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一種新型的基于現(xiàn)場總線的水輪機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)
摘要：在介紹LONWORKS現(xiàn)場總線技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于LONWORKS現(xiàn)場總線水輪機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對運行中水輪機組的各種參數(shù)進行在線監(jiān)測，為綜合評估機組的狀態(tài)、分配機組故障隱患、實現(xiàn)狀態(tài)檢修提供良好的基礎(chǔ)。給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和主要硬件的設(shè)計、報文傳輸協(xié)議和系統(tǒng)通信軟件的設(shè)計以及故障診斷的實例。關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測 LONWORKS 神經(jīng)元芯片
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)進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障征兆，做到“事前檢修”是工程界夢寐以求的理想，也是大型電站機組檢修的發(fā)展方向。實時狀態(tài)監(jiān)測可以減少機組停機時間，提高利用率。
這里所說的狀態(tài)監(jiān)測實際上是對水輪機組眾多參數(shù)進行的實時在線監(jiān)測。水輪機組的參數(shù)較多，為了分析方便，對部分參數(shù)還需要進行高速采樣。這樣，一個監(jiān)測系統(tǒng)通常要由分布在不同現(xiàn)場位置的多個采集節(jié)點組成。各節(jié)點將大量的采集數(shù)據(jù)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(shù)字化通信的現(xiàn)場總線整合整個監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(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)計實現(xiàn)了一種基于LONWORKS現(xiàn)場總線的水輪機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。
1 LONWORKS現(xiàn)場總線的技術(shù)特點
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)計方法，使網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計簡化為參數(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32000個節(jié)點，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直流隔離變壓器進行隔離等適合于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的措施，具有很強的抗干擾、抗振動能力，適合于水電廠等較惡劣的工業(yè)環(huán)境。
在水輪機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，有幾十個現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點，它們通過現(xiàn)場總線將采樣結(jié)果傳送到距離較遠的上位機，并且數(shù)據(jù)通信頻繁�？紤]到LONWORKS總線技術(shù)具有強大的強信能力，以LON總線來組成系統(tǒng)的實時數(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，使數(shù)據(jù)的傳輸與通訊變得十分便捷。
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2 系統(tǒng)構(gòu)成
基于LONWORKS現(xiàn)場總線的水輪機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由上位監(jiān)控機和多個現(xiàn)場監(jiān)測單元組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
每個現(xiàn)場監(jiān)測單元監(jiān)測三個現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點的現(xiàn)場監(jiān)測單元主要負責(zé)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集、存儲和傳送。現(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；機組振動擺度監(jiān)測、機組電氣監(jiān)測、機組轉(zhuǎn)速及導(dǎo)葉開度監(jiān)測、效率監(jiān)測；水淪機氣蝕監(jiān)測；發(fā)電機氣隙監(jiān)測；發(fā)電機絕緣監(jiān)測；尾水管真空監(jiān)測等。
各個現(xiàn)場采集節(jié)點通過LONWORKS總線組成一個現(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，再把上位下達的命令轉(zhuǎn)換為LonTalk協(xié)議的形式發(fā)給各個現(xiàn)場節(jié)點，從而實現(xiàn)上位機和底層各個現(xiàn)場節(jié)點之間的通信。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)省了方法費用。上位機將現(xiàn)場節(jié)點傳送上來的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)存進MS-SQLSERVER2000數(shù)據(jù)庫，提供人機交互的界面，并完成實時數(shù)據(jù)的圖形化、格式化顯示，同時用傅立葉變、換（FT）和小波變換（WT）對數(shù)據(jù)進行分析。
2.1 現(xiàn)場節(jié)點設(shè)計
現(xiàn)場節(jié)點既要接收上位機發(fā)出的采集命令，命令標準傳感器采集現(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，由上位機進行處理。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.1.1 節(jié)點組成
節(jié)點由神經(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，可提供一個與雙絞線的無及性接口，且支持網(wǎng)絡(luò)的自由拓撲結(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～FFF
FH，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)計時曾考慮過使用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方式實現(xiàn)起來需要占用Neuron芯片全部11個I/O接口，同時還要編程實現(xiàn)Neuron芯片的握手/令牌傳遞算法，開發(fā)費用和難度比較高。因此本文將節(jié)點保留的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，實驗證明，對同樣采用AD1674轉(zhuǎn)換芯片的節(jié)點而言，采用這種方法設(shè)計的節(jié)點，采集速度超過了其它兩種方法設(shè)計的采集節(jié)點的采集速度，而且節(jié)省了Neuron芯片的全部11個I/O引腳。
3 系統(tǒng)通信程序的設(shè)計
3.1 現(xiàn)場節(jié)點通信程序
現(xiàn)場節(jié)點向上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)首先發(fā)送到LONWORKS-ETHERNET互連適配器，該適配器實際上是一個特殊的LONWORKS節(jié)點，它把接收到的LON總線上的數(shù)據(jù)用UDP封裝，然后通過以太網(wǎng)發(fā)送到上位機。
圖3
LONWORKS網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點之間的通信方式主要有兩種方式：網(wǎng)絡(luò)變量和顯式消息。使用網(wǎng)絡(luò)變量不必考慮消息的打包、發(fā)送以及接收問題，可以大大簡化編程，縮短應(yīng)用開發(fā)周期，但每個周期變量的數(shù)據(jù)長度一經(jīng)確定就不能改變，且最多只有31字節(jié)。而顯式消息的數(shù)據(jù)長度則是靈活可變的，最長可以是228字節(jié)，但實現(xiàn)方法更為復(fù)雜。鑒于水輪機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求較高，同時需要提高足球場采集數(shù)據(jù)的上傳速度，因此希望每一次傳送的報文包含盡量多的數(shù)據(jù)，因而在設(shè)計中采用顯示消息的方式實現(xiàn)與上位機的通信，每個顯式消息報文攜帶134個字節(jié)的數(shù)據(jù)，其中的128個字節(jié)為傳送的數(shù)據(jù)，另外6個字節(jié)為附加信息。報文的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。
顯示報文的初始化和發(fā)送部分的實現(xiàn)程序如下：
初始化節(jié)點地址
#include<ADDRDEFS.H> 所需頭文件
#include<ACCESS.H>
#include<MSG_ADDR.H>
domain_struct mydomain; //定義域結(jié)構(gòu)
mydomain=*(access_domain(0));//讀節(jié)點域表
mydomain.subnet=0; //設(shè)置節(jié)點子網(wǎng)號
mydomain.node=5; //設(shè)置節(jié)點號
update_damain(&mydomain,0); //寫節(jié)點域表
發(fā)送數(shù)據(jù)報文
msg_tag test_out; //聲明報文標簽
msg_out.tag=test_out; //傳遞報文標簽
msg_out.dest_addr.snode.node=0; //定義目的地址節(jié)點號
msg_out.dest_addr.snode.subnet=0; //定義目的地址子網(wǎng)號
msg_out.code=0x0c; //定義報文碼
msg_out.service=ACKD; //定義報文服務(wù)類型
msg_out.dest_addr.snode.type=1; //定義目的節(jié)點類型
memcpy(msg_out.data,a0,nLength);//填充報文內(nèi)容
msg_send();//發(fā)送報文
在初始化程序中，用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)domain_struct定義節(jié)點的子網(wǎng)號、節(jié)點號，即設(shè)置節(jié)點在LON總線上的地址。在發(fā)送程序中利用msg_out結(jié)構(gòu)構(gòu)造報文，其中，目的地址指向適配器。顯示報文的接收程序與發(fā)送部分類似，不再多述。
3.2 上位機通信程序
上位機與現(xiàn)場節(jié)點通訊的數(shù)據(jù)通過適配器轉(zhuǎn)發(fā)，適配器的IP必須事先指定。上位機利用msg_out變量（如前所述）創(chuàng)建顯示報文，將目標節(jié)點的地址、需要改變的參數(shù)或要下達的命令填充到該變量中，然后用UDP封裝該變量，通過以太網(wǎng)發(fā)往適配器；適配器解析上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)包，得到顯示報文，將該顯示報文直接向相應(yīng)的節(jié)點發(fā)送。同樣，適配器也將現(xiàn)場節(jié)點發(fā)來的顯示報文通過UDP封裝后發(fā)往上位機，上位機解包后根據(jù)節(jié)點等信息將數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，等待后后續(xù)的信號處理模塊和故障診斷模塊調(diào)用。
4 故障診斷
系統(tǒng)采用連續(xù)小波變換對采集的信號進行處理，通過變換結(jié)果進行故障診斷。下面以采集到的水輪機的主軸上導(dǎo)Y軸方向徑向擺度信號（圖4）的數(shù)據(jù)為例說明通過小波變換進行故障診斷的結(jié)果。
選用消息矩為4的雙正交樣條小波，在[1:1:48]的尺度上對時域信號進行連續(xù)小波變換。圖5為擺度信號的小波系數(shù)在尺度一時間上的三維圖形表示。從圖中可以明顯看出周期性出現(xiàn)的四條模極大值曲線，且總是第三條斜率較小，而正常情況下三維圖中將出現(xiàn)平穩(wěn)的錐全，這說明這些點的奇異性較強。事實上這正是由于水輪機主軸滑動摩擦造成的。通過設(shè)置閾值算法得到小波的模極大值曲線，如圖6所示。兩條模極大值曲線的相交點即可以精確地指向故障點。
本文結(jié)合水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測的實際需要，研究開發(fā)了一種基于LONWORKS現(xiàn)場總線技術(shù)的水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，完成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點的軟硬件開發(fā)，設(shè)計了系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的報文協(xié)議和通信軟件。系統(tǒng)上位機軟件利用MS-SQLSERVER2000數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，通過小波變換初步實現(xiàn)了故障診斷。
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