一种基于Android平台的离心泵电机状态监测装置及监测方法与流程

本发明属于数据采集技术领域，尤其是一种基于安卓平台的离心泵电机状态监测装置及监测方法。

背景技术：

关于水泵的参数检测，在国外、欧美等发达国家的相关研究起步普遍较早，在一些领域如特殊泵的制造、泵的内特性测试等方面目前仍领先于国内。对泵的外特性测试装置而言，早在1961年，英国国立工程试验室(NEL)就建立了自己的水利机械试验台，可用于水泵和模型水轮机(最大转轮直径0.5m)的性能试验，可以在开式和闭式两种循环方式进行效率和汽蚀试验，部分参数实现半自动控制，实验数据由计算机自动采集和处理，并能自动绘制试验曲线和打印试验结果。大量外文书刊及互联网资料显示，目前国外水泵测试系统的产品已经比较成熟，美国、德国等发达国家已经普遍化，并呈现出高集成、小体积、可移动、多功能、设备全、易操作等特点，例如美国TecQuipment Inc.生产的Centrifugal Pump Test Set(GH5)是一台用于离心泵测试的装置，为研究离心泵在不同扬程、流量和转速下的特性提供了一种新的测试方法。尽管这类水泵测试装置具有高集成、小体积、可移动、多功能、设备全、易操作等优点，但在数据处理方面功能薄弱，缺少嵌入式的数据处理分析系统，效率不高。

在国内，泵测试技术的发展历程可以简要的划分为两个时期：20世纪70年代、20世纪80年代至今。20世纪70年代属于指针式测试系统时期，泵的测试基本采用分立式仪器和仪表来测量各种物理量。例如，用水银压力计、弹簧压力计等测量压力，用文吐里流量计、涡轮流量计等测量流量，用电流表、电压表等测量电力参数。测试仪器体积庞大，成本高，可靠性差，试验人员多，工作量大，试验误差大，效率低等都是这一时期水泵测试系统存在的问题，为了得到性能优良的水力模型，往往需要反复进行多次模型试验，效率极低。

20世纪80年代至今属于测试系统的自动化时期。随着产品结构调整和更新换代速度的加快，市场对产品种类、质量、性能等方面提出了更高的要求，传统的试验方法在测试精度与速度等方面已经难以满足泵产品研制和技术改造的要求。

而这个时期正是计算机技术、通信技术和智能控制技术高速发展的时期，自动控制领域日新月异，智能仪表、先进的控制系统等层出不穷，智能电磁流量计、超声波流量计、激光流量计、智能电容式压力变送器、转矩转速传感器、微机扭矩仪、电子计算机、单片机等先进的智能电子装置迅速地被应用于新一代的水泵测试系统中，极大地提高了水泵测试系统的自动化程度、测试精度、响应速度和人工效率，尽管如此，这种测试系统仍存在着一些问题：

(1)仪器仪表众多，成本较高，系统庞大；

(2)接口复杂，连接线太多，计算机通信接口资源紧张，维护困难；

(3)试验数据分析软件易用性、界面友好性不够好；

(4)由于各仪器采用了不同的通讯接口、协议，必然加大程序编写的困难。另外，由于在Windows操作系统的保护模式下，不能直接访问接口卡硬件，它们的驱动程序编写较麻烦，程序编写困难。

技术实现要素：

本发明针对传统监测系统仪器仪表众多，成本高，系统庞大且试验数据分析软件易用性、界面友好性不够好等问题，提出了一种基于Android平台的离心泵电机状态监测装置及监测方法，实现本发明的技术方案如下：

一种基于Android平台的离心泵电机状态监测装置，包括离心泵电机信号采集模块、信息处理模块、安卓设备、上位机；所述离心泵电机信号采集模块连接所述信息处理模块，所述信息处理模块分别连接所述安卓设备和所述上位机

所述离心泵电机信号采集模块采用电流互感器、电压互感器以及电能芯片实现；所述电流互感器、所述电压互感器用于采集三相电，采用三相三线制接法，将三相电的A、B、C三相分别穿过电流互感器，以B相作为地，电流互感器能感应每一相的电流，电压互感器可以感应两相之间的电压；在A、B、C三相分别穿过电流互感器、电压互感器到达电能芯片时，电能芯片将频率信息及功率信息储存在寄存器中；

所述信息处理模块一方面将所述电流互感器、所述电压互感器采集的三相电信息转发给所述上位机；所述信息处理模块另一方面直接读取电能芯片相应寄存器的频率信息以及功率信息，结合外围漏磁感应电路感应的漏磁频率得到离心泵的转速，根据得到的功率和转速信息，结合泵在定转速下的Q～P，Q～H，Q～η泵特性曲线和泵的比例定律，换算出泵的性能，最终得到相应的工况；

所述上位机一方面对转发的三相电信息通过汉宁窗做FFT频谱分析，计算电压谐波和电流谐波的比值，得到偏心谱波频率，结合转子齿数，计算得到转差率，通过转差率和供电电源频率即可得到相应的转速，再通过所述信息处理模块读取电能芯片的功率信息，根据得到的功率和转速信息，结合泵在定转速下的Q～P，Q～H，Q～η泵特性曲线和泵的比例定律，换算出泵的性能，最终得到相应的工况；所述上位机另一方面实现对所述信息处理模块得到的离心泵工况进行实时监测；

所述安卓设备设有显示选项，用于对所述信息处理模块得到的离心泵工况进行实时监测。

进一步，所述信息处理模块采用STM32控制器实现。

进一步，所述电能芯片采用ATT7022B实现。

进一步，所述安卓设备与所述信息处理模块的连接方式为蓝牙连接或者GPRS连接。

进一步，所述上位机与所述信息处理模块的连接方式为modbus连接或者GPRS连接。

进一步，还包括与所述信息处理模块相连的LCD显示屏，用于显示泵的性能参数。

基于上述装置，本发明还提出了一种基于Android平台的离心泵电机状态监测方法：

步骤1，基于ATT7022B芯片的离心泵电机信息采集：使用电流互感器、电压互感器采集三相电，采用三相三线制接法，将三相电的A、B、C三相分别穿过电流互感器，以B相作为地，电流互感器能感应每一相的电流，电压互感器可以感应两相之间的电压，当A、B、C三相分别穿过电流互感器、电压互感器到达ATT7022B时，ATT7022B通过计算将电量功率信息和频率信息储存在芯片对应的寄存器中；

步骤2，基于STM32的数据接收、分析处理：以STM32微控制器作为载体，连接电流互感器、电压互感器以及ATT7022B和漏磁频率感应电路；所述漏磁频率感应电路利用感应线圈感应泵运行时的频率信号，通过低通滤波电路将工频过滤，再将得到的低频漏磁频率信号进行通过整形电路，使信号变成频率相同的方波信号，得到的方波信号由于比较微弱，需要再通过集成运放电路将信号放大，将放大后的信号送给STM32微控制器；

所述STM32直接读取ATT7022B计量芯片相应寄存器的频率信号以及功率信号，结合外围漏磁频率感应电路感应的漏磁频率，通过工频和漏磁频公式得到泵的转速，其中f₁为工频，f₂为漏磁频，p表示极对数，n表示泵的转速；

根据功率和转速信息，结合泵在定转速下的Q～P，Q～H，Q～η泵特性曲线和泵的比例定律，换算出泵的性能，从而得到相应的工况；

步骤3，所述STM32分别与手机客户端和上位机通信，将泵的工况分别发送给手机客户端和上位机，实现实时监测。

进一步，步骤2还包括：所述STM32将电流互感器、电压互感器采集的电流、电压信息以及功率信息转发给上位机，在labview中，上位机对采集的电压、电流信号通过汉宁窗做FFT频谱分析，计算电压谐波和电流谐波的比值，得到偏心谱波频率，结合转子齿数，计算得到转差率，通过转差率和供电电源频率得到泵的转速；

上位机根据得到的功率和转速，结合泵在定转速下的Q～P，Q～H，Q～η泵特性曲线和泵的比例定律，换算出泵的性能，从而得到相应的工况，对离心泵的状态进行实时的监测。

进一步，所述步骤3中，所述STM32与所述手机客户端的连接方式为蓝牙或GPRS；所述STM32与所述上位机的连接方式为modbus或者GPRS。

本发明的有益效果是：

1、在不安装传统的振动和压力传感器的情况下，仅利用驱动电机的电参数，实现了离心泵的状态预测和监测。

2、利用ATT7022B计量芯片可以检测泵在变频情况下工频的特征，结合STM32微控制器可以测量泵在变频条件下的转速。

3、提供两种功率、转速的测量方案，并且在同一套系统上显示，可以相互检验，从而使测量的结果更加准确；

附图说明

图1是一种基于安卓平台的离心泵电机状态监测装置示意图；

图2是第一种测量转速方案；

图3是第二种测量转速方案；

图4是测量三相电、转速频率综合图；

图5是状态转化流程图。

具体实施方式

本发明针对传统监测系统仪器仪表众多，成本高，系统庞大且试验数据分析软件易用性、界面友好性不够好等问题，提出了一种基于Android平台的离心泵电机状态监测装置及监测方法，如图1所示，包括基于ATT7022B芯片的离心泵电机电流、电压信号采集模块，基于STM32数据接收、分析处理模块，数据通讯及共享模块，Android客户端以及上位机和显示屏。通过基于ATT7022B芯片的离心泵电机电流、电压信号采集模块得到电机定子电流信号、电压信号，转化为离心泵的转速和功率信号，再利用得到的功率和转速信号，结合泵的特性曲线和比例定律，换算出泵的性能，例如扬程、效率等量，从而去判断相应的工况，对离心泵的状态进行实时的监测。

基于ATT7022B芯片的离心泵电机电流、电压信号采集模块，用电流互感器、电压互感器采集三相电，采用三相三线制接法，将三相电的A、B、C三相分别穿过电流互感器，以B相作为地，电流互感器能感应每一相的电流，电压互感器可以感应两相之间的电压，当A、B、C三相分别穿过电流互感器、电压互感器到达ATT7022B时，ATT7022B通过计算将电量信息储存在芯片对应的寄存器中，故在ATT7022B相应的寄存器中读取对应的功率信号和频率信号。

基于STM32数据接收、分析处理模块，是以STM32微控制器作为载体，通过STM32的引脚连接由ATT7022B为核心的电量信号采集电路、漏磁频率感应电路，其中漏磁频率感应电路，利用感应线圈感应泵运行时的频率信号，由于需要剔除工频高频信号需先通过低通滤波电路将工频过滤，再将得到的低频漏磁频率信号进行通过整形电路，使信号变成频率相同的方波信号，得到的方波信号由于比较微弱，需要再通过集成运放电路将信号放大，便于STM32微控制器采集。如图4所示。

结合以ATT7022B为核心的采集电路对转速信号的采集提供两种方案。方案一、将电流互感器、电压互感器采集的电流、电压信号，通过STM32的串口发送至基于Labview环境下上位机，在labview中，上位机对采集的电压、电流信号通过汉宁窗做FFT频谱分析，计算电压谐波和电流谐波的比值，得到偏心谱波频率，结合转子齿数，计算得到转差率，通过转差率和供电电源频率即可得到泵的转速，对应的流程图如图2。方案二、STM32直接读取ATT7022B计量芯片相应寄存器的频率信号以及功率信号，结合外围漏磁感应电路感应的漏磁频率，通过工频和漏磁频公式得到泵的转速，其中f₁为工频，f₂为漏磁频，p表示极对数，n表示泵的转速。对应的流程图如图3。

根据得到的功率和转速信号，结合泵在定转速下的Q～P，Q～H，Q～η泵特性曲线和泵的比例定律，换算出泵的其他性能，例如扬程、效率等量，从而去判断相应的工况，对离心泵的状态进行实时的监测，如附图5。

根据离心泵实际运行工况以及实际故障，例如泵叶轮卡死、空化、缺水故障时，故障对应的电流信号的时频特征和故障判别指标，开发相应的Android客户端，设置相应显示选项，Android客户端与基于STM32控制器的数据接收、分析处理模块之间的通讯采取两种方式：1、蓝牙局域网：适用于管理者在厂房内与离心泵电机距离相对较近时的情况；2、GPRS广域网：适用于管理者与离心泵电机相应距离很远的情况，实现远程的实时监测。上位机与于STM32控制器采取modbus协议通过串口传输数据，也可以通过GPRS广域网实现远程的实时监测。

其中两种测量转速方案的具体实施如下：

第一种测量转速方案：

将三相电的A、B、C三相分别穿过电流互感器，以B相作为地，电流互感器感应每一相的电流，电压互感器感应两相之间的电压，当A、B、C三相分别穿过电流电压互感器，信号到达ATT7022B时，在ATT7022B相应的寄存器中可以读取对应的电流信号和电压信号。采集的电流电压信号，通过STM32的串口发送至基于Labview环境下上位机，在labview中，上位机对采集的信号通过汉宁窗做FFT频谱分析，计算电压谐波和电流谐波的比值，得到偏心谱波频率，结合转子齿数，计算得到转差率，通过转差率和供电电源频率即可得到相应的转速，对应的流程图如图2，根据得到的功率和转速信号，结合泵在定转速下的Q～P，Q～H，Q～η泵特性曲线和泵的比例定律，换算出泵的其他性能，例如扬程、效率等量，从而去判断相应的工况，对离心泵的状态进行实时的监测，如附图5。

第二种测量转速方案：

将三相电的A、B、C三相分别穿过电流互感器，以B相作为地，电流互感器感应每一相的电流，电压互感器感应两相之间的电压，当A、B、C三相分别穿过电流电压互感器信号，到达ATT7022B时，在ATT7022B相应的寄存器中读取对应的频率信号和功率信号。直接读取ATT7022B计量芯片相应寄存器的频率信号以及功率信号，结合外围漏磁感应电路感应的漏磁频率，通过工频和漏磁频相应公式得到泵的转速，其中f₁为工频，f₂为漏磁频对应的流程图如图3。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。