一种带有工业以太网的电动机保护及故障诊断控制器的制作方法

1.本发明属于低压控制与保护、低压设备在线故障诊断技术领域，特别是涉及一种带有工业以太网的电动机保护及故障诊断控制器，广泛应用于工厂自动化、轨道交通、城市管廊等低压三相交流电动机繁多的场合，可对低压电动机实现外部负载故障保护的同时，也可对电动机本身内部故障进行在线监测和诊断。


背景技术：

2.国内低压三相交流电动机应用十分广泛，因此电动机保护类相关产品也较多。当前国内外同类产品已具备并集成了测量、控制、保护、通信等功能，然而还缺乏对电动机在线故障诊断及寿命预测等方面相关的配套设备。
3.当前国内同类产品大多还以rs485通信接口或普通以太网居多。而随着国外大型dcs/plc厂家的进入，工业以太网的主站成本的大大降低，因此支持多种工业以太网协议的相关产品已是必然趋势。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的问题和不足，提供一种新型的带有工业以太网的电动机保护及故障诊断控制器。
5.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
6.本发明提供一种带有工业以太网的电动机保护及故障诊断控制器，其包括主控模块、三相测量型电流互感器、三相保护型电流互感器、三相测量型电压互感器、显示操作模块、及工业以太网通信模块，其中，所述三相测量型电流互感器、三相保护型电流互感器和三相测量型电压互感器的一次侧均与电动机主回路电连接、二次侧均与主控模块电连接；
7.所述主控模块用于采集三相测量型电流互感器的二次侧回路的电流数据、三相保护型电流互感器的二次侧回路的电流数据、三相测量型电压互感器的二次侧回路的电压数据，基于三相测量型电流互感器的电流数据和三相测量型电压互感器的电压数据获取电量参数，对三相保护型电流互感器的二次侧回路的电流原始波形的1个周期波形数据进行fft计算，每个周期波形取128个采样点，得出基波电流有效值及2～21次谐波电流有效值，并计算总谐波畸变率thd和分次谐波含量hrn，进而计算出分次谐波占比系数hpn：
[0008][0009]
上式中，i1为基波电流有效值，in(n＝2，3，4，
…
21)为n次谐波电流有效值；
[0010]
判断是否2次谐波占比系数hp2＞0.45、4次谐波占比系数hp4＞0.18、且其它奇数次谐波占比系数都低于0.1，在为是时判定电动机轴承或外机罩损伤作为电动机故障位置1，判断是否3次谐波占比系数hp3＞0.62、5次谐波占比系数hp5＞0.25、且其它偶数次谐波占比
系数都低于0.1，在为是时判定电动机绕组绝缘或震动异常作为电动机故障位置2，判断是否3次谐波占比系数hp3＞0.55、5次谐波占比系数hp5＞0.2、且7次谐波占比系数hp7＞0.15，在为是时判定电动机定子和转子气隙偏心故障作为电动机故障位置3；
[0011]
所述显示操作模块用于显示电动机所属的故障位置类别，所述故障位置类别包括电动机故障位置1、电动机故障位置2和电动机故障位置3；
[0012]
所述工业以太网通信模块用于通过带有工业以太网的一级主站与自动控制中心通讯，在接收周期循环指令时，将指令解析后传送给主控模块以读取电动机状态、电量参数。
[0013]
本发明的积极进步效果在于：
[0014]
本发明可方便接入低压三相交流电动机控制回路中使用，为电机提供智能控制及保护，同时，在不加装其他传感器的状态下，通过对电流进行谐波分析，在线实时诊断电动机内部故障；另外，随着工业以太网普及的到来，支持多种工业以太网协议的优势也使得接入整厂自动化控制系统更为简便。
附图说明
[0015]
图1为本发明的电动机保护及故障诊断控制器的结构示意图；
[0016]
图2为本发明的电动机故障诊断的连接框图；
[0017]
图3为本发明的主控模块与工业以太网通信模块连接框图；
[0018]
图4为本发明的主控模块与开关量输入模块连接框图；
[0019]
图5为本发明的主控模块与继电器输出模块连接框图；
[0020]
图6为本发明的主控模块与串行通信模块、显示操作模块及工业以太网通信模块连接框图。
具体实施方式
[0021]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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的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。
[0022]
如图1-6所示，本实施例提供一种带有工业以太网的电动机保护及故障诊断控制器，其包括主控模块1、三相测量型电流互感器2、三相保护型电流互感器3、三相测量型电压互感器4、开关量输入模块5、继电器输出模块6、串行通信模块7、显示操作模块8、及工业以太网通信模块9。
[0023]
其中，所述主控模块1包含微控制器1和高速串行通信接口1，所述三相测量型电流互感器2、三相保护型电流互感器3和三相测量型电压互感器4的一次侧均与电动机主回路电连接、二次侧均与主控模块1微处理器1电连接。
[0024]
所述主控模块1的微处理器1用于采集三相测量型电流互感器2的二次侧回路的电流数据、三相保护型电流互感器3的二次侧回路的电流数据、三相测量型电压互感器4的二次侧回路的电压数据，基于三相测量型电流互感器2的电流数据和三相测量型电压互感器4的电压数据获取电量参数，对三相保护型电流互感器3的二次侧回路的电流原始波形的1个
周期波形数据进行fft计算，每个周期波形取128个采样点，得出基波电流有效值及2～21次谐波电流有效值，并计算总谐波畸变率thd和分次谐波含量hrn，进而计算出分次谐波占比系数hpn：
[0025][0026]
上式中，i1为基波电流有效值，in(n＝2，3，4，
…
21)为n次谐波电流有效值。
[0027]
基于谐波诊断专家知识库，判断是否2次谐波占比系数hp2＞0.45、4次谐波占比系数hp4＞0.18、且其它奇数次谐波占比系数都低于0.1，在为是时判定电动机轴承或外机罩损伤作为电动机故障位置1，判断是否3次谐波占比系数hp3＞0.62、5次谐波占比系数hp5＞0.25、且其它偶数次谐波占比系数都低于0.1，在为是时判定电动机绕组绝缘或震动异常作为电动机故障位置2，判断是否3次谐波占比系数hp3＞0.55、5次谐波占比系数hp5＞0.2、且7次谐波占比系数hp7＞0.15，在为是时判定电动机定子和转子气隙偏心故障作为电动机故障位置3。
[0028]
所述显示操作模块8用于显示电动机所属的故障位置类别，所述故障位置类别包括电动机故障位置1、电动机故障位置2和电动机故障位置3。
[0029]
进一步地，所述主控模块1的微处理器1用于基于判定出的电动机故障位置以判断该电动机故障位置对应的故障等级：对谐波影响量最大的2～7分次谐波占比系数hpn进行加权修正并累加，取得最终的诊断等级值htv：
[0030][0031]
其中，c
kn
为常数，表示电动机第k个部位第n次谐波影响修正量；
[0032]
判断诊断等级值htv范围是否在0～0.35之间，在为是时表示该电动机故障位置对应的诊断等级为较轻微故障，电动机基本处于正常运行状态，判断诊断等级值htv范围是否在0.35～0.65之间，在为是时表示该电动机故障位置对应的诊断等级为二级告警故障，电动机相关诊断故障部位已经出现中度故障，需择时停机保养；判断诊断等级值htv范围是否在0.65～1.00之间，在为是时表示该电动机故障位置对应的诊断等级为一级跳闸故障，电动机相关诊断故障部位已经出现重度故障，需立即停机检修。
[0033]
所述显示操作模块8用于显示电动机所属的故障位置类别及对应的诊断等级。
[0034]
所述主控模块1的微处理器1用于在出现一级跳闸故障时利用继电器输出模块使得电动机主回路失电，电动机进入停车状态。
[0035]
如图3所示，所述工业以太网通信模块9包括微处理器3、高速串行通信接口2和rj45接口，所述高速串行通信接口2、微处理器3和rj45接口依次电连接，所述微处理器3至少支持modbus-tcp/ip通信协议、profinet通信协议、ethemet/ip通信协议中的任一种协议。
[0036]
所述工业以太网通信模块9的微处理器3用于通过带有工业以太网的一级主站与自动控制中心通讯，在接收周期循环指令时，将指令解析后传送给主控模块以读取电动机
状态、电量参数，还远程遥控电动机的合闸起动和分闸停车，还在接收到非周期指令时，利用高速串行通信接口2和高速串行通信接口1读取微处理器1上故障诊断和报警信息、分合闸操作次数、总运行时间等。
[0037]
如图4所示，所述开关量输入模块5包括反向器1、反向器2和无极性采样光电耦合器，所述反向器1、反向器2和无极性采样光电耦合器依次电连接，所述开关量输入模块5用于采集电动机的接触器辅助触点的运行反馈信号，以确认电动机是否运行或停车状态，当接触器闭合(电机运行)时，接触器辅助触点闭合，所述无极性采样光电耦合器输出端信号拉低(0电平信号)，经过反相器2和反相器1后一直保持低电平信号，并输入至的主控模块的微处理器1的采样引脚中，此时主控模块的微处理器1确认电动机处于运行状态；反之主控模块的微处理器1的采样引脚收到高电平信号(1电平信号)，此时主控模块的微处理器1确认电动机处于停车状态。
[0038]
如图5所示，所述继电器输出模块6包括至少一路的反相器3、反相器4和通用功率继电器1，至少一路的反相器5、反相器6和通用功率继电器2，所述反相器3、反相器4和通用功率继电器1依次电连接，所述反相器5、反相器6和通用功率继电器2依次电连接。
[0039]
所述主控模块1的微控制器1用于在收到合闸命令后，将与继电器输出模块6连接的合闸动作io引脚拉高，经反相器3、反相器4后仍保持高电平，通用功率继电器1的线圈得电、继电器触点闭合，电动机主回路得电，电动机启动并正常运行。
[0040]
所述主控模块1的微控制器1用于在收到分闸命令后，将与继电器输出模块6连接的分闸动作io引脚拉低，经反相器5、反相器6后仍保持低电平，通用功率继电器2的线圈失电、继电器触点断开，电动机主回路失电，电动机进入停车状态。
[0041]
如图6所示，所述显示操作模块包括微控制器2、led指示灯、lcd显示器、高速串行通信接口4、合闸按钮和分闸按钮。
[0042]
所述微处理器2用于接收合闸按钮发出的合闸命令，并通过高速串行通信接口4将合闸命令传输至微处理器1，接收分闸按钮发出的分闸命令，并通过高速串行通信接口4将分闸命令传输至微处理器1；所述微处理器1用于在合闸跳转至分闸时将跳闸信号通过高速串行通信接口1和高速串行通信接口4传输给微处理器2，所述微处理器2用于控制led指示灯和lcd显示器进行跳闸指示。
[0043]
如图6所示，所述串行通信模块7包括db9接口和高速串行通信接口3，所述db9接口用于与上位机的串口电连接，所述高速串行通信接口3与主控模块的高速串行通信接口1电连接。
[0044]
当需要批量设置控制器整定参数时，所述微处理器1用于通过高速串行通信接口1、高速串行通信接口3和db9接口获取上位机下发的含有整定参数的整定参数命令并立即更新有效。
[0045]
当需要升级主控模块的微处理器1的固件、升级显示操作模块的微处理器2的固件、或升级工业以太网通信模块的微处理器2的固件时，所述微处理器1用于通过高速串行通信接口1、高速串行通信接口3和db9接口获取上位机下发的固件升级数据包并对微处理器1进行固件升级；所述微处理器2用于通过高速串行通信接口1和高速串行通信接口4获取固件升级数据包并对微处理器2进行固件升级；所述微处理器3用于通过高速串行通信接口1和高速串行通信接口2获取固件升级数据包并对微处理器3进行固件升级。
[0046]
按下显示操作模块8的合闸按钮，其微处理器2将通过串行通信接口4发送合闸命令至主控模块1，主控模块1的微处理器1通过串行通信接口1收到合闸命令后，微处理器1将与继电器输出模块连接的合闸动作io引脚拉高，经反相器3、反相器4后仍保持高电平，通用功率继电器1的线圈得电、继电器触点闭合，电动机主回路得电，电动机启动并正常运行。
[0047]
在电机起动过程及正常运行状态下，微处理器1将进入高速测量模式，将与其连接的三相测量型电流互感器2和三相保护型电流互感器3以及三相测量型电压互感器4的二次侧波形按频率值分成若干间隔点采样，首先按一定周期计算电压、电流、功率有效值，并累计出电能等电量数据。进一步的，微处理器1对三相保护型电流互感器3的二次侧回路的电流原始波形的1个周期波形数据进行fft计算，得出基波电流有效值及2～21次谐波电流有效值，并依据谐波诊断专家知识库，比较关键阶次谐波含量，定量分析电机内部的绕组绝缘、轴承、机罩损伤等机械故障。
[0048]
若当前诊断的电动机故障位置对应的故障等级为二级告警故障，微处理器1将告警信号通过高速串行通信接口1和高速串行通信接口4传送给显示操作模块8的微处理器2，微处理器2将告警信号通过led指示灯及lcd显示器进行告警指示；若当前诊断的电动机故障位置对应的故障等级为一级跳闸故障，微处理器1首先将与继电器输出模块6连接的分闸动作io引脚拉低，经反相器5、反相器6后仍保持低电平，通用功率继电器2的线圈失电、继电器触点断开，电动机主回路失电，电动机进入停车状态。同样的，微处理器1将跳闸信号通过高速串行通信接口1和高速串行通信接口4传送给显示操作模块8的微处理器2，微处理器2将跳闸信号通过led指示灯及lcd显示器进行跳闸指示。
[0049]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种带有工业以太网的电动机保护及故障诊断控制器，其特征在于，其包括主控模块、三相测量型电流互感器、三相保护型电流互感器、三相测量型电压互感器、显示操作模块、及工业以太网通信模块，其中，所述三相测量型电流互感器、三相保护型电流互感器和三相测量型电压互感器的一次侧均与电动机主回路电连接、二次侧均与主控模块电连接；所述主控模块用于采集三相测量型电流互感器的二次侧回路的电流数据、三相保护型电流互感器的二次侧回路的电流数据、三相测量型电压互感器的二次侧回路的电压数据，基于三相测量型电流互感器的电流数据和三相测量型电压互感器的电压数据获取电量参数，对三相保护型电流互感器的二次侧回路的电流原始波形的1个周期波形数据进行fft计算，每个周期波形取128个采样点，得出基波电流有效值及2～21次谐波电流有效值，并计算总谐波畸变率thd和分次谐波含量hr
n
，进而计算出分次谐波占比系数hp
n
：：上式中，i1为基波电流有效值，i
n
(n＝2，3，4，
…
21)为n次谐波电流有效值；判断是否2次谐波占比系数hp2＞0.45、4次谐波占比系数hp4＞0.18、且其它奇数次谐波占比系数都低于0.1，在为是时判定电动机轴承或外机罩损伤作为电动机故障位置1，判断是否3次谐波占比系数hp3＞0.62、5次谐波占比系数hp5＞0.25、且其它偶数次谐波占比系数都低于0.1，在为是时判定电动机绕组绝缘或震动异常作为电动机故障位置2，判断是否3次谐波占比系数hp3＞0.55、5次谐波占比系数hp5＞0.2、且7次谐波占比系数hp7＞0.15，在为是时判定电动机定子和转子气隙偏心故障作为电动机故障位置3；所述显示操作模块用于显示电动机所属的故障位置类别，所述故障位置类别包括电动机故障位置1、电动机故障位置2和电动机故障位置3；所述工业以太网通信模块用于通过带有工业以太网的一级主站与自动控制中心通讯，在接收周期循环指令时，将指令解析后传送给主控模块以读取电动机状态、电量参数。2.如权利要求1所述的电动机保护及故障诊断控制器，其特征在于，所述主控模块用于基于判定出的电动机故障位置以判断该电动机故障位置对应的故障等级：对谐波影响量最大的2～7分次谐波占比系数hp
n
进行加权修正并累加，取得最终的诊断等级值htv：其中，c
kn
为常数，表示电动机第k个部位第n次谐波影响修正量；判断诊断等级值htv范围是否在0～0.35之间，在为是时表示该电动机故障位置对应的诊断等级为较轻微故障，电动机基本处于正常运行状态，判断诊断等级值htv范围是否在0.35～0.65之间，在为是时表示该电动机故障位置对应的诊断等级为二级告警故障，电动机相关诊断故障部位已经出现中度故障，需择时停机保养；判断诊断等级值htv范围是否在0.65～1.00之间，在为是时表示该电动机故障位置对应的诊断等级为一级跳闸故障，电动机相关诊断故障部位已经出现重度故障，需立即停机检修。
所述显示操作模块用于显示电动机所属的故障位置类别及对应的诊断等级；所述主控模块用于在出现一级跳闸故障时利用继电器输出模块使得电动机主回路失电，电动机进入停车状态。3.如权利要求1所述的电动机保护及故障诊断控制器，其特征在于，所述主控模块包含微处理器1，所述继电器输出模块包括反相器3、反相器4、通用功率继电器1、反相器5、反相器6和通用功率继电器2；所述微控制器1用于在收到合闸命令后，将与继电器输出模块连接的合闸动作io引脚拉高，经反相器3、反相器4后仍保持高电平，通用功率继电器1的线圈得电、继电器触点闭合，电动机主回路得电，电动机启动并正常运行；所述微控制器1用于在收到分闸命令后，将与继电器输出模块连接的分闸动作io引脚拉低，经反相器5、反相器6后仍保持低电平，通用功率继电器2的线圈失电、继电器触点断开，电动机主回路失电，电动机进入停车状态。4.如权利要求1所述的电动机保护及故障诊断控制器，其特征在于，所述主控模块还包括高速串行通信接口1，所述显示操作模块包括微控制器2、led指示灯、lcd显示器、高速串行通信接口4、合闸按钮和分闸按钮；所述微处理器2用于接收合闸按钮发出的合闸命令，并通过高速串行通信接口4将合闸命令传输至微处理器1，接收分闸按钮发出的分闸命令，并通过高速串行通信接口4将分闸命令传输至微处理器1；所述微处理器1用于在合闸跳转至分闸时将跳闸信号通过高速串行通信接口1和高速串行通信接口4传输给微处理器2，所述微处理器2用于控制led指示灯和lcd显示器进行跳闸指示。5.如权利要求4所述的电动机保护及故障诊断控制器，其特征在于，所述控制器还包括工业以太网通信模块，所述工业以太网通信模块包括微处理器3、高速串行通信接口2和rj45接口，所述微处理器3至少支持器闭合时，接触器辅助触点闭合，所述无极性采样光电耦合器输出端信号拉低，经过反相器2和反相器1后一直保持低电平信号，并输入至的主控模块的采样引脚中，此时主控模块确认电动机处于运行状态；反之主控模块的采样引脚收到高电平信号，此时主控模块确认电动机处于停车状态。

技术总结
本发明带有工业以太网的电动机保护及故障诊断控制器包括：主控模块对三相保护型电流互感器的二次侧回路的电流原始波形的1个周期波形数据进行FFT计算，得出基波及2～21次谐波电流有效值，基于此计算出分次谐波占比系数，判断是否2次谐波占比系数>0.45、4次谐波占比系数>0.18、其它奇次谐波占比系数低于0.1，为是时判定电动机轴承或外机罩损伤，判断是否3次谐波占比系数>0.62、5次谐波占比系数>0.25、其它偶次谐波占比系数低于0.1，为是时判定电动机绕组绝缘或震动异常，判断是否3次谐波占比系数>0.55、5次谐波占比系数>0.2、7次谐波占比系数>0.15，为是时判定电动机定转子气隙偏心故障。心故障。心故障。


技术研发人员：张怡 张磊 王红伟 吴晓刚 张凤雏 许文专
受保护的技术使用者：江苏斯菲尔电气股份有限公司
技术研发日：2022.03.07
技术公布日：2022/5/25