基于現場(chǎng)總線(xiàn)的水輪機組狀態(tài)監測系統

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

這里所說(shuō)的狀態(tài)監測實(shí)際上是對水輪機組眾多參數進(jìn)行的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測。水輪機組的參數較多，為了分析方便，對部分參數還需要進(jìn)行高速采樣。這樣，一個(gè)監測系統通常要由分布在不同現場(chǎng)位置的多個(gè)采集節點(diǎn)組成。各節點(diǎn)將大量的采集數據傳送到上位機，由上位機從多角度評估機組的運行狀態(tài)。采用全數字化通信的現場(chǎng)總線(xiàn)整合整個(gè)監測系統可以實(shí)現徹底的分散控制，抵抗各種干擾因素，簡(jiǎn)化系統的結構，提高數據傳輸效率。于是，本文設計實(shí)現了一種基于 LONWORKS現場(chǎng)總線(xiàn)的水輪機組狀態(tài)監測系統。

1 LONWORKS現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)

LONWORKS總線(xiàn)是美國Echelon公司推出的一種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。具有開(kāi)放性、高速性和互操作性；采用面向對象的設計方法，使網(wǎng)絡(luò )通信的設計簡(jiǎn)化為參數設置，降低了開(kāi)發(fā)難度；支持多種傳輸介質(zhì)，網(wǎng)絡(luò )容量可達32000個(gè)節點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )通信速率可達1.25Mbps/130m，直接通信距離可達 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)現場(chǎng)環(huán)境的措施，具有很強的抗干擾、抗振動(dòng)能力，適合于水電廠(chǎng)等較惡劣的工業(yè)環(huán)境。

在水輪機組狀態(tài)監測系統中，有幾十個(gè)現場(chǎng)數據采集節點(diǎn)，它們通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)將采樣結果傳送到距離較遠的上位機，并且數據通信頻繁?？紤]到 LONWORKS總線(xiàn)技術(shù)具有強大的強信能力，以L(fǎng)ON總線(xiàn)來(lái)組成系統的實(shí)時(shí)數據通信網(wǎng)絡(luò )，極大地簡(jiǎn)化了系統的通信軟、硬件設計，使數據的傳輸與通訊變得十分便捷。

2 系統構成

基于LONWORKS現場(chǎng)總線(xiàn)的水輪機組狀態(tài)監測系統由上位監控機和多個(gè)現場(chǎng)監測單元組成，其系統結構如圖1所示。

每個(gè)現場(chǎng)監測單元監測三個(gè)現場(chǎng)數據采集節點(diǎn)，現場(chǎng)數據采集節點(diǎn)的現場(chǎng)監測單元主要負責對現場(chǎng)數據進(jìn)行采集、存儲和傳送?，F場(chǎng)監測包括壓力監測；溫度監測；水位及油位等液位監測；水流量監測；機組振動(dòng)擺度監測、機組電氣監測、機組轉速及導葉開(kāi)度監測、效率監測；水淪機氣蝕監測；發(fā)電機氣隙監測；發(fā)電機絕緣監測；尾水管真空監測等。

各個(gè)現場(chǎng)采集節點(diǎn)通過(guò)LONWORKS總線(xiàn)組成一個(gè)現場(chǎng)監測網(wǎng)絡(luò )。用開(kāi)發(fā)的LONWORKS-ETHERNET互連適配器把LON總線(xiàn)上采集節點(diǎn)發(fā)送的數據轉換為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，再把上位下達的命令轉換為L(cháng)onTalk協(xié)議的形式發(fā)給各個(gè)現場(chǎng)節點(diǎn)，從而實(shí)現上位機和底層各個(gè)現場(chǎng)節點(diǎn)之間的通信。與以短訓班采用昂貴的LON總線(xiàn)適配器的方法相比，這種方法既提高了數據的傳輸速度又節省了方法費用。上位機將現場(chǎng)節點(diǎn)傳送上來(lái)的各種監測數據存進(jìn)MS-SQLSERVER2000數據庫，提供人機交互的界面，并完成實(shí)時(shí)數據的圖形化、格式化顯示，同時(shí)用傅立葉變、換（FT）和小波變換（WT）對數據進(jìn)行分析。

2.1 現場(chǎng)節點(diǎn)設計

現場(chǎng)節點(diǎn)既要接收上位機發(fā)出的采集命令，命令標準傳感器采集現場(chǎng)信號；又要把采集到的現場(chǎng)信號通過(guò)LON總線(xiàn)送到上位機，由上位機進(jìn)行處理。其結構如圖2所示。

2.1.1 節點(diǎn)組成

節點(diǎn)由神經(jīng)元芯片Neuron 3150、LONWORKS雙絞線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )收發(fā)器、程序程序器、數據存儲器、十二位A/D轉換芯片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；數據存儲器（RAM）選用 ISSI公司的IS61C256；Neuron 3150芯片與LON總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)接口選用Echelon公司的自由拓撲型收發(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(xiàn)的無(wú)及性接口，且支持網(wǎng)絡(luò )的自由拓撲結構；網(wǎng)絡(luò )通訊介質(zhì)采用最常用的雙絞線(xiàn)；A/D轉換芯片采用性?xún)r(jià)比較高的 AD1674芯片，其轉換精度為1/2LSB，轉換速率為100kSPS，具備三態(tài)輸出緩沖區。

2.1.2 存儲空間分配

Neuron 3150芯片片內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）。外部擴展存儲器的地址由Neuron3150的地址引腳和控制引腳來(lái)確定：給FLASH ROM分配的地址空間為0000～7FFF，其中，0000～3FFF 的16KB空間用于系統固件（Firmware），系統固件實(shí)現了LonTalk協(xié)議，4000～7FFF的16KB空間用于用戶(hù)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備的內存映像I/O的空間。

2.1.3 A/D轉換接口方案

本文在設計時(shí)曾考慮過(guò)使用Neuron芯片為A/D轉換電路提供串行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)現起來(lái)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Neuron芯片的握手/令牌傳遞算法，開(kāi)發(fā)費用和難度比較高。因此本文將節點(diǎn)保留的E000～E7FF的2KB地址空間分配給A/D轉換芯片，作為AD1674的端口地址，采用內存映像的方法直接讀取AD1674的數據。對于本設計而言，AD1674轉換數據的高8位地址為E002H，低4位數據地址為E003H。由于實(shí)現軟件沒(méi)有使用Neuron C的內嵌函數，因此執行速度得到大幅度的提升，實(shí)驗證明，對同樣采用AD1674轉換芯片的節點(diǎn)而言，采用這種方法設計的節點(diǎn)，采集速度超過(guò)了其它兩種方法設計的采集節點(diǎn)的采集速度，而且節省了Neuron芯片的全部11個(gè)I/O引腳。