基于DSP的水泵能耗智能在线监测装置研究

摘 要：本文研究分析了矿井排水泵能耗智能在线监测系统的基本要求，结合用户需求提出了基于DSP硬件平台的水泵能耗智能在线监测装置设计方案，并设计出以TMS320F2812嵌入式微处理器为核心的排水泵能耗在线监测装置。通过实时在线监测排水泵的效率，实现水泵的计划检修向状态检修转变，节约能源消耗并能及时发现和排除水泵故障。使水泵能安全可靠、高效低耗地运行，从而提高设备的运行效率，并带来良好的经济效益。

关键词：排水泵；能耗；在线监测；DSP

中图分类号： U464.138+.1 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）02-159-2

0 引言

煤矿排水泵是保障正常采煤和人身生命安全的重要设备，但它也是主要的耗能设备。由于种种原因，矿井排水泵效率不高，若水泵长期处于低效率状态运行，不仅浪费大量电能，给煤矿造成经济损失，还可能因为某些原因未能及时发现并解决而造成排水故障，引发灾难性事故。因此，我们就需要能实时监测设备状态和故障预警，这样可以避免突发性故障和控制渐发故障的发生，降低设备维修成本，增加设备可利用时间，从而提高设备的运行效率，并带来良好的经济效益。

本论文研究设计的“基于DSP的水泵能耗智能在线监测装置”，主要实现对水泵的流量、进出水口压力、电动机的电压、电流等物理量进行实时测量计算，就地显示及预警，并且将数据传送至后台监控系统，使得运行人员不到现场也能实时掌握水泵的运行状态。水泵能耗智能在线监测装置还将设置报警、实时曲线、历史曲线等功能并配有智能专家分析系统。当监测量异常时将报警，提醒检修人员进行检修。专家系统根据检测量的历史数据、历史故障和当前的实时检测数据综合对比分析，可以提前预知故障并预警。

1 系统工作原理和总体设计

本装置通过现场安装的流量传感器、压力传感器、电压传感器、电流传感器，采集出水口流量、进水口压力、出水口压力、三相电压、三相电流，通过水泵能耗监测计算原理，节能监测评价指标，信号监测算法及逻辑判据实时计算和分析出电机功率因数、水泵运行效率、电动机运行效率、吨・百米耗电量，对水泵能耗进行在线监测，实时监视，当不满足设定值时报警并提醒检修人员检修，以保证水泵高效率运行。

1.1 计算原理

①电机功率因数：ηd=

式中，β为电机运行负载系数；PN为电机额定功率，单位为千瓦（kW），从电机资料中查找；ΔPcN为电机额定综合功率损耗。

②水泵运行效率：ηb=

式中，ρ为液体的密度，单位为千克每立方米（kg/m3），水的密度由《GBT16666-2012泵类液体输送系统节能监测》标准中附录D表D.2中查取；g为重力加速度，单位为米每二次方秒（m/s2），取9.807；Q为泵的流量，单位为立方米每小时（m3/h），需要现场流量传感器采集；H为泵扬程，单位为米（m）；N2为泵轴功率，单位为千瓦（kW）。

③吨・百米耗电量计算e=

式中，e为液体吨・百米耗电量，单位为千瓦时每吨百米[kW・h/t・hm]；η为矿井主泵排水系统总效率。

矿井主泵排水系统总效率：η=ηb×ηd×ηg×ηc

式中，ηb为水泵运行效率；ηd为电动机运行效率；ηg为输送效率；ηc为传动效率。

1.2 信号的监测算法及逻辑判据

1.2.1 信号的监测算法

对这几个由传感器采集到的采集量的处理主要是滤波和消除系统误差。首先将压力、流量传感器的输出信号均转换成0～5V电压信号，然后进行RC低通滤波（消除现场高频干扰）之后进行AD采样，将模拟信号转换成DSP能处理的数字信号。其次，为了消除检测系统误差（如温度漂移等），在软件上对AD采样数据进行修正，保证采样数据的准确性，然后对数据进行20次平均值滤波。电流、电压信号为交流信号，对这两个信号的处理除了上述的过程，还需要消除直流分量，采取的算法是对采样电流电压进行20次周波采样，然后取平均值，得到的值就是直流分量，得到直流分量后每次采样数据都减去这个值就是实际的电流电压值。

1.2.2 逻辑判据

当泵运行效率ηb：

当电动机运行效率ηd：

当吨・百米耗电量/[kW・h/t・hm]e：>整定值报警。

矿井主排水泵能耗智能在线监测系统可整定各值上限和下限，当系统监测计算后各值超出正常值范围，系统进行报警提醒检修人员检修，保证水泵高效率运行。

1.3 系统总体设计

水泵能耗智能在线监测装置由压力传感器、流量传感器、电流传感器、电压传感器、DSP处理器、LCD显示、上位机等。系统总体设计框图如图1所示。

2 系统硬件设计

系统硬件部分的设计主要包括DSP系统的设计、通信模块的设计、人机接口模块的设计、采集处理电路和电源模块的设计。

DSP系统包括复位电路、时钟电路、SRAM接口、开关量输入和逻辑控制电路，这里的DSP控制器选用的是选用TI公司的TMS320F2812芯片，它是高性能的32位处理器，配以大容量RAM及Flash，具有极强的数据处理记忆能力。设置专门的E2PROM存储器保存装置运行参数，重要信息掉电不丢失。DSP控制器的相关内容可参考文献[1]。

本系统采用了双RS-485通信接口，一路用于第三方设备压力、流量、电流、电压等信息的通信，一路用于调度、集控等远动通信，采用屏蔽双绞线作为通信介质，提高通信的可靠性。参考文献[2]。通讯规约采用电力系统标准的103规约或设备厂家内部规约。通信接口采用了专业的通信防雷电路。

时钟电路，装置内置硬件时钟回路，采用的时钟芯片精度高，并配有电池以掉电保持，装置支持网络对时。

开关量输入由2组8路独立的外部开入量采集回路，220V、24V随意组合，开入量采集回路经过专门的滤波抗干扰电路处理，大大提高了可靠性和抗干扰性能。

电源模件采用交直流逆变电源，交直流220V或127V电压输入经抗干扰滤波回路后，利用逆变原理输出本装置需要直流电压。

控制模件主要由继电器构成，提供6路继电器空接点输出。继电器接点输出可以根据用户需要设置成是否经过启动继电器接点闭锁；每一组接点输出采用严格的多重化逻辑控制，保证接点输出信号的绝对可靠。

系统的其他部分的电路是一些常用的电路，这里不作介绍。其他电路参见文献[3]。

3 系统软件的设计

本系统的各种逻辑算法需多种采集数据关联，比较复杂，因此将算法写成DSP软件有着较高的要求。针对这些问题，对每一个算法查阅相关的C语言实现的资料，然后在这些资料的基础上将每个算法单独写成一个API函数。所以我们采用C和汇编混合编程，主程序框架采用C语言编制，关键算法用汇编语言实现。排水泵能耗在线监测装置的主要任务是：完成对各传感器的采集量进行滤波和消除系统误差的分析和处理等，将所采集的数据和分析结果上传给上位机，同时，简单显示排水泵的运行状态信息等。上位机根据处理结果选取特征参数，实现算法的处理，最后由专家系统进行状态判断和故障诊断。我们把系统设计成为超循环系统。应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数来完成相应的操作。程序的流程图如图2所示。

4 运行测试实验数据

以某煤矿的主排水泵房为例，该泵房担负着-330水平的矿井水排至地面的任务，泵房沿井筒至地面敷设三趟内径为300mm的管路。检修前，该泵房距地面垂高为366.24m，实际排水扬程为380m。水泵检修之后，对其运行参数测量得到：相电压为U=6060V，电流I=80A，功率因数cosφ=0.85，电机效率ηd=0.935，水泵系统传动效率ηd=0.98。流量Q=8.35m3/min，扬程H=387.99m。

经过公式计算可得检修前后水泵效率，总功率，吨・百米耗电量。

按照地质部门提供的当地正常涌水量，以-330水平的全年排量为2207500m3，按水密度为1000kg/m3计算，年节电量为：E=全年排量×降低的吨・百米耗电量×泵房距地面垂高/100=2207500×0.175×366.24/100=141.48万kW・h

按电价为0.7元/kW・h计算，年节电经济价值为99.036万元。可以看出，实时监测水泵效率，及时找出并排除其效率低的原因，经济效益非常可观。检修前后节能效果见表1。

5 结束语

本文介绍了基于DSP水泵能耗智能在线监测装置的设计，系统实现了实时在线监测排水泵的效率，节约能源消耗并且及时发现和排除水泵故障。使水泵经济可靠、高效低耗地运行，达到我们的设计效果。

参 考 文 献

[1] 苏奎峰，等.TMS320F2812原理与开发[M].电子工业出版社，2005.

[2] 吴允朴.新型的PC通用串行总线USB.2000.

[3] 刘为国.基于DSP的井下高压水泵电机的远程监控系统的设计[D].安徽理工大学，2007.