（检测技术与自动化装置专业论文）燃气发电机组在线监测系统的研究与实现.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 我国目前已成为能源进口大国，随着圈民经济的飞速发展，对油、电等基础能源的需求仍在急 速增长。我国西部地区和东南领海蕴藏着丰富的天然气资源，而随着钢铁、采煤、焦化、酿酒、养 殖等产业的发展，每年又会产生大量可燃气体；这就为以各种可燃气体为动力的燃气发电机组的推 广虚用提供了广阔的市场。 目前我困国产的燃气发电机组的自动化水平较低，其测控仪表仍以模拟指针式仪表为主，精度 差、调试和调整困雉，无法实现功率、电气参数和排放指标等的综合最佳调节，迫切需要研制与燃 气发电机组配套的智能化程度高的自动测控系统。 本课题是受江苏启东宝驹动力机械厂的委托，为该厂牛产的2 0 0 7 0 0 千瓦燃气发电机组配套设 计和研制新型自动测控系统。 本人在学位论文工作期间完成了该新型自动测控系统的总体方案设计，系统功能的分解，制定 本系统的现场总线协议，设计和研制基于高性能的a r m 9 嵌入式微处理器的主控平台、包含4 0 路 模拟信号通道的数据采集板以及包含2 l 路：? 值逻辑信号的开关量测量板。目前已完成和通过r 实 验室联机调试。 【关键词】分布式系统现场总线a r m 在线检测燃气发电机 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c l l i n ah a sb e e nam a i ni m p o r t c ro fe n e 唱ys o u r c e sp r e s e n t l ya 1 0 n gw i t hm er a p i dd e v e l o p m e n to f m d o n a le c o n o m y ，d e n m n d so fe l e m e n t a le n e 赡ys o u r c e ss u c ha sp e t r o l e u ma n de i e c t d c i t yg r o ws h a r p l y s i n c ew e s t 咖r e 百o i l sa n ds o u t h e a s t e r n 眦r g i n a ls e ao f0 u rc o u n t r ya r ea b u n d a n ti nn a t u r a lg a sr e s 叫r c e s ， a n df u n h e r m o r c ，a 掣e a tv o l u m eo fc o m b u s t i b l eg a si sp r o d u c e da n 肌a 1 1 yd u et ot h ed e v e l 叩m e mo fi r o n a n ds t e e lm a h n g ，c o a le x c a v a n n 舀c 幽n g ，v i n t a g ea n db r e e d i n gi n d u s t r y ，v a s tm a r k e ts p a c ew a sa v a i l a b l e f o re x t e n d i n g ( h ea p p l i c a t i o n0 fg a s 萨n e r a t o rs e t sw i mc o m b u s t i b l eg a sa sp o w e r a tp r e s e m ，t h ea u t o m a t i o nj e v e lo fh o m c m d eg a sg e n e r a t o rs e t si si n f e r i o r b e c a u s et h e1 1 1 e a s 州n g a n dc 哪d li n s t n l m e n t sa r em o s t l yb a s e do na n a l o gt e c h n o l o gy w h i c hi sb a di np r e c j s i o n ，i n c o n v e i l i e n c e i nd e b u ga n da 由u s t ，a n di i n p o s s i b i l i t yi nr e a l i z a t i o n0 fs y n t h e 位a la n do 曲i i l i z e dr e g u l a t i o no fp o w e r ， e l e c m c a lp a r a r m t e r sa n dc o n t a i i l i i l a i i 帆e i n i s s i 邮g u i d el i i l e ，s ot h ed e r r i a n do fd e s i g l l i n g1 1 i g l l i yi n t e l l i g e m a u t o m a t i cr r i e a s u r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mf b rg a sg c n e r a t o rb e c o 啦sa nu r g e n c e t h em a j o rt a s ko ft “sp r o j e c ti st or e s e a r c ha n dd e s i g nan e w 。t y p ea u t o 1 a n cr n e a r s u r i n ga n dc o m r o i s y s t e mf o r2 0 0 一7 0 0 k wg a sg e n e r a t o rs e tp r o d u c e db yq i d o n gb a o j uf 、a w e rm a c h i n ec o r p o r a t i o nw h o i s a l s 0t h ec o n s t i t u e mo fn l ep r o j e c t t h ed e s i g nw o r ko fo v e r a l ls c h e i n e ，如n c t i o nd i v i s i o n ，f i e l d b u sp r o t o c 0 1d r a 崩n g ，i m j np l a t f ( m b u i l d i n gb a s e do n 蛐g h - p o w e r e da r m 9e m b e d d e dm p u ts i g i l a lm e a s u r i n gm o d u l e s w i t h4 0 黝l o gs i g n a l c h a 衄e l sa n d2 ld i 百“s i g n a lc h a 彻e l sf o rt 1 1 en e w - t y p eg a sg e n c r a t o rs e th a v eb e e nc o m p l e t e dd u r i n gt h e p r o c e d l l r e0 fi n yt h e s i sw o r kt h ew h o l es y s t e mh a sp a s s e do n l i n ed e b u g 画n ga n dv e r i n c a 虹o np r o c e d u r ei n l a bu p t o t h ep r e s e n t 【k e y w o r d s 】d i s 砸b u t e ds y s t e m ，f i e l d b u s ，a r m ，0 1 1 l i n et e s t ，g a sg e n e r a t o r u 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书l 面使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：缝 日期：型! 鱼：三：望 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 r 文档，可以采用影e 、缩印或其他复制手段保存论文。木人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊臀) 论文的全部或 部分内容。沦文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：! 盛玉 导师签名 东南大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源与意义 1 1 1 国内外能源经济现状与需求分析 自第一次工业革命始，工业化的发展进程就是能源不断加速消耗的过程。目前，世界能源消耗 的3 2 来自石油，2 5 为煤炭1 7 为天然气。据预测，到2 0 2 0 年世界的能源消耗将比1 9 9 5 年的 需求量增长倍，i 上述资源已呈现供不应求的态势。据有关统计材料表明，按照目前已掌握的埋 藏量，地球上的石油仅可咀再开采7 0 余年，其它常规能源资源也逐渐告罄”j 。 上世纪9 0 年代初期，中国的能源供应尚能维持自给自足。但是专家总结：中国的能源资源存在 四大问题：( 1 ) 能源产地大部分位于西部和中部，而人口和工业中心却位于沿海地区并耗用总产量 的6 0 以上。能源的远距离输送大大增加了使用成本，我国目前仪运输煤就占用了4 0 的全国铁路运 输量；( 2 ) 能源使用率偏低，能源浪费严蕈。由于技术工艺相对落后，国内大多数矿业石化等支柱 产业与发达国家同类行业相比具有高能耗、低能效的特点，据估计平均多消耗3 0 9 0 的能源；( 3 ) 对煤过分依赖，煤燃烧对环境的污染相当严重：( 4 ) 贫矿多、富矿少，资金缺乏，开采圉难。中国 月前进入了经济高速发展的阶段。在加入w t o 的大环境f ，大量各种规模的制造产、世的发展促进了 g d p 快速增长，但是与此| - j 时也扩大了能源需求的缺口，导致近年来许多沿海发达地区频频卅现 能源紧缺的现象，电力短缺导致大量企业1 i 得不在用电高峰时拉闸限电，南此造成了巨大的经济损 失，也影响了国民经济健康发展。目前我国己成为继美国之后世界第二大石油消费国，随着国民经 济的持续发展，时国外油气资源的依赖将愈发严重，将影响和制约国家的发展。 日| j 订，我国大多数城市存在能源结构不合理的缺陷：煤炭消耗所占比例过高，天然气消费不足， 清洁能源的比重更低。我国2 0 0 4 年的电煤紧缺，即充分反映了我国以煤为主的能源结构现状，；5 乏对运 输能力严重依赖的局面。为了缓解东西部能源供应的不平衡和作为供不应求的油煤资源的重要补充， 我围政府存十五期问建设的“西气东输”“西电东送”工程已投入实际运作，可汉使我国沿海地区 建立起多元化的能源供应体系以及确立合理的能源消费模式，使天然气在我国能源经济结构中的比 重逐渐扩大，从而产生巨大的经济和社会效益。 在工q k 化的进程中，大量自然资源被消耗的同时，也给我们的生态环境带来了难以弥补的损害。 科学界普遍认为，人类活动于 放的二氧化碳等温室气体是导致全球变暖的主要原因，而工业发达国 家的排放量占全球总量的6 0 以上。虽然1 9 9 7 年通过的京都议定书为发达国家确定了减少温 室气体排放的目标，但一些同家为维护本国经济利益迄今仍拒绝批准该泌定书，全球环境保护的前 景不容乐观。我国的环境保护问题同样棘手，以煤为主的不合理的能源结构带来的问题之一就是酸 雨，燃煤发电厂是污染环境最大的根源。我国二氧化硫年排放量大大超出环境自净能力，近l ，3 国 土遭酸雨严莺污染，对牛态环境和人体健康造成恶劣影响造成的损失超过1 1 0 0 亿元。耍切实保护 环境，实施可持续发展战略，就必须努力改变以燃煤为主的能源供应结构。 1 】2 燃气发电技术的前景与意义 在能源紧缺的同时，一些宝贵的气体能源资源还没有被人们充分认识和有效利用，例如沼气、 伴生天然气、煤矿瓦斯气、水煤气、发生炉煤气、焦化煤气、高炉煤气以及化工生产中释放的如一 氧化碳、甲烷、乙炔和氯气等可燃气体，大部分都被直接对空排放或点火燃烧，不仅造成巨大的资 源浪费和环境污染，而且存在安全隐患。解决j ：述矛盾的最行之有效的方法之一就是大力发展以上 述气体为能源的燃气发电事业。充分利用以往直接放空的这些可燃性气体，将其作为燃气发电机组 的燃料进行发电，不仅有利于我国能源结构的调整，缓解电能紧缺的现状，同时有利于减少环境污 染，可谓一举多得。 燃气发电技术在许多应用领域展现瞰其巨大的发展潜力。其中应用最多的是天然气、煤层气、 东南大学硕士学位论文 焦炉煤气、高炉煤气和沼气发电。 图家能源结构调整的一个重点就是扩大天然气的使用比例。与煤和石油相比，天然气的燃烧过 程产生的污染物很少，属于清洁能源：使用天然气代替煤燃烧来发电符合我国可持续发展的宏伟战 略目标。此外，在油田集输过程中每年都有大量的伴生天然气白自放空，利用这部分天然气进行发 电，能很好的解决资源浪费和环境污染问题，还能作为油田的备用能源供应。另外，我国拥有丰富 的煤层气资源，蕴藏量达3 0 3 5 万亿立方米，居世界第三位。开发利用煤层气具有改善煤矿安全和 增加新能源的双重效益，而且我国煤层气资源在地域分布上与天然气有很好的互补性可以作为天 然气的有力补允。此外，焦炭制取的副产品焦炉煤气属于高热值气体，是优良的燃料。据不完 全统计，国内焦炉煤气产量约2 0 0 3 0 0 亿立方米，接近全国天然气的总产量，且还将继续增长。随 着“西气东输”工程的实施，国内目前管道煤气中3 0 4 0 将被管道天然气取代，这就为焦炉煤气 发电提供了前所未有的机遇。相似韵，高炉煤气是高炉炼铁生产时的废气，其可燃成份以一氧化碳 为主，属于低热值气体。根据资料显示，国内高炉煤气除去很小部分己民用外，其余直接排放掉可 利用的达3 0 0 0 亿立方米，市场潜力同样巨大“。 沼气是有机固体垃圾和污水在微生物分解作用下的产物，其主要成分是甲烷。目前我国大中城 市的垃圾填埋场的日处理能力都上千吨总填埋库容达数千万立方米，同时还有1 0 0 0 多万座沼气池。 生活垃圾的处理一直是城市发展的痼疾，随着城市规模的护大，不仅需投入巨额资金，同刊还占用 宝贵的土地资源，不断排放的沼气也是大气污染源之一，还极易引发安全事故。利用垃圾沼气发电， 不仅能将其转换为巨大的经济利益回馈社会，而且同时解决了环境污染和安全隐患的多重社会问题。 综上所述，燃气发电技术是排空可燃气体资源综合利用的最有效途径，不仅可充分利用气体能 源资源，同时燃气发电机组运行所产生的余热还可以提供热水和蒸汽，也呵以带动溴化锂机组来进 行制冷，构成热电冷j 联供系统，使资源利用率达到最大，因此拥有广阔的发展空间，市场前景看 好。在可持续发展战略上，我国已提出走重质量、高增长、高效益、低能耗，环境污染代价尽可能 小的发展道路，实行节能优先、结构多元、环境友好和市场推动的方针，确保到2 0 2 0 年经济总量比 2 0 0 0 年翻两番而能源消耗仅翻一番的目标，而充分利用燃气发电技术的优势，是落实可持续发展战 略的有效手段之一。 1 2 燃气发电机组的类型与特点 在不同的应用环境。p 适用不同类型的燃气发电机组。燃气发电机组包括燃气机动力部分和发电 机部分，且不l 司技术类型的燃气机组主耍区别在丁前者，目前技术较为成熟且广泛使用的有三种： 燃气锅炉汽轮机、燃气轮机和内燃式往复式燃气机。一般来说，装机容量在2 5 m w 以上的发电设备 首选燃气轮机( 即航空发动机) ；容量在l 1 0 m w 范围时，燃气轮机的绝对优势不大明显。目前3 5 m w 容量以下的发电设备，内燃式燃气机组和柴油机占主导地位”1 。本课题的应用对象便是内燃式燃气 发电机组。表1 1 比较了三种燃气发电机组使用天然气为燃料时的性能。 表1 1 三种燃气发电机组性能对比( 天然气) 发电机组发电量投资优点缺点效率 类型 ( k w i l ，r 一)( 元，k w ) 燃气锅炉 l 1 54 0 0 0 技术成熟占地面积大，投资大， 最低 汽轮机组 4 5 0 0 电站运行人员多，开 停机不方便 燃气轮机 2 33 0 0 0 占地面积小，技术比运行费用高，对运行较低 绀 较成熟，开停机方便人员要求高 内燃式燃 4 2 5 0 0 占地面积小，运行费容量偏小效率 气机组 2 8 0 0 用低，技术现已成熟最高 2 东南大学硕士学位论文 燃气轮机具有结构简单，发电效率高和适合热量回收等特点，所以在大型燃气发电项目中广泛 使用。大部分小型燃气轮机发电设备采用简化循环的运行模式，很少有2 5 m w 以f 的小型联合循环 系统，5 m w 以下d 】于成本居高4 i 下而效率r 降，因此市场份额较小。 内燃往复式发电机组作为一种低成本的设备具有较强的市场竞争力。在过去的近十年间，由于 其在成本、效率、町靠性和废气排放等方面取得了技术上的长足进步，因此大大拉开了与传统使用 的柴油发电机的优势距离，实现了用户数的快速增长。以往较多采用的柴油发电机组具有体积重量 大、结构复杂、维护难、可靠性低和噪声大等缺点，与此相比，燃气发电机组具有输出功率范围广( 几 十千瓦至几万千瓦) 、启动和运行r 靠性高、发电品质好、重量轻、体积小、维护简单等诸多优点。 燃气发电机组的原动机部分，初期主要是用柴油发动机改装而成的，即在原发动机的基础上加装进 气系统和点火系统。随着气体燃料发动机技术的不断发展，国内外许多厂家己按此种发动机的特点 重新进行了设计。 现有的燃气发电机组与柴油发电机组相比，其原动机在主要结构上存在以下差异： ( 一) 点燃混合气的方法不同。柴油机是柴油在活塞压缩终点前高压喷入气缸，当混合气压绵升温 至自燃温度，混合气即着火自燃产生高温高压膨胀做功，属于压缩内燃机。燃气发动机是燃气从进 气管进入气缸，活塞压缩终点前由火花塞高压放电点火，使混合气起燃对外做功的，属于火花点火 式发动机； ( 二) 混合气形成方法不同。柴油机在汽缸内部形成混合气，燃气发动机则兼有缸内和缸外两种混 合方式； ( 三) 负荷调节方法不同。柴油机属于质调节发动机，即根据负荷变化，只调节燃料量来改变混合 气成分的方式。燃气发动机常规都是采用量调节方式，即混合气成分保持不变只改变混合气的量， 同时也有采用质调节的机型。 本课题的项同合作方肩东市宝驹动力机械厂经过十几年的研制开发，其生产的1 9 0 系列2 0 0 7 0 0 k w 无刷交流内燃式燃气发电机组具有自主知识产权，采用了领先的稀薄燃烧技术和燃气控制技 术，从根本r 解决r 同类燃气发动机排温高、可靠性差、热效率低等不足，并可广泛应用天然气、 沼气、水煤气、焦化煤气、煤矿瓦斯气等多种不同热值气源，显示出旺盛的生命力和良好的市场前 景。 1 3 国内外燃气发电机组自动化技术发展状况与趋势 以天然气等可燃性气体作为发动机燃料在世界上已有l 加多年的历史，世界上最早使用的内燃 机就是燃气发动机。1 8 6 0 年法国人莱诺尔( k n o i r ) 仿蒸汽机制成了第一台以煤气作为燃料的发动 机，德国人奥托十1 8 7 6 年发明了按等容燃烧的四冲程煤气机，使燃气发动机真正走向了实用阶段“。 目前世界各国燃气发动机的水平相差较大。发达国家因起步早且借助成熟的柴油机和汽油机技 术，燃气发动机技术得到飞速发展。美困的卡特彼勒、瓦克夏、底特律公司，法国瓦西兰公司，德 围道依茨、m a n 公司，奥地利延巴赫公司，瑞i 苏尔寿公司等世界著名的发动机制造公司均投入 大量人力物力研究和生产燃气发动机，技术水平已达到相当完善的程度，而我国的燃气机技术因发 展时问较短，整体技术水平相对落后。 内燃式燃气发动机( 以下简称燃气发动机) 的核心控制系统是原动机控制，主要包括进气系统 控制( 间接的转速和负载调节控制) 和运行状态控制。控制方式己由最初的开环控制发展到了闭环 控制和自学习控制。在开环控制系统中控制系统是单向的，当出现外部扰动或内部扰动时，将使发 动机运行发生波动。闭环控制系统是在开环控制的基础上增加反馈环节构成的：为进一步提高控制 精度，在闭环系统基础上再增加能自动检测由于系统组件或发动机有关零部件制造误差、长期使用 后老化等引起的控制特性的偏差，并能进行及时修正的功能模块，就构成了自学习控制系统。 现代的燃气发动机控制系统可以对发动机的运行进行闭环自动控制，自动调节混合气浓度，实 现主燃烧室的稀薄燃烧，最大限度地提高发动机热效率，降低热负荷降低排放。另外还可以实现机 3 东南大学硕士学位论义 组参数的采集、储存、显示和输出打印等信息自动化功能，实现综台的一体自动化系统。 燃气发动机的自动化技术发展趋势主要包括以下几个方面。 ( 1 ) 全电了管理技术 国外大型燃气发动机组( 如卡特彼勒公司的机组) 普遍采用全电子管理系统，对发动机的燃气 系统、点火系统、凋速系统进行统一控制和监测，对发动机的运行数据和故障进行实时监测和记录， 并n 丁通过网络总线进行远程数据传输与控制。采用全电子管理技术提高了机组的监控水平保证了 机组运行的稳定性。 ( 2 ) 爆震控制技术 德国d e u r z 公司和奥地利j e n b a c h e r 公司生产的气体燃料发动机组均有单缸爆震控制装 置，对发动机的爆震情况进行实时监测，并相应地对点火提前角做出f 1 动调整。 ( 3 ) 电控多点顺序喷气技术 电喷技术在国内外汽车柴油汽油机和燃气发动机上已经得到广泛的应用，以取代原有的机械控 制混合系统和机械喷射系统，达到更高的燃烧性能和更精确的控制效果。 1 4 课题研究内容与目标 本课题中的1 9 0 系列燃气发电机组目前自动化程度较低，主要集成了发动机的闭环控制功能， 大部分的参数调节仍然采用手动方式，其配套的现场榆测仪表均为没有数据通信能力的指针式模拟 仪表，因此难以实现全自动化运行和无人值守，亦无法实现远程发电机组的监控和故障诊断。图1 1 是该机组目前配备的仪表系统的实际图片。 图1 1 1 9 0 系列燃气发电机组配备的指针式仪表系统 为了能提升产品的测控和信息自动化水平，跟踪国际前沿技术的潮流。增强产品的可靠性，并 迸一步简化机组的操作和维护流程，增强产品的竞争力，因此在现有机组的基础上，改造其检j ；! 和 控制仪表设备，j i ：实现数据信息的共享和增加远程监控的能力，按其自身工艺特点，实现机组运行 实时检测和控制的综合自动化。为此，需要设计与研制一套与该燃气发电机组配套的在线测控及远 程监控与故障诊断信息系统样机，实现燃气发电机组远程监控和故障诊断，并构建配套的数据库和 远程w e b 查询服务。 在该系统中我们计划将整个系统的实施分成三个阶段：第一阶段，首先实现检测仪表的数字化、 自动化改造，并利用现场总线技术互联为自动检测和故障诊断系统，以取代现有的以模拟指针式为 主的仪表设备，并为后续步骤提供基础；第二阶段，在第一阶段完成的系统基础上，增加数字化自 动控制功能，竹全面改造其进气阀的控制系统；虽后，在上述测控功能实现自动化的基础上，利用 互联网将机组的工况数据进行远程传输，实现异地远程监控和故障诊断功能。本人的学位论文工作 主要负责系统整体方案的设计，并带领一个小组负责在线检测系统的具体设计与研制，设计和研制 第一阶段的功能样机。 4 东南大学硕十学位论文 第二章系统总体方案设计 2 1 系统需求分析与主要功能及技术指标 2 1 1 自动检测与故障诊断功能 木课题实施的前提是对发电机组的各测量仪表进行数字化改造，由于需实时测量的机组工况参 量较多，经分类归纳为转速、温度( 高温和其他温度) 、压力、液位、含氧量和爆震等信号类型。其 中高温参量为各气缸排气温度，其他温度参量包括进出冷却水温度、环境温度、燃气压缩后温度和 空气增压进气温度，压力参量包括空气增压压力、燃气增压压力和机油过滤前后压力，液位参量包 括发动机机油油位、机油箱油位和冷却水箱水位。含氧量信号为取自排气【_ ： 烟气样本的含氧量，爆 震信号为各汽缸的振动强度信号。 对上述各工况参量，结合项目委托方的需求，确定如表2 1 所示的技术指标。 表2 1 机绀工况参量分类测量技术指标 信号类型动态范围传感器类型传感器输出信号 通道数不确定度 转速信号 0 1 0 0 0 r p m 磁感应式转速传感器 正弦波l l r p m 高温信号 o 8 0 0 k 型热电偶w r n ，2 3 6 k电压 1 2 1 62 其他温度信号 一2 5 1 2 5 d s l 8 8 2 0数字信号 7 0 5 压力信号 0 1 5 k g 压力变送器4 2 0 i n a 电流 4 0 1 k g 液位信号 0 l m 压力变送器4 2 0 m a 电流 3l c m 含氧量信号氧传感器p c 4 0 0 0 3 0脉冲序列 l 爆震信号爆震传感器r f 0 5 4 9 0 5 3 7 7谐振信号( 压电) 1 2 1 6 如果按以往精度等级来表示上述各参量的测量精度，则要求转速测量精度等级为o 1 级，温度、 压力和水位各参量均为0 5 级；此外，对发电机产生的三相电压、电流、频率、相角、功率和功率 因数等参量进行实时检测，其中电压、电流的测量精度要求为0 5 级，频率的榆测允许误差为1 h z 。 将所有实时检测到的数据，根据用户在机组端现场显示屏上的按键请求，在该显示屏i ：动态显 示用广所需的各被测参量的实时数据。并将实时枪测到的数据与厂方的经验数据相比较，由嵌入式 系统自动判断系统是否运行正常及可能出现的故障与原因，声光报警且在显示解上循环显示故障信 息。实时检测的数据自动存储，并通过总线上传给数据服务器。 设计基于嵌入式微处理器的监控电路板，构建智能化检测仪表现场总线网络，对现场各智能化 仪表进行数据采集、存储和在线监控，向上位机和数据服务器发送现场各智能化仪表的数据和发电 机组的运行状态，并对发电机组及其现场监控仪表与执行机构的运行状态进行故障诊断。 配置和开发远程数据服务器软件，通过以太网接口接收实时检测的数据与故障信息，集中管理 存储，通过w e b 发布服务器上的应用软件提供远程查询等功能。 2 1 2 自动控制及扩展功能 存第一阶段实现自动检测与故障诊断的基础下，第二阶段还需为发电机组完善自动控制功能， 其中主要完成转速和负载的闭环调节( 体现为燃气与空气进气阀的联合控制) 。 其余控制功能包括：根据发动机运行情况以及输出功率情况，完成对电子调速器的控制：根据 实时的转速及负载输出4 2 0 m a 的电流信号来控制点火正时器的点火提前角等。此外还需实现与 外电| 1 。9 的自动并网与脱网动作；根据发动机内机油油位，控制电磁阀自动泵入机油：以及实现机组 自动启，停的顺序控制，以全面取代目前的手工操作。 5 东南人学硕士学位论文 2 2 系统总体架构方案论证 2 2 1 集中式一体化和分布式结构比较 南于该发电机组检测系统中涉及的实时工况参量通道多达5 0 多个，目各类不同的信号通道所采 用的测量电路结构也不尽相同。根据以往的设计经验，既可以将全部信号测量通道设计在一个单一 的测量仪器q j ，即在同一块电路板上由单个处理器进行数据采集处理；也可以采用较先进的分布式 结构进行设计，将同类型、或特点相近的信号通道组合为若干模块分别进行测量处理，并借助。定 的通信机制完成数据的集成或共享。 ( 1 ) 集中式一体化智能检测仪表 集中式一体化智能仪表即选择一种功能较为强大的处理器( 高速单片机、d s p 等) 完成所有测 量通道的信号调理、数据采集、数据运算和数据通信功能。此种结构中处理器的运算负荷较大，在 程序设计中需由程序员根据经验协调各类不同采样剧期要求的全部信号通道的实时检测、处理、存 储、显示、与卜位机的通信和计算输m 控制信号等。南于需实现的功能多且复杂，软硬件设计集成 度过高，容易出错，设训难度很大，月任务难以分割、协调，往往导致大大延长开发周期；同时对 处理器本身要求大大提高。因此集中式一体化的结构不太适合木系统。 ( 2 ) 分布式智能检测网络 分布式的概念最先出现于上世纪八十年代，丰要应用于集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u 刚c o n t m l s y s t e m ) ，其核心是集中管理、分散控制，即总体和局部的功能相分离，上位机用于集中监视管理， 若干下位机则分散到现场实现分布式控制，上下位机之间用专用的控制网络互连以实现相互之间的 信息传递。这种新颖的分布式系统结构有效地克服了传统的集中式数字控制系统( d d c ，d i r c c t d 埘t a lc o m r 0 1 ) 对控制器处理能力和可靠性要求偏高的缺陷，且风险大大分散，设计难度下降，便 于任务分割，有利于加快研发进程”1 。 基于相同的考量，木课题中的检测系统便非常适合借鉴分布式系统的设训思想，设计成分布式 智能检测网络。首先，按照各测量通道的传感器信号特点，同时考虑测量负荷的平衡进行分组，待 测信号通道可分类为如f 阴组：缓变模拟量( 高温和其他温度、压力，液位各一组) 、快速数宁量( 爆 震、转速、含氧量) 和电网参量。经过上述分组后，为| 一类型的测量信号设计功能较为单一的智能 测量模块，并通过现场总线网络实现所有现场测控模块、现场参数显示屏和嵌入式主控模块的数据 交互，构成一个功能完整的分布式智能测控网络。正因为各现场仪表模块只负责测量和处理数量较 少的i 司类型测量信道，因此各功能模块的软硬件设计的复杂度都大大降低，可以提高设计效率，降 低系统成本，提高可靠性；l 叮且单个模块的失效不会造成整个系统的完全瘫痪，便于故障诊断和恢 复。分布式的现场安装结构还有利于缩短各传感器的引线长度，保持较高的信噪比，提高系统抗干 扰能力。 2 2 2 基于现场总线的系统互连方案 如果仅仅将原有的模拟测量、指针式显示结构转换为基于微控制器的数字化采集、显示结构并 不是完整的智能化改造，因为各种信息之间并没有建立起互连的关系，各个模块只是孤立的信息节 点，无法构成具备完整功能的自动测控系统，因此通信互连是现代测控系统设计中不可或缺的环节。 各智能化模块问的通信连线，一般均称之为总线。根据困际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准定义，现场 总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的f j 动控制装置之间数字式、串行和多点通 信的数据总线。基于现场总线的系统称之为现场总线系统( f s ，f i e l d b u ss y s t e m ) 。现场总线技术的 核心是将专用微处理器置入传统的测控仪表，使之具备一定的计算和数字通信能力，成为能独立担 当测控和通信任务的网络节点。所谓总线就是传输信息的公共通路，因此总线是个比较大的概念范 畴，既包括远程通信级的总线，也有p c b 级的板问通信总线，还有微型的用于i c 数据交互的总线， 甚至还包括i c 内部的总线，此处用总线一词均指通信总线。 6 东南人学硕士学位论文 总线按传输数据的方式可分为串行和并行总线两类。智能化模块间通信常用的并行总线标准如 i e e e 4 8 8 ( g p ) 总线、i s a 总线等，并行总线数据传输效率高，但由于信道位数多，当距离远时， 导致通信线路复杂和成本提高；串行总线的特点是通信线路简单，典型的串行总线如r s 2 3 2 c 、 r s _ 4 8 5 、c a n 等，只需一对传输线，适用于信息量较小的远距离通信，成本较低。近年来，随着 v l s i 技术的飞速进步，高速通信的要求越来越迫切，由于并行总线在远距离和高位速率条件下，限 于时序匹配的因素制约，传输速率的提高遇到了瓶颈，反而如l d s 等串行总线标准由于其优越的 时序性能和信号制式，将数据传输率提升垒数g s 的数量级，由此可见，并行总线和串行总线各有 其优缺点，应视不同的应用场合合理选取。 由于系统中既有上位机角色的嵌入式主控模块( 此外还包括可能接入网络的上位p c 机) ，也有 作为现场终端的各检测模块、控制模块和显示群电路，凼此要求该通信总线能适应不同模块问通信 的需求。为了能满足可靠的多点通信的要求，日前在工业现场常用的串行通信总线包括常见的 r s _ 4 8 5 ( r s 一4 2 2 a ) 、c a n 、h a r t 、工业以太网、p m f i b u s 、l o n w o r k s 等。表2 2 是这几种总线的 性能和适用性比较。 表2 2 常见工、【k 现场串行总线标准特性对比 r s 4 8 5c a nh a r t工业以太p r o 砧u s l o n w o r k s 网 o s i 层次 1l ，2 ，31 ，2 ，7 1 7l ，2 31 7 通信介质 双绞线双绞线、电缆同轴电缆双绞线、光双绞线、电缆、电力 光纤 奎干 线、光纤、无线等 介质访问 半烈工位仲裁查询c s m a ，c d令牌( 分散) p p c s m a 方式 纠错方式无 c r cc r cc r cc r c c r c 最高通信 9 6 0 0l m9 6 0 0l0 ，1 0 0 m3 1 2 5 “1 2 m 7 8 0 k 速率( b p s ) 优先级无固定有有有 有 本征防爆 否是是是是是 复杂度低 由 低尚局 n j 靠性低局较高品高 成本极低低低 曲高局 考虑到木系统需在发电机组现场强电磁干扰环境下运行，要求能构成远程通信，满足数据量小 但有突发传输的要求( 即对特定数据的延时有较高的要求) ，并且要求高可靠性和数据容错性，同时 保持低成本和易扩展的特点，因此选用各项性能都比较适合的c a n 总线标准，设计与构建现场总 线的系统方案。 采用现场总线系统的设计，使得本系统能满足较高的开放性、可扩展性、系统整体性与结构风 险的分散性相结合，以及对现场环境良好的适应性等要求，具体的现场总线结构设计将在第三章中 洋细讨论。 2 2 3 软硬件核心方案选择 本系统各功能模块微处理器的选择则须依据其担当的测控和通信任务的复杂程度，以及对可靠 性的要求。综合考虑本系统的实际应用环境和所需功能与技术指标，系统现场层的智能测控仪表采 用增强型m c s 5 l 系列和m c s 1 9 6 系列m c u 为核心，实现对各路工程参量的循环检测，运算处理 和存储，以及通过独立的现场总线接口单元，将数据和本机状态等信息通过现场总线进行双向传输， 并响应来自其它网络节点和监控主机的命令请求。选用m c s 5 l 系列和m c s 1 9 6 系列m c u 设计智 能测控仪表具有如下特点： 7 东南大学硕十学位论文 ( 1 ) 较高的性价比由于m c u 成本相对低廉，同时具有编程灵活、功能强大的特点，从而可 以根据实际需要构成各种功能齐全的测控仪表； ( 2 ) 集成度高、体积小、可靠性高由于m c u 的使用，大大简化了系统q j 的逻辑功能设计， 简化了电路结构。从而有利于系统可靠性提高。此外还可以较方便地采用软硬件冗余技术来进一步 提高系统健壮性。 ( 3 ) 功能强大利用m c u 出色的数据和逻辑运算功能，可以实时、方便地对数据进行运算处 理和校正，保持系统工作在最优状态。 ( 4 ) 使用广泛、兼容性强m c u 种类繁多，牛产厂家数以百计，有很大的选择空间，而m c s - 5 1 和m c s 1 9 6 系列分别是8 位和1 6 位m c u 市场上出现最早，应用最为广泛的两个系列，由于i n t e l 公司出售其内核技术的经营策略，使得这两个系列的m c u 长期占据了市场的绝大部分份额，有着 众多的用户群和开发商支持，并衍生出许多与之兼容的改进型产品。目前有a r m e l ，p i p s ，w i n b o n d 等多家生产的1 0 0 余种与m c s 5 1 系列兼容的m c u 产品与其配套的开发环境种类齐全，方便了 设计和调试1 作，可替换性较好。相比于不完全兼容的其它性能更高，或有自身特色的m c u 产品， 如a v r 系列、p i c 系列和m s p 4 3 0 等，本系统选用i n t e l 系列m c u ，在完成原理样机之后可以考虑 选用集成度更高的i n t e l 增强型，有利于进一步降低系统整体成本。 本系统各模拟量的测量模块将使用m c s 一5 l ，而转速和点火提前角测控模块选用功能更为强大 的m c s 1 9 6 ，以充分利用其内置的a ，d 转换器和高灵活性的h s i o 外设，简化电路结构和程序设计， 提高测量精度。 主控电路板需完成现场总线网络通信和现场级仪表的集成，数据采集、存储、分析处理和故障 诊断、人机界面控制以及与上位机的远程通信等较复杂的控制功能，因此需选择功能更为强大的处 理器作为核心，本系统选用基于3 2 位嵌入式处理器的方案。目前主流的3 2 位嵌入式微处理器包括 a r m ，m i p s ，d s p 和i n t e lx 8 6 微处理器的嵌入式改进型。以上各系列都具有各自的设计特点和适 宜的应用场合，木系统选用使用广泛，功能强大的a r m9 内核系列的微处理器。 作为人机交互界面的监控显示屏采用6 4 0 4 8 0 像素的- l c d 工业级触摸屏模块，通过内置 的拧制板进行显示驱动，并通过r s 2 3 2 接口接受嵌入式主控电路板的控制。 现场总线网络采用c a n2 0 a 标准，拓扑结构为总线型。由于c a n 总线标准仅对应o s i 参考 模型的低三层( 物理层、数据链路层、传输层) ，因此在实现较复杂的通信功能时，必须由用户自行 漫计实现更高层次的通信功能，本系统中基于c a n 总线的高层协议参考工业自动化领域中应用广 泛的c a n o d e n 和d e v i c e n e t 等开放协议的设计思想，结合本系统的具体功能需求，设计面向报文的 高层通信西议。 2 3 功能模块方案选择 2 3 1 系统的模块结构与功能划分 在本课题需实现的测控系统中，多种不同类型的传感器信号( 电压型、电流型、压电型、磁电 感应型等) 和不同功能要求的控制信号( 慢速，快速i 0 信号、弱电，强电控制信号等) 并存，各自的 处理流程和电路结构不尽相同。 信号测控部分的分块设计依据f 列原则：( 1 ) 同类型和有较强关联的信号组合存一起设计；( 2 ) 平衡各检测模块的微处理器运算负荷；( 3 ) 控制功能由单独的模块完成，以减少网络通信带来的延 迟影响关键参量的控制效果；( 4 ) 尽可能统各模块的接口方式和电路组成结构；( 5 ) 现场级显示 屏由单独的m c u 模块负责控制。 依搽i 二述原则，将检测系统的现场终端划分为五个独市的电路模块，各负责部分测控任务，分 别是模拟量测量板、开关量测量板、电网参数测量板、控制信号板和现场参数显示屏( 此外还有独 立的嵌入式主控板作为上位机) 。 8 东南大学硕士学位论文 基丁现场总线结构的分布式测控系统整体结构和模块划分见图2 1 。 黼层 卜“* i 豫、絮蒜篙巾m 叫 空气避阀、i 毫予谶遵 缩蟹锎础 ! ! | 搬、e 羽ji i 弹、数攒5 _ ! 卜一信号擒嗣蠛块现场l e d 掘永胖控制蛐能i l 块 溢控嫠 鬻旋燕精掩警螽l 泸嚏禽篓警妊 旃b 串l 图2 一1 分布式测控系统整体结构和模块划分示意图 其中，模拟量测量板、开关量测量板、电网参数测量板、控制信号板和现场参数显示j 并属于现 场层，嵌入式主控板( 即主监控平台) 属于监控层，作为远程数据发布和监控功能的数据服务器和 w e b 服务器则属于管理层。在地域分布上，现场层中的模块除电网参数测量扳外均安装在发电机组 上，电网参数测量板和嵌入式主控板则安装在配电控制室内，数据和w e b 服务器则安装在网络中 心。 系统所自- 组成模块均通过c a n2 0 a 的总线网络连接，使用自定义的通信协议进行信息交互和 控制。数据服务器既可以直接联入现场总线网络中采集实时数据( 即采用平坦式分布系统结构) ，也 可以仪通过以太网接口与嵌入式主控板处理器进行通信，完成相同的数据采集功能。 嵌入式主控板在整个现场总线系统中处于监控主机的地位，负责从现场层的测量仪表读取数据 或设置参数，向现场参数显示屏发送需刷新的显示内容或格式，设置控制策略和参数( 如p i d 参数、 报警限值等) ，并对c a n 总线网络通信状况进行监视。上述结构中还使用双机热备份的做法，即由 另一台同等功能的嵌入式主控板充当哑终端，只负责监听网络，在监测到当前主机失去响应时可以 立即接替成为主机投入运行。 9 东南大学硕十学位论文 2 3 2 模拟量测量板 模拟量测量板是测控系统现场层中的信号检测模块之一，负责对1 6 个气缸的排气温度、7 路压 力，液位值和7 路其他温度值进行循环检测，并通过现场总线接u 进行数据的传输。 ( 一) 气缸排气温度测量 热电偶是工业温度测量中应用最普遍的传感器件，其特点是测温范围宽，性能稳定，有较高的 测量精度，且结构简单，动态响应快，输出为便于检测的电压信号等。对于给定型号的热电偶( 即 热电极材料固定) ，热电势的大小只与测量端和参比端的温度差有关。 目前国际上有8 种标准化的工业热电偶供不同场合使用，标准化热电偶有统一的规范( 兀1 s 9 0 ) 并规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，因此同型号的热电偶具有良好的 致性和互换性。表2 3 给出了若下d i k 热电偶的分类及其性能比较。 表2 3 工业热电偶分类及性能嘲 名称分度号测量范围适用气氛1 稳定性 铂铑”铂铑6 b2 0 0 1 8 0 0 o 、n 1 5 0 0 ，良 钠铑”铂 r一4 0 】6 0 0o 、n 1 4 0 0 ，良 铂铑”铺 s 镍铬一镍硅( 铝)k 一2 7 0 1 3 0 0 o 、n 中等 镍铬硅镍硅n一2 7 0 1 2 6 00 、n 、r良 镍铬一康铜 e一2 7 0 1 0 0 0o 、n l i j 等 铁一康铜 j一4 0 7 6 0o 、n 、r 、v 5 0 0 ，著 铜康铜t一2 7 0 3 5 0o 、n 、r 、v1 7 0 2 0 0 ，优 钨铼3 钨铼2 5w r e 3 一w r 2 5 0 2