一种智能型卷扬启闭机保护和控制装置

1、 昆明理工大学国家大学生创新性实验计划项目申报书项目名称： 一种智能型卷扬启闭机保护和控制装置 项目所属一级学科： 工学 项目负责人： 娄晓龙 项目组成员： 李枝荣 张诗悦 王洪英 指导教师： 邵建龙 吕英英 推荐单位： 信息工程与自动化学院 填表日期： 2009年10月11日 昆明理工大学 教务处制二九年九月填 写 说 明一、本表要按顺序逐项填写，内容要实事求是，表达要明确、严谨。空缺项要填“无”。要求一律用A4纸双面打印，于左侧装订成册。 二、申请参加昆明理工大学“国家大学生创新性实验计划”项目团队人数不得超过5人（1人为项目负责人，参与合作研究者1-4人），运行周期1-3年。三、如填表有

2、不明事宜，请致电咨询。（联系电话：5138077）项目名称一种智能型卷扬启闭机保护和控制装置项目来源教师的科研项目 R学生自选题目拟申请经费3.6万元起止时间 2009年11月 至2010年11月申请人(团队)姓名学号性别身份证号码年级专业联系电话手机E-mail娄晓龙200710401205男22010219880412261607自动化1588721448515887214485812084734李枝荣200710401313女14232919870819214X07自动化1596942313515969423135765873578 张诗悦200710407116女22020419881

3、108452107生医0871-330458615987118215872194937王洪英200810404138女53233119880604202708通信1370879665313708796653244518506指导教师情况姓 名邵建龙性别男年龄44职称/职务教授所在院（系）信息工程与自动化学院电工电子实验中心E-mailSj-long联系电话3304313手授课程电路理论、模拟/数字电子技术、电力电子技术、智能系统设计、网络与通信、Electronics主要科学研究工作简历时 间项目名称获奖情况2006年7月一种具有自动设定温度范围的温度检测控制装置20

4、05年度知识产权奖2004年12月虚拟现实天地（虚拟现实技术及其在现代化实验教学中的应用）中国教育技术协会2004年年会二等奖姓 名吕英英性别女年龄27职称/职务讲师所在院（系）信息工程与自动化学院电工电子实验中心E-mailholylight001联系电话3304313手授课程电工及电子技术基础主要科学研究工作简历时 间项目名称获奖情况2008年7月JK型启重设备智能集控系统软件研发2007年11月昆明理工大学青年基金“面向全国大学生电子设计竞赛的信号采集分析系统”一、申请理由（包括项目前期基础及项目成员具备的知识、兴趣、已取得的成绩及相关科研经历等）在暑期课外实践

5、过程中，我们接触到了一些工业控制领域中的机械部件，其中以水库闸门卷扬机的故障率居高。这使我们不禁产生了一个想法，就是是否可以通过自己已经学习的知识，采取一定的保护措施，完成对卷扬机这种大型部件的保护呢。基于以上想法我们查阅了大量的相关资料，了解到闸门卷扬启闭机系统在水利工程中应用极其广泛，但现有的传统闸门卷扬启闭机系统保护方式是在硬件保护的基础上，确实存在以下诸多弊端：l 传统的闸门卷扬启闭机系统没有保护措施或者只是一些简单的硬件保护，常使得系统在工作时由于对三相电动机的过压、过流、欠压、缺相、过载、欠载问题而引发电机烧毁、钢绳拉断或缠绕事故等。l 传统的闸门卷扬启闭机由于保护装置的响应速度慢

6、和误动作导致不能保证生产的顺利进行与安全。l 传统的闸门卷扬启闭机系统中采用闸门开度仪和编码器来采集高度信息，给PLC发出控制信号，误差较大且所需的信号线较多，系统复杂，可靠性也不大，给施工、调试、生产和检修带来不便，从而耗费大量的人力、物力、财力。针对上述问题， 我们初步拟定了以下方案：以STC单片机为主CPU，以专用的电参量计量芯片为测量芯片，系统硬件简单，软件设计避免了大量信号处理的算法，同时测量精度和处理速度可以得到保证。咨询指导教师后，老师首先肯定了方案的可行性，进而又对整体方案提出了一些宝贵的参考意见，并鼓励我们参报此次国家大学生创新性实验计划项目。改进后的方案中，系统可以实时准确

7、地测量闸门卷扬启闭机系统电机的三相电压、三相电流、有效功率等电参量，并根据闸门卷扬启闭机系统运行的实际特点，对各电量参数的大小综合分析，判断电机的工作状态，实现对电机的保护。本项目的成员都是信自学院的本科学生，跨自动化和生医两个专业，跨2年级、3年级两个年级，本项目的成员大部分参加过“红云红河”杯全国大学生电子设计竞赛，选择了赛题“声音导引系统”，在赛前培训及大赛过程中，我们积累了一定的经验，同时对51单片机编程、Modbus现场总线控制技术等都有了一定程度的认识，具备一定的科研能力。二、选题依据（包括项目的学术价值、应用价值、国内外研究现状分析）学术价值： 本项目主要研究卷扬启闭机的保护与控

8、制，创先使用单片机对整个系统进行控制，使用电量计量芯片CS5460A对电机进行实时监控，不但简化了系统设计，而且完善了系统功能，节约了生产成本。同时系统采用MODBUS国际标准化协议进行通信，不但使系统具有良好的兼容性，而且大大缩短了系统开发周期，这在国内也是比较少见的。故本系统在单片机应用，保护电路设计，MODBUS通信协议自定义扩展等方面均具有一定的学术价值。应用价值：为适应生产控制需求，完善闸门卷扬启闭机系统的实现监控、保护于一体。构建了一种可对起重设备进行集中精确测量、保护及操作的闸门卷扬启闭机智能集控系统，使之可广泛应用于水利工程中闸门的控制，并对其电动机进行监测、实时控制及保护，从

9、而提供更完善的保护措施，可降低生产事故及成本，节省人力物力资源，完善了水库的管理系统。国内外研究现状分析：随着自动控制、通信及计算机技术的不断发展，把遥测、遥控、通信及计算机技术应用于闸门及水位等参量的自动测量、计算、控制和调节，实现水资源的合理输送、节制和分配，成为水闸监控系统的主要内容和目标。但我国的技术并不成熟，有的闸门卷扬启闭机控制系统主要存在着以下缺点和局限性；（1）在硬件上，采用闸门开度仪和编码器来采集高度信息，给PLC 发出控制信号。这种系统的最大缺点就是高度测量误差较大，所需的信号线较多，并未发挥PLC 的核心作用，且因闸门而异，线路复杂，维护工作繁重，操作麻烦，可靠性低，故障

10、率高。（2）在保护上，传统的卷扬机控制系统通常采用热工仪表型保护，是一种简单原始的电动机保护方式。（3）目前市场上已有的闸门卷扬启闭机控制系统测量的都是直接荷载（闸门重量，钢绳拉力），不能测量系统荷载。一直以来，欧美日等发达国家凭借其在计算机、控制、信息等领域的领先地位，采用最新的计算机系统以及先进的硬件设计和制造技术，并将它们开发应用于水电站的自动控制中，因此这些国家在水电站自动化方面始终走在世界的前列。三、研究方案（包括研究目标、研究内容、研究方法、实验方案、技术路线、可行性分析等）研究目标：研究开发一种基于单片机的卷扬启闭机智能保护和控制装置，可用于水利工程中闸门的操作，并对其电动机进行

11、监测、实时控制及保护，从而完成对电机及系统进行过电流、过电压、欠电压、缺相、过载、欠载等保护和精确的位置控制，解决目前由于保护措施不当而使交流电动机烧毁等事故。研究内容：1.在传统的卷扬启闭机硬件保护的基础上，采用STC单片机对电机进行控制，以避免出现电机烧毁，或者由于保护装置的误动作使电机跳闸导致生产中止，钢绳拉断或缠绕；2.传统的卷扬启闭机实时性差，采用STC单片机直接测量电机的实时工作电参数，可缩短单片机发送查询命令到读取到有效的电参数信息的时间，并快速控制继电器对启闭机电机进行保护；3.传统的卷扬启闭机数据精度和计算速度都不很理想，且系统复杂，采用以STC单片机为主CPU,以专用的电参

12、数计量芯片为测量芯片从而使软件设计避免了大量信号处理的算法，同时可以提高整套系统的响应速度；4.系统设计中，在原有的卷扬启闭机基础上，采用Modbus国际标准通信协议，实现一台PC同时监控多个系统。研究方法：针对本项目研究具有学科交叉，面向工程实际的情况，应充分运用已有成果，尽量采用软硬件集成技术，运用单片机现场总线控制、通信技术以及人工智能的方法，研究单片机在电气控制工程应用中的关键技术。对交流电机保护和控制装置中的应用问题进行研究，在评价的基础上定量地得到实际结果，丰富和发展理论和应用。实验方案：先用计算机仿真如用Matlab、Keil与Proteus联调等方式进行原型模拟，模拟成功后在实

13、验室对硬件设施做各种硬件测试，对系统进行过电流、过电压、欠电压、缺相、过载、欠载等保护功能的全面测试，为达到精确的闸门开度测量与闸门位置控制，将采用实际测量值与系统相比较的方式进行试验，以确定修正值，同时我们将模拟现场环境进行长时间运行试验，以保证系统稳定性，保证系统可以在水库的相对恶劣环境中正常工作。最后有条件的情况下，我们在指导教师与相关单位取得联系后，在水库进行真实的实际测试、运行。技术路线：首先选定目标，确定系统需求，再进行系统功能和技术的设计。控制系统以STC单片机为核心控制，通过Modbus协议与仪表、设备等通信读取参数，与人机界面实现数据的显示及可变参数的设置，与电力检测仪表通信

14、读取电压、电流、功率等参数从而通过单片机编程实现对电机及系统的保护，与绝对型编码器通信读取脉冲数再由单片机编程计算闸门开度、电机转速。人机界面可进行重要数据的显示及某些可变参数的设置。此外，上位监控系统同样通过Modbus 协议与单片机通信实现实时监控，即使是多套闸门控制系统，通过Modbus 协议均可连接至监控系统中，上位监控系统可同时对多台下位系统的监控，实现集中监控。最后通过测试、理论研究和总结，对项目进行检验、验收。可行性分析：该项目主要以单片机为核心，使用集成芯片和工业中大量使用的角度编码器作为信号采集设备，设计及原理并不复杂，且在实验室易于调试和检测。芯片厂商和检测仪表厂商提供了比

15、较完善的技术支持，故对被测信号的采集技术相对完善，但是需要一定的单片机编程技术，以做到对信号的分析与处理。项目组成员正分属于自动化专业与生物医学工程专业，系统学习过自动化和通信技术，具有比较完备的理论知识基础。而且大部分组员参加过电子设计大赛及其培训，对单片机有一定程度上的了解，并且掌握了开发一套系统的基本程序，同时也具有一定电子设计的经验，对于处理制作中遇到的一些问题掌握了一定的技巧。最重要的是项目组成员都具有较强的自学能力，较高的积极性与完成课题研究的信心和决心。四、项目的创新点、特色和解决的关键技术（其中项目创新特色概述部分50字以内）创新点及其特色：1. 突破传统检测方式的检测死角 2

16、. 单片机控制，低成本，性价比极高3. 反应速度快，可以用于要求高响应速度的场合4. 使用MODBUS国际标准通信接口总线协议关键技术：1. 采用电能计量芯片CS5460A来测量电机电压、电流、功率等参数，完成系统对电机相关部分信号的采集2. 采用绝对角编码器来读取编码值，完成对闸门位置开度信号的采集3. 采用MODBUS国际标准通信协议，解决测量点与控制箱之间，控制箱与中控室之间的信号传输问题4. 基于以上输入信号，采用STC单片机编程计算闸门开度、电机转速，以及系统动态荷载，从而完成对电机及系统进行过电流、过电压、欠电压、缺相、过载、欠载等保护和精确的位置控制五、拟利用资源（科研教学设施、

17、仪器设备、资料、实验场地等）项目过程中我们拟向学院及学校申请使用电工电子中心的部分科研教学设施、仪器设备、资料、实验场地等。要用到的主要仪器设备：l STC单片机开放系统、CPLD开发系统。l Holtek HT-IDE3000、Microchip单片机开发系统，DVCCED MCS51/98单片机开发系统、万用编程器。l 单片机Keil C51集成开发软件、Proteus仿真软件。l PC机、打印机、扫描仪。l 7802日产岩崎三踪数字直读示波器、JT-1C晶体管图示仪，QJ23万用电桥，DM-2100-B热转印制板设备，CDM-392固纬全自动数字万用表，VC890C+胜利数字万用表，5W

18、G自排线式绕线机，3.16mm Z512台钻，150mm S3ST-150三相砂轮机等等。l 学院2M ADSL及64K DDN专线。l 科研教学设施：实验系统测试平台。l 仪器设备：KTA电子调压器、3TB40三相断路器、单相断路器、绝对型旋转编码器、两款荷载传感器、轴式荷载传感器、功率仪表、压力传感器、万用电表、示波器、电源、开关等。参考资料：章少静. 闸门启闭控制方式设计探讨J.上海水务.2001(2):24-25, 28.赵荣祥,钱昊,陈潼. 基于PIC单片机的智能电机保护器J.工程设计学报.2005, 12(2): 89-92.温首威，翁振富，徐文.事故闸门的优化设计 J.山西建筑.

19、2009, 35(7): 363-365.杨克昌.庙宫水库输水洞闸门及启闭机设计J.水科学与工程技术. 2009(1): 57-59.齐艳梅.红山嘴水电厂四级电站快速闸门自动控制技术J.石河子科技.2009(1): 25-26.谢云敏，曹欣.基于单片机的快速闸门控制系统J.中国农村水利水电.2002(12): 64-64, 66. 实验场地：昆明理工大学信息工程与自动化学院科技协会实验室昆明理工大学电工电子中心实验室六、项目实施计划及进度安排（查阅资料、选题、自主设计项目研究方案、开题报告、实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩和成果推广等）

20、项目实施计划本项目将按照科研工作的一般步骤和计划安排进行，拟用一年的时间完成。将完成查阅资料、选题、自主设计项目研究方案、开题报告、实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩和成果推广等过程，所有过程将有完整的工作记录与小结，随时准备接收学校和教育部的检查。进度安排：2009年10月：查阅资料、功能与需求分析及选题、自主设计项目研究方案、撰写开题报告2009年11月到2010年2月：实验研究、数据统计、处理与分析2010年3月到7月：研制开发、填写结题表2010年8月：撰写研究论文和总结报告2010年9月：成果推广2010年10月：参加结题答辩七

21、、成员分工情况娄晓龙：主要负责任务分解与整合、单片机编程、硬件电路设计等。在项目过程中将完成对研究项目的分解并分配给各个组员进行研究，在各单元模块基本达到功能要求后，要完成对各单元模块之间的联调，使各模块最终成为一个整合体，成为最终的成果。同时负责单片机编程及硬件电路设计工作，将完成系统总硬件架构设计与整体程序流程的构建，并重点研究如何使用单片机对电能计量芯片CS5460A进行参数读取，如何简化算法以保证整体系统的快速响应特性等。李枝荣：主要负责硬件电路的设计与搭建、单片机编程、元器件采购等。在项目研发过程中将参与系统总硬件架构设计并主要负责各个相应功能单元电路的设计，将完成大部分实验板焊接工

22、作；在初期实验成功后，将完成初次制版的PCB版面设计工作。同时将主要负责实验项目中大部分实验元器件的采购工作。张诗悦：主要负责硬件电路搭建、元器件采购、项目经费管理、项目进度记录、报告撰写等。在项目研发过程中将详细记录项目整体进度，规划合理使用项目经费，在项目阶段性取得突破后，会完成相应报告的撰写，在后期发表论文阶段，将完成对所有论文的润色工作。同时负责部分电路的设计与搭建、元器件采购等工作。王洪英：主要负责单片机编程、报告撰写、单元电路设计等。在项目开发过程中，将主要负责对Modbus现场总线方案的设计，将完成Modbus通信协议及其扩展功能的单片机编程工作，同时负责部分单元电路的设计与搭建，阶段性报告撰写等工作。同时，在项目开发过程中，每个组员的分工互不独立，在很大程度上相互渗透，并且会定期进行交流讨论，发扬团队协作精神。在项目进行过程中，遇到难以解决的问题时，我们会及时向指导老师请教，争取尽快找到解决问题的方法。项目制作后期，在条件允许的前提下，将由指导老师联系相关单位，对产品进行水库实地测试，以进一步检验产品的实用性。八、资助经费使用计划序号支持项目金额（元）1仪器设备费（设备购买、租用）35002材料费（电子元器件、焊锡丝等消耗性材料等）150003制版费（初次制版费、板材加工费等）50004科研业务费（论文发表版面费，