（仪器科学与技术专业论文）水轮机动态特性监控系统底层局域网及智能结点研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 i 摘要 水轮机的稳定运行对水电站的安全生产具有十分重大的科学和现实意义，近 年来国内外围绕水轮机的动态特性监控开展了系列的研究工作。论文结合水轮机 动态特性监控系统目前国内外的发展现状和实际，在国家自然科学基金资助项目 “水轮机主轴机械系统动态特性研究”的资助下，提出以 can 总线作为控制局域 网总线、以 dsp 作为子结点，建立水轮机动态特性监控系统，并对整个监控系统 进行了设计、研制。 论文旨在采用先进的现场总线技术代替以往的集散控制技术，以高性能的 dsp 芯片代替单片机，构建水轮机动态特性监控系统。与此同时，将 usb 技术融 合于底层局域网与其它设备连接的总线转换接口卡中， 增加底层局域网与 pc 机及 其它设备连接的灵活性。 论文主要完成了以下几方面的工作： 1、在详细分析监控系统所需要监控对象的特点后，设计了整个监控系统的总 体结构。 2、采用先进的 dsp 芯片 tms320lf2407 作为监控系统子结点的 cpu，设计 了实时性强，运算速度快的智能子结点。 3、设计了带 usb 接口、can 接口和 rs232 接口的 can 总线转换接口， 通过该接口，can 总线局域网可以通过 rs232 或者 usb 接口和其它设备通信。 4、利用 vb 及数据库的知识，设计了水轮机动态特性监控系统实时信息管理 系统。该系统可以动态的显示水轮机的运行状态，具有良好的人机界面性能。并 可以将水轮机的状态参数存入设计的数据库中。 论文的研究工作，首先从工程的角度探讨了与水轮机相关的理论和技术问题， 并在此基础上对水轮机的动态监控系统进行了设计和研制，对保证水轮机的动态 安全运行具有重大的科学意义和很强的实际意义。 关键词关键词：动态监控系统，can 总线，dsp 芯片，usb 技术 重庆大学硕士学位论文英文摘要 ii abstract the research on monitoring of dynamic character of turbine is under way since the stable running of hydroelectric turbines is crucial to the production of hydropower plants. with the support of nsfc (national natural science foundation of china), we have studied on dynamic character of hydroelectric turbine and established a hydroelectric turbine dynamic character monitoring system, which introduced dsp as the core of node and can field bus as local area network controlling bus. the purpose of the paper is to establish a hydroelectric turbine dynamic character monitoring system to replace the traditional concentric control technology by advanced field bus, mcu by high performance dsp. to improve the flexibility of connection between pc and peripheral equipments, usb technology was used in the research of interface card which connected the can bus and its upper equipments. the main work completed could be summarized as following: 1. firstly, the whole structure of monitoring system was designed after the character of the object monitored had been analyzed. 2. secondly, a smart node featured with real time and powerful computation capability was designed with the high performance tms320lf2407 taken as the cpu of monitor node. 3. thirdly, an interface card that converted the signal of can and rs232 bi- directionally was designed. the can network can communicate with other equipments through the interface card. 4. finally, a dynamic character of hydroelectric turbines information managing system was designed with the application of vb and database. this system can show the running state of hydroelectric turbines through a friendly interface. the state parameters of the hydroelectric turbines could also be saved in the database. in conclusion, the research and design of the dynamic hydroelectric turbines monitor system based on the relative theory and technology is very valuable and meaningful in making sure the stably and safely running of hydroelectric turbine. keywords: monitoring system about dynamic character, can bus, dsp chip, universal serial bus technology 重庆大学硕士学位论文1绪论 1 1绪论 1.1 课题的背景及意义 水轮发电机的动态性能监控系统，是水轮发电机的重要组成部分之一。水轮 机工作过程的实时监测和控制关系到水电站的安全运行、电力质量和电力生产成 本等重要的经济指标与社会指标。面对大量的现场控制信息，操作人员要对生产 过程进行实时监控，迅速而准确地对设备故障做出判断变得越来越困难。因此， 研究开发水轮机的监测与控制系统，减轻操作管理人员的劳动量、提高水轮机的 自动化管理水平、保证水轮机安全稳定运行十分必要。在水轮机动态特性监控系 统中，底层的组网技术和智能子结点是十分重要的关键技术，关系到整个监控的 实时性、稳定性及其它一些重要的性能。如果能够采用恰当的组网技术和研制出 新型的智能子结点，将大大提高监控系统的性能，使水轮机的运行更加稳定、可 靠。 1.2 水轮机动态特性监控系统的发展历史及国内外现状 1.2.1 水轮机动态特性监控系统的发展历史 国内外水轮机动态特性监控系统的发展主要经历了初期监控系统、集中式监 控系统、集散式监控系统（dcs）、分布式现场总线监控系统四个阶段。12 （一）初期控制系统 由于初期自控仪表尚处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产设备 现场、只具备简单测控功能的基地式仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不 能传送给别的仪表或系统，即各测控点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息， 操作人员只能通过生产现场的巡视，了解生产过程的状况。 随后出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。生产现 场各处的参数通过统一的模拟信号， 如 0.0020. 0 1mpa 的气压信号， 010 毫安、 420 毫安的直流电流信号，15 伏直流电压信号等，送往集中控制室，在控制 盘上连接。操作人员在控制室纵观生产流程的各处状况，并把各单元仪表的信号 按需要组成复杂的控制系统。 由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，提高计算速度与精度的开销难 度较大，信号传输的抗干扰能力也较差，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号， 于是出现了直接数字控制 ddc(digital direct control)。 由于当时的数字计算机技术 尚不发达，价格昂贵，人们企图用一台计算机取代控制室的几乎所有仪表盘，把 多个变送器、执行器用连线连接到一台中央控制主机上，由这台计算机直接对工 重庆大学硕士学位论文1绪论 2 业设备进行直接数字控制。这就是“集中式”控制的概念。 （二）集中式控制系统 集中式计算机控制系统，是一种多目的、多任务的控制系统。它把各种各样 的任务都交给一台计算机，利用计算机的高速分时多路处理特点，完成对现场的 直接控制，其结构原理如图 1- 1 所示。这种控制系统相比初期的控制系统，具有如 下明显的优点： 1.能完成简单的 pid 控制，而且能完成复杂的控制运算，如解藕控制、最优控 制、自适应控制等； 2.具有快速反应和高精度运算的特点； 3.具有记忆、 判断功能， 不但能对过程进行连续控制， 还能实现逻辑控制功能。 人机界面友好， 计算机所控制的过程信息可以在一台或多台 crt 屏幕上显示出来， 并可以通过控制台键盘进行操作，因而简化了操作手段。集中式计算机控制系统 的缺点是： 1. 完成控制任务的计算机，在系统中占有极为重要的地位，一旦计算机出现 问题，必将导致所有控制回路瘫痪，甚至在某些情况下会造成破坏性的事故。所 以一般都设有两台工控机互为备用，但这样又造成了系统的冗余浪费； 2.由于变送器和执行器都直接和计算机相连，势必铺设大量电缆，增加了投资 的成木，同时给检修维护工作带来较大的困难，使电缆之问串扰严重； 3.随着经济的发展，对原有的系统进行扩展很困难，需要增加控制程序、修改 控制方案、增加控制通道等等。 由于集中式控制系统具有不可克服的缺点，加之计算机可靠性的提高，价格的 大幅度下降，出现了数字调节器、可编程控制器 plc 等，于是出现了新一代的由 多个计算机构成的集中分散相结合的集散控制系统。 测量 仪表 1 测量 仪表 m 测量 仪表 n . . 控制计算机 图 1.1 集中控制系统结构框图 figure 1.1 structure chart of centralized contral 重庆大学硕士学位论文1绪论 3 （三）集散控制系统 集散控制系统也就是今天仍被许多企业采用的 dcs 系统， 其结构原理如图 1.2 所示。该系统不但具有计算机控制系统的先进性、高精度、响应速度快等优点， 同时具有系统安全可靠、维护方便等优点。其主要特点是： 1.采用分级分布式控制。以微处理器为核心的基本控制器，不但能代替模拟仪 表完成常规的过程控制，并且能进行复杂算式运算和顺序控制。这种基本控制器， 采用固化的应用软件，在现场对输入、输出数据进行处理，减少了信息传输量， 降低了对上级计算机的要求，使系统的应用程序变得简单； 2.采用物理上分散的结构，实现了真正的分散控制。在现场就地安装基本控制 器，不但可节省电缆，还可减少传输线路对信号的干扰，同时缩短了控制回路， 加快了反应速度。由于以微处理器为核心的基本控制器的可靠性，一般比中、小 型工业控制机高，并且每台控制器控制单独的回路，即使发生故障，影响的面较 小，可使危险分散； 3.计算机与计算机之间采用高速通信系统。这样大大减少了布线系统，节省了 工程费用，而且使系统维护扩展容易，便于用户分期投资，逐步完善。 综上所述，dcs 系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了 很大进步，可实现装置级、车间级的优化控制中，但在 dcs 系统中测量变送、执 行器一般由模拟仪表完成，它们与位于控制室、实现控制和监视的计算机一起共 同构成控制系统，因而是一种其信号需在现场与控制室之间往返传递的模拟数字 测量 仪表 1 测量 仪表 m 测量 仪表 n . . 监控计算机 图 1.2 集散控制系统结构原理图 figure 1.2 structure chart of distribute control system 控制器 1 控制器 m 控制器 n . . 重庆大学硕士学位论文1绪论 4 混合系统。在 dcs 系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭的 缺陷的影响，各厂家的生产的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一起， 难以实现互换与互操作。因此，要组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困 难。 （四）分布式现场总线控制系统 分布式现场总线控制系统，突破了 dcs 系统中通信由专用协议的封闭网络来 实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化标准化的解 决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总 线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能；同时把 dcs 集中与分散相结合 的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠 现场智能设备实现基本控制功能。其结构原理如图 1.3 所示。分布式现场总线控 制系统作为新一代控制系统的体系结构，具有如下特点： 1. 系统的开放性。开放是指对相关标准的一致性和公开性，强调对标准的共 识与遵从。开放系统是指世界上任何遵守相同标准的设备或系统之间都可以互连。 通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。用户可根据自己的 需要，把来自不同供应商的产品组成随意的系统，通过现场总线构筑自动化领域 的开放互连系统； 2. 互可操作性和互用性。互可操作性是指实现互连的设备间和系统间的信息 传送与沟通。互用性则是指，不同生产厂家的性能类似的设备可以实现互相替换； 3. 现场设备的智能化与自治性。现场总线技术的应用将传感测量、补偿计算、 工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控 制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态； 现场智 能化设备 1 现场智 能化设备 m 现场智 能化设备 n . . 监控计算机 图 1.3 现场总线控制系统结构原理图 figure 1.3 structure chart of field bus control system 重庆大学硕士学位论文1绪论 5 4. 系统结构的高度分散性。现场总线己构成一种新的全分散性控制系统的体 系结构。从根本上改变了原有 dcs 系统集中与分散相结合的控制体系，简化了系 统结构，提高了可靠性； 5. 对现场环境的适应性。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总 线，是专门为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外 线和电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现通信与供电，并可满 足本质安全防爆要求等。 现场总线和传统控制系统的体系结构相比，具有如下的优点： 1. 节省硬件资源与投资。由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接 执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不需要单独 的调节器、计算单元等，也不需要 dcs 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元 及其复杂接线，还可以用工控 pc 机作为操作站，从而节省了硬件投资，并可减少 控制室的占地面积； 2. 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上 通常可挂多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与 接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆， 可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，又减少了设计和安装的工作量； 3. 节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并 通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行、 诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时 由于系统结构简单化，连线简单而减少了维护工作量； 4. 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设 备来集成系统，避免了选择品牌的限制； 5. 提高了系统的准确性和可靠性。由于现场总线设备的智能化和数字化，与 模拟信号相比，从根本上提高了测量和控制的精确度，减少了传送误差。同时， 由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的 往返传输，提高了系统的工作可靠性。 此外，由于它的设备标准化、功能模块化，现场总线还具有设计简单和易于 重构等特点。 1.2.2 水轮机监控系统的国内外现状 （一）国外水轮机监控系统现状 目前国外的水电站监控系统具有以下特点：所有网络、工作站和lpu 等都有 自诊断和故障跟踪能力；系统具有开放性，通过tcp/ ip 协议实现了运行在不同平 台的控制网和信息管理网的异域网互联；系统是一个全分布式监控系统，设备之 重庆大学硕士学位论文1绪论 6 间可以直接通信，而不需经过主机转送。 如加拿大fes公司的 “水轮发电机局部放电分析仪” 、 日本日立公司研制的 “水 力发电设备状态监测系统” 、 德国abb公司 的advant ocs 系统都是较为成功和实 用的第四代水轮机状态监控系统。1995年美国电科院与com edison电厂合作对10 台机组安装了机组状态监测设备，经计算，投运2年的经济效益超过1600万美元。 因此，与此相关的状态监预测技术目前在国外得到了广泛重视，并成为很有开发 价值的研究方向。 （二）国内水轮机监控系统现状 我国对设备状态监测和诊断技术的研究是从八十年代中期开始的，由于水电 站计算机监控系统的推广，近年来机组状态监测与故障诊断技术亦被提到了议事 日程，引起了广泛的重视，且先后在三门峡、潘家口、黄龙滩、隔河岩等电站得 以实施，并取得了一定的经验，为今后综合状态监测与诊断系统的开发奠定了一 定的基础。由于国内这方面知识的刚刚起步，国内的大部分中小型水电站仍采用 较为落后的集中式控制系统。用于大型水电站中的先进监控系统，主要依靠国外 引进。二滩电站计算机监控系统通过国际公开招标，由德国 abb 公司中标，于 1998 年 6 月投入使用，在我国水电站监控领域处于领先地位。冷竹关水电站目前 是甘孜州境内装机容量最大的电站，电站计算机监控系统由奥地利 elin 公司中 标， 厂站控制级使用的是其全资子公司 sat 公司开发研制的 sat250 综合自动化 控制系统， 现地控制单元使用的是 sat1703 自动化系统。34 因此，研究和开发性能优良、功能完善、工作可靠、价格适宜、使用方便的 水电厂计算机监控系统，具有深远的现实意义。 1.3 课题提出及完成的主要工作 国外的水轮机监控系统已经发展到一个较高的水平，在实际生产中已经显现 出巨大的作用。有了先进的动态监控系统，可以提高水电站运行的可靠性、保证 电能质量、提高运行的经济性、提高劳动生产率。而国内的水轮机动态性能监控 系统还处于起步阶段，远远落后于发达国家，目前大型水电站的监控系统还必须 依靠国外引进。 本课题在国家自然科学基金资助项目“ 水轮机主轴机械系统动态特性研究” （编 号：50079032）的资助下，针对国内水轮机监控系统的不足，将现场总线技术、 dsp 技术融合到水轮机现场监控系统中，提高监控系统的实时性、可靠性，将以 往集中式或集散式的监控系统用分布式的监控系统来取代。 在本课题的研究中，主要进行了以下几个方面的工作： 1.建立一个分布式现场总线控制局域网。论文中将研究如何用结构简单、价格 重庆大学硕士学位论文1绪论 7 低廉的 can 总线组建一个控制局域，作为水轮机监控系统的底层分布式子网，同 时将讨论 can 总线与各子结点接口设计； 2.高速、实时的智能子结点的设计。论文用 dsp 作为水轮机监控系统的前端 智能子结点，作为数据采集、处理及控制的中心。详细讨论用 ti 公司的 tms320lf2407 采集数据、处理数据的方法，以及与 can 总线的接口设计。由于 tms320lf2407 芯片具有高速的运算能力及特别适合数据处理的指令，所以众多 的信息可以直接在 dsp 芯片中处理，而不需用控制中心的计算机来处理从而使前 端结点完全不必依赖控制中心的主机自行完成监控功能。同时 tms320lf2407 又 具有丰富的外围接口，可使整个前端结点的结构简单； 3.can 接口卡的设计。 由 can 总线组成的分布式局域网必须要与其它设备进 行通信，本文设计了带有 can 接口、rs232 接口和 usb 接口的总线转换接口卡。 通过该接口卡，can 总线可以只带 232 接口的设备进行通信,并且能够通过 232 或 者 usb 与 pc 机进行通信； 4.上位机信息管理系统的设计。论文完成了实时的信息管理系统设计，该系统 可以与 can 总线进行实时的数据交换，且能实现对 can 总线上各子结点的实时 监控。 重庆大学硕士学位论文2水轮机组群状态监控系统总体方案设计 8 2水轮机动态特性监控系统总体方案设计 2.1 监控对象特性分析 2.1.1 水轮机的典型故障 水轮机典型故障包括以下几个方面:567 (1) 机组轴承故障。 主要表现为推力轴承故障及导轴承故障。 水电机组故障中， 推力轴承故障次数最多和最为普遍，导轴承故障则相对的事故率较低。 (2) 机组振动故障。振动是水电机组的常发病，相关因素比较多。根据振动诱 发原因，水电机组振动大致可分为三类:机械振动、水力振动、电气振动。 (3) 水轮机汽蚀与泥沙磨损。 (4) 水轮发电机主要故障。主要集中在定子上，而多数是由主绝缘和匝间绝缘 引起。发电机转子故障主要为转子接地和匝间短路。 2.1.2 水轮机监控系统的监控对象 为了防止水轮机组出现故障，需对水轮机的运行状态作实时监测。影响机组 运行稳定性的因素比较复杂，它包括电磁、机械、水力等诸多因素，其中水力因 素(叶道涡流和压力脉动) 是影响运行稳定性的关键因素。根据国内外一些电站水 轮机在运行中暴露出来的问题及其处理的经验，为了充分了解和掌握水轮机的运 行情况，水轮机在线监测的主要内容至少应包括: (1) 水压脉动。蜗壳、尾水管、顶盖(导叶后、转轮前区域)处的水压脉动。 (2) 机械振动。顶盖、下机架、上机架、定子等处的垂直、径向振动，水导轴 承径向振动。 (3) 摆度。水导轴承、下导轴承、推力轴承、上导轴承处x 、y 方向的摆度。 此外，为了获得水轮机转轮的动应力特性，应对转轮叶片动应力进行测试及分析。 (4) 转速信号。 它用来作为监测系统的外触发同步采样与振动分析时的相位基 准。一般机组的转速在18000转/分(300hz)以内。稳态运行时，电力行业的机组一 般是稳定在3000转/分(50hz)，波动不超过正负10转。在试车、开机和关机等特殊 情况下为升降速运行态， 机组的转速要在短时间内(一般在15秒内)从接近停机状态 的180转/分(3hz)拉高到的稳态运行的转速，一般的转速变化率是能到达一秒内变 化300转，高的可能达到600- 800转/秒。在机组出现故障时的异常态运行时，转速 将以未知的高速运转，不过极少能高于15000转/分，转速的测定一般采用计数器记 录转速脉冲信号的方法。 (5) 慢变量信号。主要包括温度、压力、流量和电功率。一般慢变量信号的实 时性要求是秒级或几十个毫秒级。慢变量信号通过不同的传感器和前端调理电路， 重庆大学硕士学位论文2水轮机组群状态监控系统总体方案设计 9 一般得到的是标准电流信号或标准电压信号，其中电流信号取值范围在4ma 20ma或0mal0ma之间，电压信号取值范围在1v- 5v或010v之间。 在以上众多的参数中，机械振动是一个十分重要的参数，因为不振动是水轮 机组的常见故障。对振动的分析通常是进行频谱分析，这需要大量的数学运算。 与此同时，水轮机组分散的范围较广。以三峡电站为例，整个三峡大坝轴线 全长2309.47m， 右岸厂房坝段全长525.0m， 有12台机组， 左岸厂房坝段全长581.5m， 有14台机组，共有机组26台，各机组间的最大距离约2.5km8。如果对整个机组群 进行动态监测，监测的参数就分散在比较大的范围内。 从上面的分析可以得出这样的结论，水轮机动态特性监测系统的监测对象具 有以下特点：需要监测的参数多、所需的数学运算量大以及参数的分布范围宽。 另外，由于水轮机的运行状况较为复杂，各种随机干扰和电磁干扰十分严重。 2.2 水轮机监控系统设计 2.2.1 系统的总体框图 根据水轮机组群动态特性监控对象的特点，为了建立一个先进的、有效的监 控系统，整个监控系统必须具备以下能力： 1、子结点具有处理大量数学运算的能力。 2、子结点具有采集和处理众多参数的能力。 3、监控系统具有在大范围内进行实时监控的能力。 4、具有较强的抗干扰能力。 在当前众多的监控系统中，以分布式现场总线监控系统最适合以上要求。分 布式现场总线可以对大范围内的参数进行监测，而对于需要处理大量数学运算的 情况，可以通过选用运算速度快的单片机作为前端结点的cpu。为此设计了一个 现场监控系统来进行水轮机组群的动态监控。 整个监控系统由信号的采集、信号的处理、反馈控制、子结点与监控中心的 数据传输及上位机的信息管理系统五部分组成。信号的采集通过各类传感来完成， 图 2.1水轮机监控系统框图 figure2.1turbine monitor system chart 智能子 结点 传感器 传感器 执 行 器 总线接口卡pc机 智能子 结点 传感器 传感器 执 行 器 现场总线 重庆大学硕士学位论文2水轮机组群状态监控系统总体方案设计 10 然后送入子结点进行数据处理。数据处理完成后子结点发出控制命令给执行器， 实现水轮机的调速、起停等操作，使水轮机运行在最优的稳定状态。各监控子结 点定时将水轮机的状态信息发送监控中心，经监控中心的信息处理程序处理后显 示出来，从而使监控人员能实时动态的了解水轮机组群的运行状态。 监控系统的框图如图2.1所示： 在接下来的章节里，将详细介绍子结点、现场总线、总线转换卡的选取及设 计方案，同时设计上位机的信息管理系统实现水轮机动态特性的动态显示及管理。 2.2.2 现场总线的选取 自 80 年代末以来，有几种现场总线技术己逐步形成其影响，并在一些特定的 应用领域显示了自己的优势。它们各具特色，显示了较强的生命力，已经发挥、 并将继续发挥着其积极作用。91011 1、基金会现场总线 基金会现场总线 ff( foundation field bus)是在过程自动化领域得到广泛支持 和具有良好发展前景的技术。现场总线基金会于 1994 年 9 月成立，致力于开发国 际统一的现场总线协议。ff 的体系结构参照 iso/osi 模型的物理层、数据链路层 和应用层的协议，另外增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要， 定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。ff 提供 了低速 h1 和高速 h2 两种通信速率.h1 为用于过程控制的低速总线(符合 iec 1158- 2 物理层标准)，传输速率为 31.25kbps，通信距离可达 1900m(可加中继器延 长)，支持总线供电，支持安全防爆环境。h1 可支持本安设备 2- 6 台，非本地设备 2- 32 台。h2 为用于制造自动化的高速总线，传输速率可为 1 mbps 和 2.5mbps 两 种，其通信距离分别为 750m 和 500m，传输介质可支持屏蔽双绞线、同轴电缆、 光纤和无线电，每段最多可带 124 个节点，其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特 编码。 2、lon works lon works 是又一具有强劲实力的现场总线技术.它是由美国 echelon 公司推 出，并由它和摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于 1990 年正式公布而形成的。它采 用了 iso/osi 模型的全部 7 层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络 变量把网络通信设计简化为参数设置。 lon works 技术所采用的 lon talk 协议被封 装在称之为 neuron 的神经元芯片中而实现，该芯片中内含负责介质访问、负责网 络处理和负责应用处理的 3 个 8 位处理器；还含有存储信息缓冲区，实现处理器 之间的信息传递和网络缓冲区、应用缓冲区。其通信速率从 300bps 到 1.5mbps 不 等，直接通信速率可达 2700m (78kbps，双绞线)，它支持双绞线、同轴电缆、光纤、 射频、红外线和电力线等多种通信介质，支持节点数为 3200 个，并开发了相应的 重庆大学硕士学位论文2水轮机组群状态监控系统总体方案设计 11 本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。 3、prof ibus profibus 是德国国家标准 din19245 和欧洲标准 en50170 的现场总线标准。 profibus 系列包括 profibus- dp， profibus- fms 和 profibus- pa。dp (h2) 型用于分散外设间的高速数据传输，适合于连接 pa 和加工自动化领域的应用。 fms 意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器和低压开关等 一般自动化场合，支持多主处理。pa (h1)型则是用于过程自动化的总线类型，遵 从 iec 1158- 2 标准，可提供总线供电和本质安全。该技术是由西门子公司为主的 十几家德国公司和研究所共同推出的，1989 年被标准化。它采用了 osi 模型的 物理层、数据链路层， fms 还采用了应用层.其传输速率为 9.6kbps- 12mbps，最 大传输距离在 12mbps 时为 100m，1.5mbps 时为 400m， 用中继器可延长至 10km， 传输介质可以是双绞线和光纤。最多可挂接 127 个节点。 4、hart hart (highway addressable remote transducer，可寻址高速远程传感器高速 通道)最早由 rosemount 公司开发并得到 80 多家著名仪表公司的支持，于 1993 年 成立了 hart 通信基金会。它的特点是在现有 4 - 20ma 模拟信号传输线上实现数 字信号通信，其数字通信采用调制解调方式，通信速率仅有 1200bps，一般模式为 用 4- 20ma 传递模拟信号，用数字信号传递设备状态信号和控制命令。hart 采用 统一的设备描述语言 ddl，它能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可 组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统.hart 总线模型。 5、bacnet bacnet 协议，即 a data communication protocol for building automation and control network，是 1995 年 6 月由美国采暖、制冷和空调工程师协会(ashare) 组织的标准委员会 135p (standardproject committee: spc 135p)制定的， 并于当年由 美国标准委员会通过成为美国国家标准。它是一种为楼宇自动控制网络所制定的 数据通信协议，目的在于为楼宇暖通空调的监控和楼宇其他系统的计算机设备定 义数据通信的标准。bacnet 参照 iso/osi 模型，并根据楼宇自控系统的具体特点 进行了简化，采用 4 层结构，相当于 osi 模型中的物理层、数据链路层、网络层 和应用层。bacnet 采用了面向对象的技术，定义了一组具有属性的对象(object) 来表示任意的楼宇自控设备的功能，从而提供了一种标准的表示楼宇自控设备的 方式。bacnet 协议独立于任何制造商，不需要专门芯片，得到众多制造商的支持， 产品具有良好的互操作性，有利于系统的扩展和集成。 6、can 总线 can 总线是由德国 bosch 公司提出的，最早应用于汽车内部测量与执行部件 重庆大学硕士学位论文2水轮机组群状态监控系统总体方案设计 12 之间的数据通信。该总线规范己被 iso 制定为国际标准 iso 11898。 can 协议也 是建立在 iso/osi 模型的基础之上，但其模型结构只采用了其中的 2 层，即物理 层和数据链路层。它是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，由 于具有结构较为简单、应用灵活方便、可靠性强、价格低廉等优点，越来越受到 工业界青睐。被广泛的应用于许多领域。 近年can总线在国内发展很快，主要用于各种设备监测及控制。can 总线的 主要特点有1213 : (1) can为多主工作方式， 网络上的任意节点在任意时刻都可以主动地向其他 节点发送信息，不分主从，方式灵活。 (2) can 网络节点可以安排优先级顺序， 以满足和协调各自不同的实时性要 求。 (3) 采用非破坏性的总线仲裁技术， 多点同时发送信息时， 按优先级顺序通信， 节省总线冲突仲裁时间， 避免网络瘫痪。 (4) 可以进行点对点、一点对多点和全域广播方式传递信息。 (5) 通信速率最高可达1mbps (40m以内) ， 最长传递距离达10km (速率为5kbp s 以下)。 (6) 网络节点目前可达110个， 报文标志符2032种(can 2.0a)， 扩展标准(can 2. 0b) 中报文标志符几乎不受限制。 (7) 短帧数据结构，传输时间短，抗干扰能力强，检错效果好。 (8) 通信介质可以用双绞线、同轴电缆或光纤。 (9) 网络节点在错误严重的情况下可以自动关闭输出功能，脱离网络。 (10) 实现了标准化、规范化(国际标准iso 11898)。 从以上几种现场总线的特点来看，各自有不同的特点和适用范围。但can总 线能快速、准确、简便地在较大范围内传输数据，具有价格低等优点。不论从价 格或是性能上来说，都比较适合作为水轮机监控系统的现场总线。因此本课题选 用can作为系统的控制总线。 2.2.3 智能节点 cpu 的选取 在以往的监测系统中，8 位的低性能的单片机应用较为广泛（如 51 单片机） ， 但在水轮机组群动态特性监控系统中，由于处理的数据量大、信号种类多，低性 能的单片机不能很好的完成监测任务。所以在文章中选用了具有高性能、高集成 度的 dsp 芯片。 ds p 芯片是专门完成各种实时数字信息处理用的，它是建立在数字信号处理 的各种理论和算法基础上的。第一个 dsp 微处理器 inte12920 出现在 1976 年，接 着是 1982 年的 amd 公司的 2811，德州仪器公司的 tms32010。紧接着，德州仪 重庆大学硕士学位论文2水轮机组群状态监控系统总体方案设计 13 器公司在 1985 年推出第二代 tms320c20,并且在 1986 年推出 coms 版本的 tms320c25,1991 年推出第五代的 tms320c50。tms320c62 是德州仪器公司在 1977 年推出的定点数运算处理器，结构与前面的 clx, c2x 及 c5x 处理器不同，它 是以 vliw(very long instruction word)设计的芯片。c62 提供了 200mhz 时钟 1600mips 的运算速度，主要应用于高档的视频及多媒体产品，与前面几代的定点 处理器在程序代码方面不兼容。1415 dsp 适合于数字处理的特点，它的特点主要以下几点:16 改进的哈佛结构 计算机的总线结构可分为两种。一种是冯诺伊曼结构。其特点是程序和数 据共用一个存储空间。统一编址依靠指令计数器提供的地址来区分是指令数据还 是地址。由于对数据和程序进行分时读写，执行速度慢，数据吞吐量低。但是， 半导体工艺的飞速发展克服了这一缺陷。同时，由于这一结构使计算机结构得到 简化，它成为了计算机发展的一个标准。但由于它原理上的特点，这一结构并不 适合于进行具有高度实时要求的数字信号处理。另外一种结构为哈佛结构，与 冯诺伊曼结构相比，其主要特点是程序和数据具有独立的存储空间，有着各自 独立的程序总线和数据总线。显然这使计算机的结构变得复杂。但是由于可以同 时对数据和程序进行寻址，它大大地提高了数据处理能力，非常适合于实时的数 字信号处理。ti 公司的 dsp 芯片的结构思基本哈佛结构的改进类型。改进之处是 在数据总线和程序总线之间的局部的交叉连接，这一改进使得:允许数据存放在程 序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性。只要调度好两 个独立的总线就可使处理能力达到最高，以实现全速运行。另一点是，指令可以 存储在高速缓存器中(cache)，省去了从存储器中都取指令的时间，大大提高了运 行速度。 流水线操作 在改进的哈佛结构的基础上， tms320 系列芯片广泛地采用了流水线操作以减 少指令执行时间，从而进一步增强处理器的数据处理能力。流水线的深度为二级 以上，不同的产品深度也各不相同。 专用的硬件乘法器 在一般的计算机上，算术逻辑单无(alu)只能完成两个操作数的加、减及逻辑 运算，而乘法(或除法)则由加法和移位来实现。因此，在这样的计算机的汇编语言 中虽然有乘法指令，但在机器内部，实际上还是由加法和移位来实现的。因此它 们实现乘法运算就比较慢，但在数字信号处理运算中，无论是滤波器，还是 dft, fft 运算，一般的算法中都有大量的乘法运算存在。乘法运算的速度是数字信号 处理实现中一个瓶颈问题。与一般的计算机不同，数字信号处理器都有硬件乘法 重庆大学硕士学位论文2水轮机组群状态监控系统总体方案设计 14 器，使得乘法运算可以在一个指令周期内完成。 多种专用的寻址方式 dsp 芯片的另一个重要特征是有一套专门为数字信号处理而设计的指令系 统。 快速的指令周期 cmos 技术、 先进的工艺及集成电路的优化设计、 工作电压的下降(5v- - - 3. 3v- 1. 2v)，使得 dsp 芯片的主频不断提高。目前高端产品的最高工作主频己经到达 200mhz，可以预见，随着微电子技术的发展，工作频率还将继续提高，指令周期 将进一步缩短。 良好的多机平行运行特性 正是由于上面所述的 dsp 芯片改进的哈佛结构、流水线结构、专用的硬件乘 法器、专门为数字信号处理而设计的指令系统、快速的指令周期和良好的多 dsp 并行运行特性，使 dsp 芯片非常适合于实时的数字信号处理。 在众多的 dsp 芯片中，ti 公司生产的 tms320lf2407 除具有高速处理数字 信号的功能外(主频 30mhz)，还集成了在大量的外设资源，使得 tms320lf2407 特别适用于监测和控制。tms320lf2407 的外设资源包括：1718 event manager：主要包括定时器和 pwm 发生器。 can 总线接口：与 can2. 0 标准兼容 a/d：l0bit, 500ns, 16 通道的模数转换器。 spi：串行外设接口(同步串口)。 sci：串行通讯接口(异步串口)。 看门狗定时器:有实时中断功能。 gpio:通用双向数字 i/0 管脚。 从上面的叙述可以得出这样的结论：tms320lf2407 具有运算速度快、外围 接口丰富、具有专门用于控制的外设接口及特别适合作数学运算的指令结构等特 点。选用 tms320lf2407 作为监控子结点的内核，不但可以处理水轮机的众多复 杂的参数，完成监控任务，还可以大大减化电路的复杂性，提高系统的可靠性。 2.2.4 总线接口卡的设计 pc 机的接口方式多种多样，主要包括 rs232 接口、并行端口、usb 接口、 isa 总线接口、pci 总线接口等。但是 pc 机上没有集成 can 控制器，不能直接 与 can 总线相连。要将 pc 机挂到 can 总线上与其它的子结点进行通信，必须 设计一个总线接口卡。在本课题中，将设计一种具有 rs232 接口、usb 接口和 can 总线接口的总线接口卡，通过该接口卡，pc 机能够使用 rs232 接口或者 usb 接口与 can 总线进行通信。 重庆大学硕士学位论文2水轮机组群状态监控系统总体方案设计 15 rs232 接口具有结构简单、应用较为普遍、技术成熟的特点。而 usb，全 称为universal serial bus(通用串行总线)是在1994年底由compaq、ibm、 microsoft 等多家公司联合提出的。直到近期它才得到广泛的普及应用。usb 的有如下特 点:19202122 (1) 速度快。usb 接口的传输速度高达 480mbps，和串口 115200bps 的速 度相比，相当于串口速度的 4000 多倍，完全能满足需要大量数据交换的外设 的要求。 (2) 连接简单快捷。 usb 接口设备的安装非常简单， 在电脑正常工作时也可以 进行安装，而无须关机或重新启动，打开机箱等操作，这主要是得益于 usb 的即 插即用和热插拔功能。 (3) 无须外接电源。 大家都知道， 一些采用普通串口或并口的设备比如打印机、 扫描仪等都需要相应的外接电源系统， 而 usb 外部设备直接利用 usb 接口提供的 电源，无须外接专门的交流电源。 (4) 良好的兼容性。usb 接口标准有良好的向下的兼容性，以 usb 2. 0 和 1. 1 版本为例，2.0 版本就能很好的兼容以前的 usb 1. 1 的产品。系统在自动侦测到 1. 1 版本的接口类型时，会自动按照以前的 12mbps 的速度进行传输，而其他的采 用 2.0 版本的设备，并不会因为接入了一个 1. 1 标准的设备而减慢它们的速度，它 们还是能以 2.0 标准所规定的速度进行传输。 由于 usb 接口的众多好处以及在当今的设备上应用越来越多，所以在设计总 线转换接口卡时设计了 usb 接口作为转换卡的一个与外部设备进行数据交流的接 口。同时考虑到以前的设备大多使用 rs232 接口，为了与以前的设备兼容，在转 换卡上又设计了一个 rs232 接口与 pc 机及其它外设进行通信。 该总线接口卡具备了 rs232 接口和 usb 接口，使其具有良好的兼容性。通过 该接口卡， 可发将以往只具有rs232接口的设备接到can总线上,又可以由usb 接口或 rs232 接口与 pc 机相连。 2.2.5 上位机信息管理系统设计 监控系统的上位机的信息