CN201094096Y - 水轮机摆度嵌入式监视保护装置 - Google Patents

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方安平
刘桂兴
徐卫
吴冬明
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Abstract

水轮机摆度嵌入式监视保护装置，包括电源、多个功能模块、显示器和触摸屏控制电路构成，每个功能模块包括各传感器信号采集电路和信号输出处理电路、A/D转换电路和微处理器构成，设置在水轮机的各输入传感器信号连接每个功能模块的信号输入端；各个功能模块通过高速异步串行接口(UART)电路连接触摸屏控制电路，装置的功能模块输出端连接现场编程接口(14)电路、缓冲输出电路(17)、RS－485通信及远程编程电路(18)、4－20mA电流输出电路；通过RS－485连接上位计算机。

Description

水轮机摆度嵌入式监视保护装置
技术领域
本实用新型属于机械运行状况监测保护领域。涉及对机械振动的监视保护装置，尤其是水轮机摆度的监测与保护的装置，涉及嵌入式、计算机技术以及通信技术在水轮机、包括水泵的涡轮机械运行状况监测保护装置中的应用。
背景技术
水电机组机械振动、摆度(主要是一种低频振动)作为判断水轮机工况的重要参数，对水轮机(包括水泵的涡轮机械运行状况)进行实时监测和状态在线诊断是大中型水电机组的迫切需求.早期水电机组的机械振动、摆度测量一直停留在指针式仪表测量的基础上，不能满足要求。随着传感器技术和计算机技术发展的日新月异，对水电机组机械振动、摆度测量进行计算机实时监测及分析的条件也日趋成熟。现有采用PLC的旋转机械在线监测保护装置虽然在监测能力上得到提高，如中国专利200520072551.5提出了增加通道的PLC显示与控制装置，每路信号均设有独立的恒流输出及实时信号输出TMD，包括转速传感器、电涡流传感器、位移传感器、振动传感器，并设有相应转速信号处理电路、轴向位移信号处理电路及相应A/D转换电路、振动信号处理电路及相应A/D转换电路、行程信号处理电路及相应A/D转换电路。转速传感器连接转速信号处理电路，处理电路经计数电路连接PLC输入口，电涡流传感器的输出连接轴向位移信号处理电路，轴向位移信号处理电路中包括一差分放大器，传感器信号连接差分放大器的一输入端，差分放大电路的负输入端接可调分压电路，位移传感器连接行程信号处理电路，并设有触摸屏显示控制器，触摸屏显示控制器与PLC微处理器的接口相连接。但因为处理器速度、性能尚需要改进。
发明内容
本实用新型的目的是：提出一种水轮机摆度嵌入式监视保护装置，结合水电生产的需求，基于32位嵌入式处理器、实现了水轮机等水电机组机械振动、摆度测量及实时监测和数据分析、在线诊断的一体化。
水轮机摆度嵌入式监视保护装置，其特征是包括电源、多个功能模块、显示器和触摸屏控制电路构成，每个功能模块包括各传感器信号采集电路和信号输出处理电路、A/D转换电路和微处理器构成，设置在水轮机的各输入传感器信号连接每个功能模块的信号输入端；各个功能模块通过高速异步串行接口(UART)电路连接触摸屏控制电路，装置的功能模块输出端连接现场编程接口14电路、缓冲输出电路17、RS-485通信及远程编程电路18、4-20mA电流输出。通过RS-485连接上位计算机。显示器可采用彩色液晶显示触摸控制屏。
所述电源是二路冗余电源。所述每个功能模块输入的各传感器信号采集电路采用二通道冗余传感器监测的输入电路或三通道冗余传感器监测的输入电路取二通道输入数据的电路，传感器监测的输入电路先连接一继电器逻辑输出模块(进行三选二)后再连接功能模块。
●本装置选用了32位的嵌入式处理器作为检测装置的微处理器111，它有运算速度高，集成度高，内嵌RAM、FLASH存储器，多种总线接口，抗干扰能力强等特点，为提高仪表的性能提供了一个功能强大的硬件平台。
●本装置应用了源代码开发的嵌入式实时操作系统进行资源管理。系统软件中设计了装载器，辅助装置提供了外部在线编程ISP(in-System Programming)接口电路14，因此系统可以实现在线升级功能。用户或现场维护人员只要有一台具有RS-232串行接口的PC机，就可以很方便的在现场对装置进行软件升级、功能修改或故障修复，降低了用户的维修、使用成本。
●本装置应用十六位串行A/D转换芯片112来进行数据采集。其分辩率是通常使用十二位A/D转换芯片的16倍。高分辩率为高精度测量以及软件精度整定和校准提供了足够的分辩率；
●该装置可在线实时监测设备的工作状态，实时进行故障诊断与预报；
●该装置具有网络通信功能，上位机可以通过网络直接对装置进行控制、管理、组态和数据采集，进行信息交换；
本装置的工作原理如下：整个实用新型装置的软件使用多任务实时操作系统编程，由于采用了多任务操作系统，所以软件是分别由多个独立的任务完成。各任务间的信息传递由信号量、消息和信箱来完成。任务间的调度实行抢先机制，能最大可能的满足系统实时性的要求。
软件运行过程如下：微处理器LPC2114 111是一款自带FLASH程序存储器和静态RAM数据存储器的32位嵌入式CPU。其结构特别适用于工业自动化仪表。
上电后，运行过程如下图22。首先执行厂家内嵌的自举程序BOOTLOAD，并检查是否执行ISP(在线编程)功能。否则运行用户的启动代码。并进行硬件设备自检和系统初始化。在完成了建立各项用户任务后，启动任务将退出，所有的功能将由所建立的各项任务来完成。
功能模块数据采集任务图23完成现场测点参数的采集功能。此外，根据组态的设置状态将当前的测点参数与报警设置相比较，并判断是否设置报警标记。
功能模块保存数据任务图24。该任务平时处于等待消息的状态。当其它任务更改了组态参数时，需发消息通知该任务将已被更改的组态参数保存到外挂的EEPROM 113中，以被断电时不会丢失组态参数。
功能模块指令执行任务图25。该任务平时处于等待上位机通信指令的状态。当接收到指令后，将执行指令并发出应答信息。
附图说明
图1：本实用新型嵌入式水轮机摆度监测与保护装置系统结构图；
图2：本实用新型嵌入式功能模块框图
图3：本实用新型嵌入式功能模块_通讯接口电路
图4：本实用新型嵌入式功能模块CPU电路图；
图5：本实用新型嵌入式功能模块_前向通道信号量输入框图；
图6：本实用新型现场在线编程接口(外部电路)
图7：本实用新型嵌入式功能模块_通信及远程编程接口
具体实施方式
图1中，本实施由冗余电源和嵌入式摆度监测保护功能模块2114组成(以下简称嵌入式功能模块)。互为热备份的双冗余电源可以接收两路AC220V供电。功能模块也接收上位机的组态和数据巡检、采集命令。并提供通讯接口、彩色显示屏和四线电阻式触摸屏。用于现场显示和控制。图2中功能模块基本电路部份包括嵌入式处理器模块11、现场编程接口14、缓冲输出17、RS-485通信及远程编程18、4-20mA电流输出16、双通道模拟量输入12、双通道数字量输入13、报警及保护输出模块15等。
图4、6示：基本部分的电路的说明如下：嵌入式处理器模块图4中的CPU 111是LPC2114型，内含FLASH、RAM，分别用于保存程序及数据。LPC2114嵌入式CPU电路中，嵌入式处理器111，A/D转换器112；113-串行E2PROM；114-电源监视；通讯接口RS-4850112、RS-232 0114，网卡0113，缓冲器0115；光偶116。串行EEPROM113和16位A/D输入芯片112通过I2 C串行总线与LPC2114嵌入式CPU 111连接。电压监测电路114连接到LPC2114嵌入式CPU 111的复位端，提供电压监测和保护。图3中功能模块的现场在线编程14通过RS232驱动芯片141连接到外部上位机。RS232驱动芯片141将外部数据转换成TTL电平送到LPC2114嵌入式CPU 111的串口0[ISP1、ISP2]，从而实现在线编程和软件升级。
图5中双通道4-20mA电流输出电路16接收来自LPC2114嵌入式CPU的脉宽输出信号。来自传感器的输入线接到信号转换电路121的Ain1，经转换成电压信号后从Aout1输出，并从Ain2输入低通滤波电路122，经低通滤波后从Aout2输出，并从Ain3进入信号调理电路123，经信号调理电路123规范化的信号从Aout3输出送往A/D采集电路112的Ain0。键相脉冲输入电路，键相脉冲可由外部键相信号提供，也可以来自其它仪表或传感器。图7中通信接口电路中181是通讯芯片；光偶182、183、184。
本实用新型功能模块连接水轮机摆度(振动)传感器输入，也包括并联有轴温度、转速、轴振、轴向位移等输入通道的传感器输入的功能模块。

Claims (2)

1.水轮机摆度嵌入式监视保护装置，其特征是包括电源、多个功能模块、显示器和触摸屏控制电路构成，每个功能模块包括各传感器信号采集电路和信号输出处理电路、A/D转换电路和微处理器构成，设置在水轮机的各输入传感器信号连接每个功能模块的信号输入端；各个功能模块通过高速异步串行接口(UART)电路连接触摸屏控制电路，装置的功能模块输出端连接现场编程接口(14)电路、缓冲输出电路(17)、RS-485通信及远程编程电路(18)、4-20mA电流输出电路；通过RS-485连接上位计算机。
2.由权利要求1所述的水轮机摆度嵌入式监视保护装置，其特征是所述电源是二路冗余电源。
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