基于現(xiàn)場總線的水輪機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

水電機(jī)組是電力網(wǎng)絡(luò)中的重要元件，保證大型水電機(jī)組的正常運(yùn)行，對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障征兆，做到“事前檢修”是工程界夢寐以求的理想，也是大型電站機(jī)組檢修的發(fā)展方向。實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測可以減少機(jī)組停機(jī)時(shí)間，提高利用率。

這里所說的狀態(tài)監(jiān)測實(shí)際上是對水輪機(jī)組眾多參數(shù)進(jìn)行的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。水輪機(jī)組的參數(shù)較多，為了分析方便，對部分參數(shù)還需要進(jìn)行高速采樣。這樣，一個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)通常要由分布在不同現(xiàn)場位置的多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)組成。各節(jié)點(diǎn)將大量的采集數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，由上位機(jī)從多角度評估機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。采用全數(shù)字化通信的現(xiàn)場總線整合整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制，抵抗各種干擾因素，簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。于是，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于 LONWORKS現(xiàn)場總線的水輪機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 LONWORKS現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)

LONWORKS總線是美國Echelon公司推出的一種現(xiàn)場總線技術(shù)。具有開放性、高速性和互操作性；采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，使網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)簡化為參數(shù)設(shè)置，降低了開發(fā)難度；支持多種傳輸介質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)容量可達(dá)32000個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)通信速率可達(dá)1.25Mbps/130m，直接通信距離可達(dá) 2700m/78kbps；其網(wǎng)絡(luò)采取了配置1500V直流隔離變壓器進(jìn)行隔離等適合于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的措施，具有很強(qiáng)的抗干擾、抗振動能力，適合于水電廠等較惡劣的工業(yè)環(huán)境。

在水輪機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，有幾十個(gè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，它們通過現(xiàn)場總線將采樣結(jié)果傳送到距離較遠(yuǎn)的上位機(jī)，并且數(shù)據(jù)通信頻繁?？紤]到 LONWORKS總線技術(shù)具有強(qiáng)大的強(qiáng)信能力，以LON總線來組成系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，極大地簡化了系統(tǒng)的通信軟、硬件設(shè)計(jì)，使數(shù)據(jù)的傳輸與通訊變得十分便捷。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

基于LONWORKS現(xiàn)場總線的水輪機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由上位監(jiān)控機(jī)和多個(gè)現(xiàn)場監(jiān)測單元組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

每個(gè)現(xiàn)場監(jiān)測單元監(jiān)測三個(gè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場監(jiān)測單元主要負(fù)責(zé)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和傳送?，F(xiàn)場監(jiān)測包括壓力監(jiān)測；溫度監(jiān)測；水位及油位等液位監(jiān)測；水流量監(jiān)測；機(jī)組振動擺度監(jiān)測、機(jī)組電氣監(jiān)測、機(jī)組轉(zhuǎn)速及導(dǎo)葉開度監(jiān)測、效率監(jiān)測；水淪機(jī)氣蝕監(jiān)測；發(fā)電機(jī)氣隙監(jiān)測；發(fā)電機(jī)絕緣監(jiān)測；尾水管真空監(jiān)測等。

各個(gè)現(xiàn)場采集節(jié)點(diǎn)通過LONWORKS總線組成一個(gè)現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。用開發(fā)的LONWORKS-ETHERNET互連適配器把LON總線上采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為UDP格式，利用速度較高的工業(yè)以太網(wǎng)將其發(fā)送到上位同，再把上位下達(dá)的命令轉(zhuǎn)換為LonTalk協(xié)議的形式發(fā)給各個(gè)現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和底層各個(gè)現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)之間的通信。與以短訓(xùn)班采用昂貴的LON總線適配器的方法相比，這種方法既提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度又節(jié)省了方法費(fèi)用。上位機(jī)將現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)傳送上來的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)存進(jìn)MS-SQLSERVER2000數(shù)據(jù)庫，提供人機(jī)交互的界面，并完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的圖形化、格式化顯示，同時(shí)用傅立葉變、換（FT）和小波變換（WT）對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)既要接收上位機(jī)發(fā)出的采集命令，命令標(biāo)準(zhǔn)傳感器采集現(xiàn)場信號；又要把采集到的現(xiàn)場信號通過LON總線送到上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行處理。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1.1 節(jié)點(diǎn)組成

節(jié)點(diǎn)由神經(jīng)元芯片Neuron 3150、LONWORKS雙絞線、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、程序程序器、數(shù)據(jù)存儲器、十二位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD1674等組成。其中，3150神經(jīng)元芯片選用TOSHIBA公司生產(chǎn)的TMPN3150；FLASH ROM選用AT29C512；數(shù)據(jù)存儲器（RAM）選用 ISSI公司的IS61C256；Neuron 3150芯片與LON總線的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)接口選用Echelon公司的自由拓?fù)湫褪瞻l(fā)器FTT 10A，它是一種變壓器耦合收發(fā)器，可提供一個(gè)與雙絞線的無及性接口，且支持網(wǎng)絡(luò)的自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)通訊介質(zhì)采用最常用的雙絞線；A/D轉(zhuǎn)換芯片采用性價(jià)比較高的 AD1674芯片，其轉(zhuǎn)換精度為1/2LSB，轉(zhuǎn)換速率為100kSPS，具備三態(tài)輸出緩沖區(qū)。

2.1.2 存儲空間分配

Neuron 3150芯片片內(nèi)存儲器的地址范圍為E800H～FFFFH，包含2KB的RAM（E800～EFFF）、0.5KB的 EEPROM（F000～F1FF）、2.5KB的保留空間（F200～FBFF）和1KB的用于存儲器映像I/O的空間（FC00～FFFF）。外部擴(kuò)展存儲器的地址由Neuron3150的地址引腳和控制引腳來確定：給FLASH ROM分配的地址空間為0000～7FFF，其中，0000～3FFF 的16KB空間用于系統(tǒng)固件（Firmware），系統(tǒng)固件實(shí)現(xiàn)了LonTalk協(xié)議，4000～7FFF的16KB空間用于用戶程序代碼；給RAM分配的地址空間為8000～E7FF的24KB地址空間；將E000～E7FF的2KB地址空間分配為外部設(shè)備的內(nèi)存映像I/O的空間。

2.1.3 A/D轉(zhuǎn)換接口方案

本文在設(shè)計(jì)時(shí)曾考慮過使用Neuron芯片為A/D轉(zhuǎn)換電路提供串行I/O及并行I/O接口方式。然而串行I/O方式速度太慢；并行I/O方式實(shí)現(xiàn)起來需要占用Neuron芯片全部11個(gè)I/O接口，同時(shí)還要編程實(shí)現(xiàn)Neuron芯片的握手/令牌傳遞算法，開發(fā)費(fèi)用和難度比較高。因此本文將節(jié)點(diǎn)保留的E000～E7FF的2KB地址空間分配給A/D轉(zhuǎn)換芯片，作為AD1674的端口地址，采用內(nèi)存映像的方法直接讀取AD1674的數(shù)據(jù)。對于本設(shè)計(jì)而言，AD1674轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高8位地址為E002H，低4位數(shù)據(jù)地址為E003H。由于實(shí)現(xiàn)軟件沒有使用Neuron C的內(nèi)嵌函數(shù)，因此執(zhí)行速度得到大幅度的提升，實(shí)驗(yàn)證明，對同樣采用AD1674轉(zhuǎn)換芯片的節(jié)點(diǎn)而言，采用這種方法設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)，采集速度超過了其它兩種方法設(shè)計(jì)的采集節(jié)點(diǎn)的采集速度，而且節(jié)省了Neuron芯片的全部11個(gè)I/O引腳。