：监测量的选取：可以选取一些关键信号量作为监测数据，如用以判定设备状态的特征量，控制分析计算所需的量、设备正常工作的输出量、危及设备正常运行和人生安全的保护量等。监测量的合理选取是保障设备正常运行的基本条件，过多的不必要的监测量会使系统复杂化、成本增加，甚至干扰对设备状态的正确识别，太少的监测量则不足以全面的反映设备工作状态，使得保护不完善。测量精度和速度的要求：这与整个系统的控制效果有关。高精度和高速度可以使控制响应更快更准确，但却使测量电路复杂化，成本增加。一般以达到设计要求为宜。通信传输通道的要求。采用以上位机-下位机的监控方式时，对数据传输也有要求。不同的传输方式如串行、并行、网络、现场总线的传输速度不同，对于大量数据的实时分析时，传输速度往往是一个瓶颈。还有就是抗干扰能力的方法，如利用光纤传输、光电隔离，采用可靠的数据校验方法等。控制处理器：控制软件的要求目前处理器常用的有单片机、dsp、工业控制计算机及复杂可编程逻辑器件。一般地说，单片机和具有响应速度快，代码精炼、实时处理，可靠性高的优点。但对于大量数据的分析处理和较复杂的数值计算，在开发和编程上就不如工控机简便，而且工控机还有大量的外设和接口等资源可以利用。而作为逻辑转换及控制设备，最大的优点是并行计算能力，使处理速度更快，却也不适合复杂的数值计算。控制软件的要求：控制软件包括系统软件和各种应用程序。软件的质量关系到控制效果的好坏和硬件功能的充分发挥和应用。系统软件提供应用软件运行和管理的基本环境，如wince、linux和嵌入式操作系统等。而应用软件是直接的控制程序，它包括了控制原理及算法，控制程序的质量和正确的控制算法会给系统的精度和效率带来很大的影响。除了以上提及的之外，监控系统还应有友好的人机界面、故障事件记录、不间断的可靠供电等。目前，经过检索发现，专利号cn201410318633.7的发明公开一种基于互联网的变频器远程监控系统，其通过在变频器上插入网络通讯卡即可完成安装，用户完全不用考虑服务器的安装和设置，采用b/s模式，通过数据终端即可任意设置变频器的参数和查看变频器的运行状态，实现对变频器的远程监控。专利号cn201410624135.5的发明公开了一种基于互联网的高压变频器远程监控系统，包括高压变频器机组、数据采集单元、控制单元、以太网接口单元和服务器单元，所述数据采集单元采集高压变频器机组的数据传递给控制单元，所述控制单元与以太网接口单元连接，所述数据经控制单元处理后通过以太网接口单元传递给服务器单元，所述服务器单元安装有服务器软件，并接入互联网，所述服务器软件基于b/s模式架构，客户可通过任何能访问因特网的终端，通过浏览器软件查看变频器机组的运行数据及状态，并通过分析历史运行数据和趋势提前预判故障，进行预防性维护。除此之外，还存在以下同类产品：近年来，由于监控技术的逐步完善和发展，所以继而相伴着一些新的技术出现。监控技术的发展也是经历了一个渐变的过程，模拟监控技术率先出现，继而出现数字监控技术，现如今又出现了网络视频监控。这些技术越来越受到人们的重视。可以毫不夸张的说，它是自动控制和安全工程中应用最为广泛的技术之一，而且在远程监控和通信网络方面也有着十分重要的应用前景和应用价值。由于监控技术在民用产品领域普及较广，发展迅速，而变频器属于工业自动化领域，该领域相对封闭，追求稳定性和可靠性，监控技术渗透相对缓慢。但随着计算机与网络在工业自动化领域快速发展，变频器的远程监控系统自然应运而生。要对变频器进行远程监控，就要借助于网络通信，首先要与被监控设备建立通信链路，将数据采集出来，通过有线或无线网络传输到监控服务器上。目前国内外变频器厂家多达几百家，单就高压变频器也不下50家，各家的通信接口各不相同，通信协议也是多种多样，一款监控设备很慢满足所有厂家的接口需求，这也是造成监控技术在变频器行业发展缓慢的一个原因。基于plc的方案：国内近几年有关公司对该领域进行了相关的产品开发，目前用几款产品面市，但总体上，在变频器专用监控系统方面的产品研究，开发和应用还处于起步阶段。目前市场上绝大部分的变频器监控设备都是基于plc开发的。plc(programmablelogiccontroller，可编程逻辑控制器)它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。plc在工业自动化领域应用广泛，并具备丰富的工业控制通信接口，稳定性和可靠性均高于同类产品，有广泛的应用基础。基于gprs的方案：国内另外一个厂家的变频器监控设备，是国内首款变频器专用监控平台，通过485通信接口与变频器主控系统进行通信，获取变频器的运行参数，通过移动互联网将数据上传到服务器进行存储处理。存在缺陷：上节调研情况显示，目前市面上主要有两种监控系统，基于plc的通用监控器和基于gprs网络的专用变频器监控器，但这两种监控器都存在明显的不足，用户接受程度并不高，市场应用也有限。plc监控系统：非专用监控设备：可编程控制器是一台微型计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的。具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对变频器设计的监控设备，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制，灵活性较差。通信带宽低：由于可编程控制器是为工业应用设计的，一般工业设备的通信接口均为现场总线，通信带宽有限，市场上的plc一般只带有rs-232、rs-485或can接口，已经无法满足大数据量实时通信系统的需要。成本偏高：由于可编程控制器是的核心技术掌握在国外几个大的自动化生产商手里，如西门子，abb等，国内鲜有成熟稳定plc产品与其匹敌，因此国内售价一直居高不下，以常用的西门子s7-200为例，单1个控制核就要1500块钱，若要搭建一套监控系统，还需要1个模拟量模块，1个数字量模块，1个通信模块，总计需要3000块钱。如此高的成本，用户难以接受。gprs专用监控系统：通信带宽低：该款产品是国内首款变频器专用监控设备，在12年左右面市。当时3g刚刚流行，主流稳定的移动通信网络仍然是2g网，即gprs网络，所以这款产品采用了2g网络与服务器进行通信，而2g网络带宽只有150kbps，4g网络的带宽为100mbps，二者相差700倍。针对目前的监控应用，需要将变频器的波形数据实时上传，这对网络的传输带宽提出很高的要求。因此该款产品已无法满足目前大数据量的通信要求。接口形式单一：这款监控设备与变频器的通信接口只有485接口，通信协议为modbus，但并非所有厂家的变频器都是用该种类型通信接口，比如converteam公司的变频器就只有以太网接口和profibus接口，这就导致这款产品应用的局限性。技术实现要素：因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统。该系统采用了4g移动通信技术，具有高实时性，远程监控并且进行相关的操作，更加便利、快捷、安全。其次，具有丰富的数据接口，可以通过铺设外置传感器，对变频器进行监控，所获取的数据不受变频器本身的影响。其三，具有高可靠性和低成本。本发明是这样实现的，构造一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统，该系统包括变频器、智能网关、服务器、互联网工业服务平台以及手机客户端；所述变频器与智能网关连接实现数据传输；所述智能网关与服务器之间采用4g移动通信技术实现数据通信；所述服务器与互联网工业服务平台实现数据通信；所述手机客户端与互联网工业服务平台实现数据通信。作为上述技术方案的改进，所述一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统，所述智能网关与远程监控服务器之间通过有线或无线方式实现数据通信。作为上述技术方案的改进，所述一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统，该系统的实现是在控制系统硬件支撑下的软显示，将低压系统的各变频器通过通讯串口串联之后，最前端变频器与智能网关通讯，将变频器的各种状态以及运行参数发送到硬件主控系统中，显示面板从主控系统中将读取的数据显示，主控系统还承担及时反映变频器的报警及故障，并对相应的报警及故障做出对应的处理建议；其中智能网关用于与变频器进行通信，负责数据采集，协议转换，和数据传输功能；服务器负责数据的存储，整理，分析；能够反映与之相连接的变频器的运行参数，还能够对变频器近期运行参数生成历史趋势图，以便当变频器所在的工业系统出现故障时，查阅是否由变频器参数突变导致；变频器若出现报警错误或故障，监控系统亦能够及时显示故障，并给出对应故障的处理建议，以便操作人员准确定位变频器，并排除故障；若出现重大故障，则对工业系统及时做出响应措施，以避免生命与财产损失。作为上述技术方案的改进，所述一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统，其特征在于：智能网关包括；供电电源模块、主cpu芯片控制模块、现场总线接口模块、4g通信模块、以太网接口模块以及模拟量接口模块；所述供电电源模块通过现场总线接口连接主cpu芯片控制模块；所述模拟量接口通过现场总线接口连接主cpu芯片控制模块；所述主cpu芯片控制模块的输出端分别与4g通信模块、以太网接口连接。作为上述技术方案的改进，所述一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统，其特征在于：所述主cpu芯片控制模块包括主控制器、滤波电路和指示灯电路；主控制器为stm32f407芯片的微控制器arm；指示灯电路与主控制器直接连接，滤波电路是给cpu芯片控制模块的电源进行滤波，与其电源管脚连接。作为上述技术方案的改进，所述一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统，其特征在于：所述4g通信模块为me909s系列4g模块。作为上述技术方案的改进，所述一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统，其特征在于：所述以太网接口模块采用硬件tcpip协议栈芯片w5500。作为上述技术方案的改进，所述一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统，其特征在于：所述现场总线接口模块预留两路标准485通信接口，采用adi的磁隔离技术，型号为adm2587；现场总线接口还包括电源接口、控制接口、串口接口、usb接口。本发明具有如下优点：本发明所述一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统；具有如下优点：1)高实时性：在现存的监测设备中，由于带宽较低，其难以克服的缺点是实时性差。智能网关由于采用了4g移动通信技术，带宽大大提高，推动监测技术克服了实时性差的困难，真正做到了监控系统的实时性。由此，打破了设备和人之间的地理局限性，可以远程监控并且进行相关的操作，更加便利、快捷、安全。2)丰富的数据接口：在现存的监测设备中，与变频器的通信接口只有485接口，通信协议为modbus，我们开发的智能网关预留了三种数据检测方式：第一种为当前正在蓬勃发展的工业以太网接口，目前主流厂家的变频器均具备这种接口，可以预见，工业以太网会发展成为未来主流的工业通信接口。第二种为当前主流的现场总线接口，通信协议为modbus，目前绝大多数厂家都具备这种接口。第三种为独立于被监控变频器之外的模拟量采集，如果上述两种接口均不具备，或通信协议未知，我们可以通过铺设外置传感器，对变频器进行监控，所获取的数据不受变频器本身的影响。3)高可靠性：作为一款工业现场应用的监控产品，其作用在于监控变频器的运行状态及故障情况，监控设备不能因为本身问题而误报故障，这就对其可靠性提出了很高的要求。为了实现高的可靠性，除了严格按照生产工艺进行生产、对所使用的元器件进行严格把关、培训操作人员正确操作使用及维护以外，从技术层面上，充分有效的可靠性措施是必需的。如控制电源冗余，电磁兼容性设计，环境适应性设计等。4)低成本：由于在设计之初就考虑到监控产品的性价比和高成本导致的用户接受度问题，我们开发的智能网关在设备定位，期间选型加工等夺冠生产环节都对成本进行有效控制。最终产品的出厂成本在千元以下，远低于基于plc的监控设备。附图说明图1是本发明整体框图图2是本发明智能网关的原理构成示意图；图3是本发明智能网关的主控制器示意图；图4是本发明智能网关的4g通信模块示意图；图5是本发明智能网关的以太网络接口示意图；图6是本发明智能网关的现场总线接口示意图。具体实施方式下面将结合附图1-图6对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明针对现有的两种监控产品的不足，通过改进在此提供一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统；并预留多种变频器通信接口，满足所有厂家变频器的接口要求。如图所示，可以按照如下方式予以实施；该系统包括；变频器10、智能网关20、服务器30、互联网工业服务平台40以及手机客户端50；所述变频器10与智能网关20连接，实现数据传输；所述智能网关20与服务器30之间采用4g移动通信技术实现数据通信；所述服务器30与互联网工业服务平台40实现数据通信；所述手机客户端50与互联网工业服务平台40实现数据通信。所述一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统，所述智能网关20与远程监控服务器30之间通过有线或无线方式实现数据通信。所述一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统，该系统的实现是在控制系统硬件支撑下的软显示，将低压系统的各变频器通过通讯串口串联之后，最前端变频器与智能网关通讯，将变频器的各种状态以及运行参数发送到硬件主控系统中，显示面板从主控系统中将读取的数据显示，主控系统还承担及时反映变频器的报警及故障，并对相应的报警及故障做出对应的处理建议。其中智能网关用于与变频器进行通信，负责数据采集，协议转换，和数据传输功能。服务器负责数据的存储，整理，分析；能够反映与之相连接的变频器的运行参数，还能够对变频器近期运行参数生成历史趋势图，以便当变频器所在的工业系统出现故障时，查阅是否由变频器参数突变导致。变频器若出现报警错误或故障，监控系统亦能够及时显示故障，并给出对应故障的处理建议，以便操作人员准确定位变频器，并排除故障；若出现重大故障，则对工业系统及时做出响应措施，以避免生命与财产损失。实施时，智能网关包括；供电电源模块、主cpu芯片控制模块、现场总线接口模块、4g通信模块、以太网接口模块以及模拟量接口模块；所述供电电源模块通过现场总线接口连接主cpu芯片控制模块；所述模拟量接口通过现场总线接口连接主cpu芯片控制模块；所述主cpu芯片控制模块的输出端分别与4g通信模块、以太网接口连接。本发明所述一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统，所述主cpu芯片控制模块包括主控制器、滤波电路和指示灯电路；指示灯电路与主控制器直接连接，滤波电路是给cpu芯片控制模块的电源进行滤波，与其电源管脚连接。主控制器为目前主流的微控制器arm，型号为意法半导体的stm32f407。基于cortextm-m4为内核高性能微控制器，stm32f4系列微控制器集成了单周期dsp指令和fpu(floatingpointunit，浮点单元)，提升了计算能力，可以进行一些复杂的计算和控制。本发明所述一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统，所述4g通信模块为me909s系列4g模块。me909s系列4g模块集成华为海思芯片平台，该系列模块可兼容目前全球绝大部分无线通信运营商的4g网络频段，是全球首款cat4lte工业模块。本发明所述一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统，所述以太网接口模块采用硬件tcpip协议栈芯片w5500。该款以太网芯片支持tcp、udp、icmp等协议，cpu侧为通用同步串行接口(spi)。本发明所述一种基于4g移动互联网的变频器专用监控系统，所述现场总线接口模块预留两路标准485通信接口，采用adi的磁隔离技术，型号为adm2587；现场总线接口还包括电源接口、控制接口、串口接口、usb接口。一个系统开发的成功与否首先取决于它能否正确的实现预定的目标和功能，其次要有充分的条件保证系统的未来发展，为此，在本系统的方案设计中遵循了以下的原则：技术的先进性：要实现同样的功能，无论是在硬件设备上还是在软件系统上都有不同层次的选择，采用相对先进的技术不仅能保证良好的性能，而且便于未来系统的进一步发展。灵活开放性：一个系统想要实现与其它系统的资源共享，适应不同的网络环境，在未来的应用中保持很好的适应性，必须具有灵活的组网结构和开放的联网功能。经济实用性：尽量采用成熟的先进技术，选择性价比高的方案和设备，降低维护费用。传输多样性：尽可能在系统通信方式的设计上提供多种选择。通用性开放的通信协议和标准数据传输速率，通过不同软件的参数设置，实现不同的功能。实时响应性：为了达到监控的目标，系统必须对发生的异常信息进行实时响应，并进行报警和自动处理。可扩展性：智能网关采用模块化设计，使系统扩展、升级均不必改变已有设备状态。系统说明：变频器监控系统的实现是在控制系统硬件支撑下的软显示，将低压系统的各变频器通过通讯串口串联之后，最前端变频器与控制系统硬件通讯，将变频器的各种状态以及运行参数发送到硬件主控系统中，显示面板从主控系统中将读取的数据显示，主控系统还承担及时反映变频器的报警及故障，并对相应的报警及故障做出对应的处理建议。总体监控系统包括三个层次，由下到上分别是智能网关(通信协议转换模块)，云端服务器，手机客户端。其中智能网关是整个系统中的关键设备，与变频器进行通信，负责数据采集，协议转换，和数据传输功能。云端服务器负责数据的存储，整理，分析。能够反映与之相连接的变频器的运行参数，还能够对变频器近期运行参数生成历史趋势图，以便当变频器所在的工业系统出现故障时，查阅是否由变频器参数突变导致。变频器若出现报警错误或故障，监控系统亦能够及时显示故障，并给出对应故障的处理建议，以便操作人员准确定位变频器，并排除故障；若出现重大故障，则对工业系统及时做出响应措施，以避免生命与财产损失。技术优势如下：1)高实时性：在现存的监测设备中，由于带宽较低，其难以克服的缺点是实时性差。智能网关由于采用了4g移动通信技术，带宽大大提高，推动监测技术克服了实时性差的困难，真正做到了监控系统的实时性。由此，打破了设备和人之间的地理局限性，可以远程监控并且进行相关的操作，更加便利、快捷、安全。2)丰富的数据接口：在现存的监测设备中，与变频器的通信接口只有485接口，通信协议为modbus，我们开发的智能网关预留了三种数据检测方式：第一种为当前正在蓬勃发展的工业以太网接口，目前主流厂家的变频器均具备这种接口，可以预见，工业以太网会发展成为未来主流的工业通信接口。第二种为当前主流的现场总线接口，通信协议为modbus，目前绝大多数厂家都具备这种接口。第三种为独立于被监控变频器之外的模拟量采集，如果上述两种接口均不具备，或通信协议未知，我们可以通过铺设外置传感器，对变频器进行监控，所获取的数据不受变频器本身的影响。3)高可靠性：作为一款工业现场应用的监控产品，其作用在于监控变频器的运行状态及故障情况，监控设备不能因为本身问题而误报故障，这就对其可靠性提出了很高的要求。为了实现高的可靠性，除了严格按照生产工艺进行生产、对所使用的元器件进行严格把关、培训操作人员正确操作使用及维护以外，从技术层面上，充分有效的可靠性措施是必需的。如控制电源冗余，电磁兼容性设计，环境适应性设计等。4)低成本：由于在设计之初就考虑到监控产品的性价比和高成本导致的用户接受度问题，我们开发的智能网关在设备定位，期间选型加工等夺冠生产环节都对成本进行有效控制。最终产品的出厂成本在千元以下，远低于基于plc的监控设备。案例分析：本发明所述的智能网关监控设备在发电厂除尘风机变频器上应用案例。项目介绍：本发明的智能网关监控设备已在国电大连庄河发电厂一期循泵变频器上投入使用，总共装备8台设备，每台设备安装一台，变频器厂家包括利德华福，合康亿盛以及罗宾康的高压级联变频器。国电大连庄河发电厂一期工程是国家“十五”末期重点工程项目，建设两台600mw超临界燃煤机组，同步建设高效静电除尘和烟气全脱硫装置，冷却水采用海水直流冷却，锅炉补给水由海水淡化提供，所发电能以两回500千伏电压等级线路接入辽宁南部大连电网。该厂8台循泵变频器属于发电机组关键设备，于2015年6月安装我公司的智能网关监控设备，截至目前已运行近两年时间，多次预警设备故障，为设备提前维护，避免重大安全事故提供了宝贵的数据支持，取得显著地效果。应用效果：早期发电厂变频器监控方式以人工巡检，手工填表记录为主，配合上位机监控手段，但上位机只有io量数据，监控的变量非常有限，无法对变频器进行全面诊断。上线变频器远程监控系统后，可以实时显示循泵变频器运行的状态，为运维人员和管理决策人员提供相关数据统计和分析，如此才能方便运维人员进行维护和决策，提高运维决策效率。减少运维方面的人员及设备成本，提供发电厂的市场经济效益。数据统计：该监控系统投运近两年时间，报警事件6次，故障事件2次，预诊断事件3次。事件类型报警事件故障事件预诊断事件次数6次2次3次对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。当前第1页12