基本信息
- 项目名称：
- 基于多种现场总线的工业三相电测量计量系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 随着电力行业的发展和电力网络监控的要求，现在的电量表不仅要对三相电压、电流的真有效值、功率等基本参数进行精确测量或计量，而且要求在各个测量节点能够现场处理测量信息和进行网络联网与数字通信。 系统主要由三部分组成：三相电电量表、三种标准现场总线通讯模块和上位机监测软件。电量表采用了低成本高可靠性解决方案；现场总线通讯模块按照国际标准协议进行开发；上位机软件使用LabVIEW进行开发，兼容三种总线协议。 本系统具有自主知识产权，对提高我国工业电网的计量与系统监控技术水平具有着十分重要的意义和推广应用价值。
- 详细介绍：
- 本设计使用MSP430F147型微处理器完成了对工业三相电基本电参数的采样、处理和显示，可自定义4-20mA标准电流输出、可自定义继电器开关量报警等多种功能，相对于市场上常见的以DSP 或者专用芯片为核心的电参测量仪表来说，成本更加低廉而且拥有更高的灵活性。 运用先进的现场总线通信技术，研制了系列化的多种电量表，本设计中丰富多样的通信方式和人性化智能的控制界面，使得本仪表能够轻松适应工业控制中自动化网络化的需求，更加强化了仪表的功能。 上位机监测平台的实现了在一个系统监测平台上能够对不同的现场总线进行通信和控制，为将不同的现场总线接口的电量表设备集成在该系统平台上，组建成一个综合型工业电量测量与计量系统创造了条件，该技术可对当前电力行业综合监控网的改造与建设起到重要的推动作用。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的:当今被誉为"测控领域的计算机局域网"的现场总线技术已得到了广泛的应用,要求越来越多的测量仪表具有现场总线通信接口和系统联网功能.因此开发具有自主知识产权的现场总线多功能电量表对提高我国工业电网的计量和监控水平具有十分重要的意义和推广价值。 基本思路:本系统分为三部分:系列化现场总线通信模块,包括PROFIBUS、CAN、MODBUS通信模块;多功能电量表可测量三相电相关的24项参数;监控平台软件可实现对不同现场总线类型的电量表进行统一组网管理。 创新点:将传统电量表改造为现场总线的网络型工业电测量计量系统;选择了最具有代表性的三种现场总线进行开发;设计了监测平台软件系统,实现了动态数据库管理等功能。 关键技术:基于PROFIBUS、CAN、MODBUS协议的总线数传技术;基于Labview的监测平台与动态数据库设计技术;基于MSP430单片机的信号调理技术;基于电参数测量与数据处理算法的实现技术。 技术指标: PROFIBUS:15Mbps/1200m,挂接设备数127;CAN:1Mbps/10km,挂接设备数110;RS-485: 10Mbps/1.2km,挂接设备数32。 三相四线0.5级电量表;4~20mA模拟量输出;宽压工作电源:交流85~265V,直流80~300V,功耗小于5VA;绝缘强度:2KV RMS;绝缘电阻≥50MΩ;MTBF≥50000h;工作温度-40~+70℃,储存温度-50~+85℃,相对湿度5~95%,无凝露。
科学性、先进性
- 1.低成本高性能:本设计采用MSP430F1XX 16位微处理器，使成本大大低于国内外同类产品；在设计过程中采用了工业标准的可靠性设计措施，使该多功能电量表具有运行稳定、可靠性高、测量/计量精度好、组网方便等特点，并具有明显的价格优势。 2.运用先进的国际标准的多种现场总线通信技术:本系统提供了三种目前最流行的国际标准现场总线的解决方案，即带有Modbus、Canbus和Profibus接口功能和通信协议的系列化多功能电量表，一方面可在原有的电量表基础上挂接不同的现场总线通讯模块，另一方面该项技术也可以应用于我国自行研制和开发具有自主知识产权的带有现场总线接口功能的新型电量表。 3.强大的实时数据传输能力和上位机数据处理能力:为该系统开发的上位机系统监测平台应用软件，具有可与三种现场总线直接连接通信，实时数据处理和显示测量结果，以及以图形曲线的方式显示被测参数的变化过程等功能，并且能够实时地将数据存储到Microsoft Access数据库中，进行对数据库的各种管理和操作。
获奖情况及鉴定结果
- 于08年6月获得第七届西安高新“挑战杯”陕西省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。 与“西安三泽电子有限公司”合作，即将投入生产。 查新报告结论： 在带有多种现场总线通信模块的多功能电量表方面：国内有对于电参数测量仪器和电量表的研究，有meterbus通信协议的研究，也有将现场总线技术应用于变电配电场所的研究，但未见关于带有多种现场总线通信模块的多功能电量表的公开文献报道。 在支持多种现场总线的电力电网监测平台方面：国内有对于电力参数检测监控系统的研究，但未见关于支持系列化多种现场总线接口的电力电网监测平台的公开文献报道。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 不转让
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该作品由自行研制开发的工业三相电测量/计量软件平台、Modbus、Canbus和Profibus三种现场总线通信模块和多功能电量表三部分组成，主要应用于工业电力系统的各种工频电参数测量与计量。该作品根据我国多种现场总线并存发展的国情，选择上述三种应用最为广泛的现场总线类型，以工业电量参数的测量和计量为应用对象，可支持由不同的现场总线类型所共同构建的监控工业局域网，以满足跨总线系统通信和监控的需求。测量/计量软件平台支持多种国际标准的现场总线通信协议，能够将现场数据实时上传到系统软件平台进行数据分析和处理，可查看实时检测和历史数据。自行研制的现场总线通信模块和具备24项参数检测功能的多功能电量表便于对传统的电量表进行技术改造和升级。 该作品采用工业标准设计了一套完整的对工业三相电测量/计量的解决方案。在此基础上还可以扩展到更多种类的工业自动化仪表系统，对于创建具有自主知识产权的自动化仪表体系具有积极的推动意义，可部分改变我国先进的现场总线自动化仪表严重依赖进口的局面，推动国民经济的发展。
同类课题研究水平概述
- 目前市场上所售电量表价格不等，功能和精度参差不齐，国内外也均有相似的产品。一般的电量表按包含功能、测量范围等被分为多个型号供用户选用，比如交流电流电量表、交流电压电量表、有功功率和无功功率电量表。 在高端产品中比较突出的是美国EIG公司开发研制的Shark100型新一代数字式三相多功能电力仪表，此表具备了三相，单相电参数的测量功能，测试方便，准确度高，三窗口显示电压、电流、功率因数、频率、有功功率、视在功率、无功功率等，具有RS485和RS232接口，支持Modbus-RTU总线协议。 遗憾的是，Shark100由于其昂贵的成本不可能做成多点密集型自动测控系统，只能小规模使用。本设计不仅用更低成本实现了其所有功能，而且通信方式采用了系列化的多种工业级现场总线的形式，可保证数据传输的及时可靠，可组网功能，只需一台PC机即可完成对整个网络的控制和数据采集。 目前业内电参数的采集和测量技术已经较为成熟和完备，能够制作出稳定性好、精度较高的三相电表。但是市面上在能够找到的电量表中，大多数没有适合工业现场强干扰、高温湿度等恶劣环境的数据传输机制，而那些带有工业现场总线的电量表多为进口，价格也较昂贵，并且因为接口种类单一、接口形式简单，往往不能胜任多种场合的需要。比如Profibus-DP总线在垃圾焚烧发电厂担负了全厂生产过程控制中的数据传输，使主控器能够根据垃圾成分的变化快速调整控制程序，保证焚烧工艺的安全性，不再引进二次污染；Modbus作为我国引进的最早一批工业现场总线，在城市污水厂、火电厂、硅钢片生产线、滚塑设备控制系统等场合得到的广泛的应用。还有一些需要多种总线接口的场合，国内目前普遍缺乏合适的解决方案。比如济南钢铁集团总公司第三炼钢厂利用Profibus总线的高速通信能力实现了控制拉矫系统负载分配，利用CAN总线极强的纠错能力和抗干扰能力，用整合了CAN bus后的智能铸流锥度控制系统（ASTC）保证冶炼钢材的精度指标。这就对支持两种总线的互联平台提出了要求。 在进行过细致的市场调查后，我们的结论是电力部门对集成多种现场总线通信能力、具有可靠、快速数传手段的电参数测量仪表有着迫切的需求。该作品在工业自动化仪表中具有很好的研究开发价值和广阔的应用前景。
