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基于单片机的矿用潜水泵智能检测系统开发.pdf
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济南大学硕士学位论文
I
目 录
第一章 绪 论.........................................................................................................................1
1.1 研究背景.......................................................................................................................1
1.2 潜水泵检测装置研究目的和意义...............................................................................2
1.3 潜水泵检测装置研究现状...........................................................................................3
1.4 潜水泵检测装置存在的问题.......................................................................................4
1.5 本文主要研究工作和安排...........................................................................................5
1.6 本章小结.......................................................................................................................7
第二章 系统整体架构设计.....................................................................................................9
2.1 矿用潜水泵工作特性...................................................................................................9
2.2 系统总体方案设计.....................................................................................................11
2.3 系统硬件结构设计.....................................................................................................15
2.4 系统软件结构设计.....................................................................................................15
2.5 本章小结.....................................................................................................................17
第三章 潜水泵检测系统硬件设计.......................................................................................19
3.1 微处理器最小系统.....................................................................................................19
3.2 电源模块设计.............................................................................................................21
3.3 数据采集模块设计.....................................................................................................24
3.4 通信模块设计.............................................................................................................38
3.4.1 RS485 通信设计................................................................................................38
3.4.2 无线通信模块设计...........................................................................................39
3.5 本章小结.....................................................................................................................41
第四章 潜水泵检测系统软件设计.......................................................................................43
4.1 系统开发环境简介.....................................................................................................43
4.2 微处理器主程序设计.................................................................................................44
4.3 数据采集子程序设计.................................................................................................45
4.3.1 温度采集子程序设计.......................................................................................45
4.3.2 电压电流采集子程序设计...............................................................................46
4.3.3 其他数据采集子程序设计...............................................................................46
矿用潜水泵智能检测系统开发
II
4.4 通信子程序设计.........................................................................................................48
4.4.1 RS485 通信子程序设计....................................................................................48
4.4.2 无线通信模块子程序设计...............................................................................49
4.5 系统测试.....................................................................................................................51
4.6 本章小结.....................................................................................................................54
第五章 基于检测系统的转子断条故障诊断.......................................................................55
5.1 电机故障类型.............................................................................................................55
5.2 转子断条故障特征分析.............................................................................................56
5.3 小波变换分析法故障特征提取.................................................................................57
5.4 仿真分析.....................................................................................................................60
5.5 本章小节.....................................................................................................................65
第六章 总结与展望...............................................................................................................67
6.1 全文总结.....................................................................................................................67
6.2 研究展望.....................................................................................................................68
参考文献...................................................................................................................................69
致 谢.......................................................................................................................................73
附录 A.......................................................................................................................................75
附录 B.......................................................................................................................................81
济南大学硕士学位论文
III
摘 要
矿用潜水泵是矿井下排水系统的关键设备,其工作性能的好坏直接影响着整个煤矿
的安全生产。矿用潜水泵因其结构简单、安全可靠、寿命长等特点,被大量应用于井下
排水系统中。然而现有矿用潜水泵检测系统采用传统半自动化方式,其测量方式落后、
精度低、可靠性和实时性差,难以满足智能化矿业生产需求。因此,本文以提高矿用潜
水泵内部检测自动化水平为重点,以适用矿业生产应用为导向,利用单片机、传感器、
RS485 通信、无线通信及故障诊断等技术,提出一套具有在线检测与监控功能的内置式
检测装置。主要研究内容如下:
(1) 从矿用潜水泵工艺、结构组成以及工作性能出发,为实现水泵的自动检测功能,
给出了检测系统的设计过程。主要包括:1)为避免外置式检测存在检测效率低、成本
高、实时性差等问题,提出内置式检测方案,并基于矿用潜水泵异常工况及数据分析,
确定影响矿用潜水泵工作的关键因素,即电压、电流、温度、流量、压力、液位等; 2)
在传感器、互感器、多路复用器以及放大器等模块选型和检测电路设计基础上,结合单
片机技术,给出了微处理器最小系统,实现了矿用潜水泵内置式检测硬件电路主要核心
检测原理设计;3)为降低弱信号在传递过程中易受强信号干扰及避免信号传送丢失,
设计了具有 RS485 及无线冗余通信功能的矿用潜水泵远程信号传输方法,保证了矿用潜
水泵检测信息准确性及实时性;4)基于上述原理设计,借助 Altium Designer 软件,绘
制硬件电路原理图,并以此,考虑器件布局、信号等级等因素,制作 PCB 电路板,实
现矿用潜水泵智能检测硬件设计。
(2) 在硬件设计的基础上,开发了适用于矿井使用的潜水泵智能检测系统的下位机软
件。主要包括:1)采用模块化结构设计方法,进行主程序设计,包括系统变量和硬件
接口初始化以及信号采集与处理;2)为实时检测矿用潜水泵的工作状态,对数据采集
子程序进行设计,主要有多路温度采集子程序、电压电流子程序以及流量/液位/压力等
子程序;3)为实现系统通信冗余,进行相应子程序的设计;4)基于矿井潜水泵现场实
验数据,对系统的硬件与软件进行测试,测试结果说明所提出集在线检测与监控功能的
内置式矿用潜水泵能够满足矿业井下潜水泵工程实际需求。
(3) 为提升矿用潜水泵工作效率,减少其故障对矿井下排水能力的影响,提出基于小
波变换分析的潜水泵中异步电机转子断条故障诊断方法;具体包括:转子断条故障特征
分析、提取流程及状态诊断。基于矿井潜水泵现场实验数据,仿真结果说明所提出的转
矿用潜水泵智能检测系统开发
IV
子断条故障诊断方法能够准确辨识异步电机转子工作状态,降低矿用潜水泵故障对矿井
下排水能力的影响。
关键词: 矿用潜水泵;单片机;传感器;无线通信;小波变换分析法
济南大学硕士学位论文
1
第一章 绪 论
1.1 研究背景
潜水泵主要适用于井下泵房排水、救灾抢险排水和矿山复合排水等方面,是城市供
水、煤矿工业以及农业灌溉等常用的输水设备。随着我国农业、石化、煤矿、能源及电
力等行业的快速发展,我国潜水泵行业迅速壮大,制造装备不断进行升级改造,并拥有
自主研发核心技术
[1]
。我国已形成较为完整的潜水泵生产体系,成为世界重要的潜水泵
产品生产基地。据潜水泵行业分析,2018 年中国潜水泵行业市场规模达 1691.8 亿元,
比去年同期增长 4.6%;虽然潜水泵行业企业在国民经济建设中发挥重大作用,因其产
品改进与换代速度慢、质量不稳定等原因,与国外相比还存在一定的差距
[2]
。
近年来,随着新材料、新工艺在我国矿用潜水泵产品(以下简称潜水泵)中的不断
推广应用,矿用潜水泵的种类及应用领域不断的扩大,市场规模不断增长。全国使用矿
用潜水泵的企业数量逐年增长,截止 2020 年底,使用矿用潜水泵制造企业共 1050 家。
且矿用潜水泵行业收入年均增速维持在 10%-15%,其年营业收入逐步增加,预期 2020
年达 99 亿元规模以上
[3]
。因此,未来国内外对矿用潜水泵产品的需求越来越旺盛,进而
对水泵运行的各项参数指标要求也越来越严格。
图 1.1 我国矿用潜水泵企业数量
“十三五”期间,国家对潜水泵产业的扶持力度加大,为促进农业现代化的发展,
将农机装备领域作为《中国制造 2025 发展规划》发展规划中未来工业 4.0 阶段的重点发
展领域之一;其中农业废水、污水治理将投入 15603 亿元,为潜水泵行业的发展带来契
机。此外,国家不断的加大拉动内需力度,加快水力电力工程、水泥行业、石化以及环
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