| 電動機功率分析儀監(jiān)測軟件設(shè)計
雷鴻，趙繼敏，李小海，張國軍
(1上海交通大學(xué)，上海200240；2上海睿英電氣有限公司，上海200040)
摘要：電動機功率分析儀監(jiān)測軟件是電動機功率分析儀的重要組成部分。基于windows操作平臺，利用c#編寫了電動機功率分析儀監(jiān)測軟件，實現(xiàn)了人機交互。該軟件具有數(shù)據(jù)采集、曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)分析、計算機通信等功能，用戶能夠方便地監(jiān)測多臺電動機的運行狀態(tài)，確保電動機的正常運行。
關(guān)鍵詞：電動機功率分析儀；監(jiān)測軟件；c#
O引 言
隨著大功率電機的廣泛運用，實時監(jiān)測電機、確保電機正常運行成為了一項艱巨的任務(wù)。功率分析儀能夠精確地計算出三相異步電動機運行的有功功率、無功功率、有功電能、無功電能、功率因數(shù)、電壓諧波、電流諧波、電壓有效值、電流有效值、電流平衡度、電壓平衡度、三相電動機的運行效率和綜合效率等多項指標，監(jiān)測和調(diào)整三相異步電動機的運行，提高電機的工作效率，防止電機故障的發(fā)生。功率分析儀監(jiān)測軟件更是解決了電機裝配環(huán)境差、監(jiān)測電機數(shù)量少、分析數(shù)據(jù)困難等問題，成為功率分析儀中一個重要的組成部分。
本文介紹功率分析儀監(jiān)測軟件的設(shè)計，詳細介紹了功率分析儀監(jiān)測軟件的功能、結(jié)構(gòu)以及其它重要模塊的設(shè)計。
1軟件功能與結(jié)構(gòu)
功率分析儀監(jiān)測軟件主要包括監(jiān)測配置、監(jiān)測控制、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢等功能，具體包括以下功能：
(1)組建監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，與多臺功率分析儀通信，監(jiān)測多臺電機的運行。
(2)配置各個功率保護儀的運行參數(shù)。
(3)實時地反映各個監(jiān)測電機的狀態(tài)。
(4)實時獲取各個監(jiān)測電機的各項運行數(shù)據(jù)，并直觀地反映各參數(shù)的變化趨勢。
(5)實時記錄各個監(jiān)測電機的故障類型、故障時間以及故障時刻對應(yīng)的各參數(shù)值。
(6)方便查詢和分析監(jiān)測電機的歷史運行數(shù)據(jù)。
上述功能主要由通信模塊、人機交互模塊和數(shù)
據(jù)處理模塊三大模塊完成，系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖如圖1所示．
2通信模塊
通信模塊主要是完成上位機與多臺功率分析儀之間的通信方式、數(shù)據(jù)交換和傳輸參數(shù)識別。
2．1通信協(xié)議
系統(tǒng)采用基于RS485總線的MODBus—RTu協(xié)議來完成上位機和功率分析儀之間的通信。RTu模式的MODBus協(xié)議是一種主從協(xié)議，上位機采用輪詢的方式向多臺功率分析儀發(fā)送讀請求數(shù)據(jù)幀，功率分析儀則采取中斷的方式應(yīng)答上位機輪詢數(shù)據(jù)幀。MODBus協(xié)議的數(shù)據(jù)幀包括地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)碼和cRc校驗碼，幀格式如表1所示。
2．1 1地址碼
幀的開始部分為地址域，由1個字節(jié)組成，用來表征用戶指定功率分析儀的地址。每個功率分析儀的地址是****的，只有被尋址到的功率分析儀才和上位機交換數(shù)據(jù)。
2．1．2功能碼
功能碼告訴被尋址到功率分析儀執(zhí)行何種功能。表2給出了系統(tǒng)中功能碼的定義。
2．1．3數(shù)據(jù)碼
數(shù)據(jù)碼有三種類型：(1)讓功率分析儀執(zhí)行特定功能的數(shù)據(jù)；(2)要讀取參數(shù)變量的編號；(3)對應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)。
2 1．4校驗碼
校驗碼是上位機和功率分析儀檢查傳輸過程中數(shù)據(jù)正確與否的依據(jù)。出錯校驗?zāi)鼙ＷC上位機或功率分析儀不響應(yīng)傳輸過程中的錯誤數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。系統(tǒng)中的出錯校驗采用了16位循環(huán)冗余(cRc)方法。
2．2上位機通信方式
功率分析儀監(jiān)測軟件采用輪詢的方式與每一臺功率分析儀通信。首先，上位機對串口進行初始化，然后對設(shè)備層的每一個功率分析儀進行輪詢，以0．5 s為一個周期，發(fā)送讀取運行參數(shù)請求幀后，等待功率分析儀的響應(yīng)，如果超時進行下一個功率分析儀的數(shù)據(jù)讀取，并且實時判斷功率分析儀的響應(yīng)消息是否正確，無論數(shù)據(jù)幀錯誤還是響應(yīng)超時都將產(chǎn)生一個錯誤，在實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中記錄下來，并顯示給管理員。調(diào)試時，在連續(xù)三輪中對同一地址輪詢都出錯時，此地址對應(yīng)的功率分析儀將被屏蔽，直到調(diào)試人員來重新調(diào)整。然后，對網(wǎng)絡(luò)檢測正常的功率分析儀進行輪詢。第一次監(jiān)測時，上位機讀取協(xié)議規(guī)定的所有參數(shù)，以后如果整個系統(tǒng)都正常，既沒有調(diào)整參數(shù)也沒過載時，上位機將以0 .5 s為周期，發(fā)送讀取運行參數(shù)請求幀一直輪詢。上位機監(jiān)測軟件的讀數(shù)據(jù)流程圖如圖2所示。
2．3功率分析儀通信方式
功率分析儀采用中斷方式接收數(shù)據(jù)幀，其流程圖如圖3所示。數(shù)據(jù)幀與數(shù)據(jù)幀之間的間隔標志用時間來判定，當(1／波特率)10 3．5時間內(nèi)沒有接收到新的數(shù)據(jù)時，則表示接收一個完整的數(shù)據(jù)包結(jié)束，反之則接收數(shù)據(jù)包還未結(jié)束。
功率分析儀在與上位機的通信時，主要對兩種上位機數(shù)據(jù)幀做出應(yīng)答，分別為上位機讀數(shù)據(jù)幀和上位機配置數(shù)據(jù)幀。當功率分析儀接收到上位機讀數(shù)據(jù)請求幀后，功率分析儀就會將對應(yīng)的數(shù)據(jù)按規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式應(yīng)答給上位機。如果收到配置數(shù)據(jù)幀，功率分析儀就會按數(shù)據(jù)幀格式解包，然后將對應(yīng)的數(shù)據(jù)存到配置參數(shù)的對應(yīng)位置，并按新的配置參數(shù)運行功率分析儀。
3人機接口模塊
人機接口模塊實現(xiàn)人機交互，用戶可以方便地查看所有電動機的運行。監(jiān)測界面主要包括監(jiān)測主界面和詳細參數(shù)界面，如圖4和圖5所示。
監(jiān)測主界面主要顯示監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中所有被監(jiān)測電機的運行狀態(tài)和主要參數(shù)值，包括電壓值、電流值和軸
功率值。另外，在監(jiān)測主界面巾還具有新建從機、刪除從機、啟動監(jiān)測、停止監(jiān)測、組建網(wǎng)絡(luò)等功能。
詳細參數(shù)界面主要顯示某一臺被監(jiān)測電機的所有參數(shù)值。圖6顯示了當前電機在某一時刻的所有
運行參數(shù)值，并以ls的速度刷新參數(shù)值。根據(jù)圖7中的選擇和****值設(shè)定，圖形窗口以圖形的方式直觀地顯示11次電壓諧波的變化趨勢(如圖5中的波形)，并以1 s的速度刷新圖形顯示。
4數(shù)據(jù)處理模塊
數(shù)據(jù)處理模塊的主要功能是查詢功率分析儀的歷史運行數(shù)據(jù)，如圖8所示，分析歷史運行數(shù)據(jù)如圖9所示，和記錄功率分析儀的故障。
歷史運行數(shù)據(jù)查詢按照不同的檢索條件進行檢索，其中包括按沒備名字檢索、按設(shè)備地址檢索、檢索特定時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)、檢索特定參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)等。圖8給出了參數(shù)列表窗口和時問檢索窗口，圖中還顯示名字為a的電動機檢索到的所有運行數(shù)據(jù)。
圖9給出了圖8中檢索數(shù)據(jù)的圖形分析，從圖9可以方便地分析任意一臺電動機任意時間段內(nèi)任意參數(shù)的變化趨勢，進而判定電機是否為正常運行，或分析在該時間段內(nèi)出現(xiàn)故障時各個運行參數(shù)變化的特點。
5 C#實用技術(shù)
5．1 c#數(shù)據(jù)庫操作
在軟件設(shè)計中，系統(tǒng)涉及到了大量的數(shù)據(jù)處理，需要一個龐大、方便的數(shù)據(jù)庫操作技術(shù)來完成。
ADO．NET是NET namework提供的一組專門用于存取數(shù)據(jù)的類，其中包含的一些對象可以配合sQL語言對數(shù)據(jù)庫進行操作。在ADO NET中，包含有用于連接數(shù)據(jù)庫、執(zhí)行命令和檢索結(jié)果的各種組件，能夠方便地操作數(shù)據(jù)庫。
ADO NET對象主要包括與數(shù)據(jù)庫直接連接的聯(lián)機對象和與數(shù)據(jù)庫斷線的斷線對象。本系統(tǒng)需要保存大量的運行數(shù)據(jù)，如果頻繁地使用聯(lián)機對象將影響系統(tǒng)的運行速度，如果使用斷線對象又容易丟失大量的數(shù)據(jù)，因此，本系統(tǒng)將兩種數(shù)據(jù)庫方法進行了整合，采用定時間隔存取的方法，以一定的時間為間隔，運用斷線對象的方式存取數(shù)據(jù)，既降低系統(tǒng)資源的消耗，提高了運行效率，又能防止數(shù)據(jù)丟失，提高了系統(tǒng)的安全性。
5 2 C#GDI+繪圖
為了直觀地分析各個電參數(shù)的運行趨勢，圖形分析各個電參數(shù)的變化趨勢是必不可少的。在c#中，cDI+繪圖技術(shù)可以方便地繪制各種圖形。
GDI+是一種構(gòu)成windows xP操作系統(tǒng)的子系統(tǒng)應(yīng)用程序編程接口(API)，其中Graphics類封裝了豐富的繪圖功能，使程序員方便地繪制文本、線條、矩形、曲線、多變形、橢圓和貝塞爾曲線等。在本系統(tǒng)中，監(jiān)測界面中的監(jiān)測窗口和歷史數(shù)據(jù)分析窗口都是基于GDI+的應(yīng)用。
5．3 c#線程操作
線程處理使c#程序能夠進行并發(fā)處理，以便用戶同時進行多個操作。systems．Threading命名空間中提供了支持多線程編程的類和接口，使用戶可以方便地執(zhí)行創(chuàng)建和啟動新線程、同步多個線程、掛起線程以及終止線程等操作。
在監(jiān)測軟件的設(shè)計中，啟動了兩個線程：一個線程為主線程，主要負責響應(yīng)用戶的各種操作；另一個線程為通信線程，主要負責與功率分析儀的通信和數(shù)據(jù)測存儲。
6結(jié)語
本文利用c#語言在數(shù)據(jù)庫操作、線程處理、圖形處理等方面的強大功能，采用基于RS485的MODBus—RTu通信協(xié)議，開發(fā)出了一套實用的實時電動機功率分析儀監(jiān)測軟件，成功地實現(xiàn)了多臺電動機的運行監(jiān)測，較好地防止了電動機故障運行，同時，提供給了用戶方便、快捷的電動機性能分析方法，成功解決了監(jiān)測環(huán)境限制、可監(jiān)測電機數(shù)量少、分析數(shù)據(jù)困難等問題。
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