CN105629841A - 基于网络化水轮机组状态监测的节点设计 - Google Patents

基于网络化水轮机组状态监测的节点设计 Download PDF

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CN105629841A CN201610190166.3A CN201610190166A CN105629841A CN 105629841 A CN105629841 A CN 105629841A CN 201610190166 A CN201610190166 A CN 201610190166A CN 105629841 A CN105629841 A CN 105629841A
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王海伦
许大星
张露
柴国飞
黄晓刚
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
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Abstract

本发明公开了一种基于网络化水轮机组状态监测的节点设计，以ATmega8515单片机为核心，通过TLC2543转化芯片，将采集的信号转换成数字信号，传送给ATmega8515，同时存储在CY62256芯片中；再通过MAX485收发器和RS-485总线对信号传送。通过实验对该设计的测试和性能分析，实际结果表明：采用网络化水轮机组状态监测的节点设计，实现了水轮机组的数据采集，存储，转换和传输，从而完成了实时监测和远程监控，具有推广应用的价值。

Description

基于网络化水轮机组状态监测的节点设计
技术领域
本发明涉及一种水轮机组设备，尤其涉及一种基于网络化水轮机组状态监测的节点设计。
背景技术
我国水能资源是当前具备规模开发条件的第二大能源、第一大可再生能源，2011年中央“一号文件”第四条第4点把合理开发水能资源，作为全面快速水利基础设施建设重要目标之一，因此水能开发是未来15年我国能源发展的战略重点。对此作出研究是确保我国电力健康发展和国家能源环境安全的需要，也是电力投资者实现企业价值和社会价值和谐共赢的需要。
水轮机组是水电生产过程的核心设备，水轮发电机组的运行健康状况不仅关系到水电厂的安全还直接关系到水电厂能否向电网安全、经济地提供可靠的电力。因此需要实时监测水轮机组的运行状态，及时上报不在规定值内的参数，向工作人员反映当前状况，减少水轮机组因故障，而带来的设备损失，资源损失以及经济损失。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于网络化水轮机组状态监测的节点设计。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明包括现场节点、监测站、交换机、操作员站、工程师站、数据库服务器、Web服务器和防火墙，一个水轮机组上设置多个所述现场节点，安装于一个水轮机组上的多个所述现场节点与一个监测站连接，多个监测站通过所述交换机与所述工程师站、所述数据库服务器、所述Web服务器和所述防火墙连接。
进一步，所述现场节点由ATmega8515单片机、CY62256存储器、SN74LS373N锁存器、MAX485传输模块、TLC2543的模数转换器和AD586JN的芯片组成。
本发明的有益效果在于：
本发明是一种基于网络化水轮机组状态监测的节点设计，与现有技术相比，本发明不但提供了设备运行时明确的参数，还在设备故障时及时告警，节约寻找故障设备的时间，延长了设备的使用寿命，降低损失，对水轮机监测系统有重大的意义。
附图说明
图1是本发明的整体结构框图；
图2是本发明的现场节点电路原理图；
图3是本发明的现场节点流程图；
图4是本发明的串行通信流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示：本发明包括现场节点、监测站、交换机、操作员站、工程师站、数据库服务器、Web服务器和防火墙，一个水轮机组上设置多个所述现场节点，安装于一个水轮机组上的多个所述现场节点与一个监测站连接，多个监测站通过所述交换机与所述工程师站、所述数据库服务器、所述Web服务器和所述防火墙连接。该方案由过程层、监测层和站控层组成，采用了RS-485总线和以太网传输方式。网络化水轮机组状态监测的结构框图如图1所示，下位机有若干水轮机组和现场节点组成；上位机有站控层和检测层组成。在过程层中，为了提高传输数据的速度和实时性，RS-485总线根据水轮机组的数量进行分段，一个网段控制一台水轮机组，由数据采集节点从各水轮机组采集水轮机运行时的各种参数，通过MAX485收发器和RS-485总线传送到监测站PC上，一台PC对应一台水轮机组的运行状态监测；同时保存在数据库指定的位置，规定时间内不会删除；实现了在线监测。监测站的各PC机通过交换机将所有水轮机组运行时的参数和状态发送给站控层的各个PC机和服务器，由于Web服务器能向外传输信息，由此通过Internet将所采集的水轮机组信息发送给其他服务器和PC机，从而实现远程监控。
如图2所示：所述现场节点由ATmega8515单片机、CY62256存储器、SN74LS373N锁存器、MAX485传输模块、TLC2543的模数转换器和AD586JN的芯片组成。现场节点主要负责采集和传输水轮机组运行时各个参数，包括机组转速监测、水轮机各泵的控制液位监测、水轮发电机各部温度监测，发电机各油位及水位监测，轴向振动及摆度监测、电气量监测、压力监测等。所采集的信号包括模拟量输入、开关量输入、模拟量输出、开关量输出。节点把采集的数据信息经RS-485总线传送到监控站的PC机上。
现场节点以ATmega8515单片机为核心，以下是单片机的I/O口线的分配：
1)端口PA的PA.0-PA.7作为地址数据复用总线与锁存器SN74LS373N的1D-8D相连，同时通过总线将数据传送至存储器CY62256的I/O0-I/O7。ALE作为锁存允许信号与74LS373的EL引脚相连。
2)端口PC的PC.0-PC.6将数据写入CY62256芯片，由A8-A14地址线指定的位置。PC7控制/CE有效性。
3)PB3控制信号的发送和接收，端口PD的PD.0和PD.1分别作为RXD和TXD，用于单片机与上位机进行无线通信时，与收发模块的对应引脚相连。
处理模块
处理模块以ATmega8515单片机为核心。ATmega8515单片机是Atmel公司推出的基于增强RISC结构、高性能、低功耗的8位AVR微控制器[3]。其内核具有130条指令、35个通用I/O口、32通用工作寄存器、主机/从机模式的SPI串行接口、64K字节外部可选存储器空间和两个不同功能不同位定时器/计数器，具有丰富的硬件资源。这种结构提高了代码运行效率，是普通CISC微处理器数据吞吐率的10倍，因此提高了数据采集的速度。由于水轮机组现监测的现场节点需要采集大量数据，ATmega8515单片机内部容量不能满足需求，因此使用CY6625芯片，扩展了32K字节的数据存储。
转换模块
转换模块使用串行AD转换的TLC2543芯片。TLC2543是TI公司推出的12位串行模数转换器，采用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程，并通过主从双工方式，将信号送到ATmega8515单片机上。由于采用11个模拟输入通道，节省了单片机I/O资源，且分辨率较高，广泛的应用于仪器仪表中。
传输模块
传输模块采用MAX485芯片与RS-485完成信号的接收和发送。MAX485内部具有一个驱动器和一个接收器。不对芯片驱动器的摆率进行限制，使传输速率达到了2.5Mbps，因此提高了数据的传输速度。驱动器还具有短路电流限制的功能，为了防止过度的功率损耗，可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态。当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出。因此接收器输入具有失效保护特性。因此可以可靠的将数据传送到RS-485总线上[4-5]。
通信模块
在水轮机监测系统中，需要解决多站、远距离通信的问题，所以本系统采用RS-485串行接口标准。上位机标准串行接口经RS-485转换电路将电平转换为RS-485标准电平，与下位机通信；下位单片机的串行信号通过MAX485芯片将TTL电平转换为RS-485标准电平，实现网络通信。
节点的工作流程设计
水轮机运行时的各个参数通过现场节点的ATmega8515单片机USART同步异步串行接口，将数据存储在存储器中。为了满足多机通信的需求，UCSRA设置MPCM位；当MPCM＝0，接收机接收地址帧和数据帧；当MPCM＝1，接收机接收地址帧并对字符帧进行过滤。由于每个水轮机组不断要上报数据，为了防止单片机内部存储不够，扩展了CY6625芯片，增加了32K字节的数据存储。再通过TLC2543转换芯片完成模拟信号转换为数字信号的功能，使用SPI方式将信号传送给ATmega8515。ATmega8515单片机通过MAX485芯片将数据送到RS-485总线，再传送到监测层。
ATmega8515单片机通过C语言控制现场节点的运行。ATmega8515发出采集数据命令，单片机通过节点从水轮机组采集所需要的数据，通过TLC2543芯片将信号转换为数字信号，并存储在外部存储器中；同时返回给单片机，通过内部比较，判断数据是否在规定值内。若在规定值内，不上传数据；若不在规定值内，告警并上传给上位机。图3是现场节点的流程图。
监测层通过控制数据的采集和通信完成水轮机状态监测。监测站是一台高性能的工控PC机，通过RS-485与下位机各个现场节点相连，通过交换机机与上位机的站控层各服务器和PC机相连，因此上下位机的通信通过RS-485总线和交换来实现。为了完成监测站IPC的串口与ATmega8515单片机的串行多机通信，要求它们的通信协议与数据格式必须一致。再通过交换机传输到站控层，实现远程监控与控制。监测层的监测站采集现场节点水轮机运行时的各个参数，程序流程图如图4所示。
测试与分析：
为了验证设计方案的可行性，组建了现场节点，进行测试，得到以下参数。
如表1是可以检测到3号水轮机组各部分的温度，该数据信号会与设定的数据进行比较，判断是否在规定范围内；如果在规定值内，则不上传传数据；如果不在规定值内，则向上位机传输数据，并告警。如表1、表2所示。由此可见，本节点设计方案能较好的完成水轮机组运行时数据的采集、转换和通信。
表13号水轮发机组采集的温度
表23号水轮机组传输的温度
总结：
本发明给出了网络化水轮机组状态监测节点的设计方案，与传统的水轮机监测系统相比，本设计节点采用ATmega8515单片机、串行AD转换的TLC2543芯片、低功耗收发器MAX485芯片，完成了水轮机组远程监测。实验结果表明，在实际运行中，不但提供了设备运行时明确的参数，还在设备故障时及时告警，节约寻找故障设备的时间，延长了设备的使用寿命，降低损失，对水轮机监测系统有重大的意义。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种基于网络化水轮机组状态监测的节点设计，其特征在于：包括现场节点、监测站、交换机、操作员站、工程师站、数据库服务器、Web服务器和防火墙，一个水轮机组上设置多个所述现场节点，安装于一个水轮机组上的多个所述现场节点与一个监测站连接，多个监测站通过所述交换机与所述工程师站、所述数据库服务器、所述Web服务器和所述防火墙连接。
2.根据权利要求1所述的基于网络化水轮机组状态监测的节点设计，其特征在于：所述现场节点由ATmega8515单片机、CY62256存储器、SN74LS373N锁存器、MAX485传输模块、TLC2543的模数转换器和AD586JN的芯片组成。
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