基于现场总线的发电机状态监测仪

1/8基于现场总线的发电机状态监测仪（武汉大学，湖北武汉430072）摘要随着水轮发电机组单机容量的增大，其安全、经济运行显得尤为重要，而常规的监测系统不能满足现代化水电厂实行状态检测、预知维护的需要。本文在介绍了CAN总线特点以后，主要讨论了一种基于现场总线的发电机状态监测仪的设计方案，给出了系统结构框图和关键硬件的设计。最后简要介绍了系统软件设计。关键词水轮发电机组；状态监测；CAN总线；DSP1引言随着水轮发电机组单机容量的增大，对机组的检修、维护、运行、管理提出了更高的要求。一旦发生事故，轻则影响机组的正常运行，重则造成水轮发电机组损坏，甚至影响电网的安全和稳定。所以，加强水轮发电机组的监测，对重要参量进行及时分析，对有关性能指标进行及时评估，对机组故障进行及时预测预报和原因分析，对于大中型水轮发电机组具有重要的意义。发电机组的状态监测包括定子三相电流、三相电压监测；转子电流、电压监测；定子、转子温度监测；定子、转子绝缘监测；轴电流监测；2/8振动、摆度监测；发电机有功功率、无功功率、功率因素、频率监测。在常规监测系统中，这些量的监测由一个个独立的仪表进行测量，这些零散的简单仪器构成的检测系统，无法对整个机组实现全面系统的考察和评价，不能满足现代化水电厂实行状态检测、预知维护的需要。为此，将机组各个监测部分集成起来，组成多层次的监测系统就显得非常必要。由于发电机的监测量较多，为分析方便，对部分量还需进行海量采样，一个这样的系统必然是多CPU系统，采用现场总线将可简化系统设计，提高数据传输率。本文讨论一种基于现场总线的发电机状态监测仪设计方案。控制局域网络CAN（CONTROLAREANETWORK）总线。是一种多主机局部网络系统。它具有简单方便、高效可靠、系统可扩充性能好等优点。其最大通信速率可达1MBS，其最大传输距离可达10KM5KBPS，这些卓越的性能使CAN总线得以在全球范围内一直保持高速发展。考虑CAN总线的成长性及许多单片机中集成有CAN总线控制器，在我们设计的发电机状态监测仪中采用CAN总线技术。基于现场总线的发电机状态监测仪由智能数据采集模块、工控机（IPC）、CAN总线3部分组成，其系流直流量采集模块，定子、转子温度监测模块，开关量记录模块，定子、转子绝缘监测模块，轴电流监测模块，振动、摆度3/8监测模块，发电机转速及转子角（功角）监测模块。发电机的有功功率、无功功率、功率因素、频率由三相电压、电流监测模块计算求得。每个模块通过CAN总线与一台工控机连接。工控机的主要功能是对智能数据采集模块的参数进行设置；通过现场总线网络实时获取智能数据采集模块的数据；发电机事件记录、故障录波；监测数据的实时显示、趋势分析、异常报警和完成报表输出等功能。CAN总线部分主要是由CAN总线适配卡、通讯介质以及相应的通讯软件构成。3系统结构2CAN总线简介4关键硬件电路设计41CAN总线PC适配卡CAN总线的卓越性能为发电机状态监测系统的高速数据通讯提供了保障，但很多工业PC机不带有CAN总线接口，为了在IPC上扩展CAN总线的监控和管理功能，我们设计了一块适配卡插入IPC的扩展插槽内。该卡完成CAN接口与IPC的扩展功能，它主要完成如下任务（1）数据收发的作用CAN适配卡将IPC与现场的智能数据采集模块连接，实现数据传送并将此信息转发给工业PC机；此外，通过该适配卡，还可将IPC的命令和数4/8据转发给CAN总线上的各个智能模块。（2）监控管理功能完成对连接在CAN总线上的各个智能模块的监控和管理工作，如时钟对时，参数初始化等。CAN总线PC适配卡的硬件电路如图41所示，它主要包括89C52单片机（内含8KE2PROM、256字节RAM）、地址译码与中断信号控制逻辑电路EPM7128S，共享存储器双口RAM（IDT7132），CAN控制器SJA1000芯片和光电隔离电路（6N137）、CAN驱动器82C520等几部分组成。42智能数据采集模块智能数据采集模块包括发电机三相电压、三相电流交流采集模块，发电机转子电压、电流直流量采集模块，定子、转子温度监测模块，开关量记录模块，定子、转子绝缘监测模块，轴电流监测模块，振动、摆度监测模块，发电机转速及转子角（功角）监测模块。所有智能数据采集模块均采用美国TI（德州仪器）公司的数字信号处理器DSP（DIGITALSIGNALPROCESSOR）TMS320F243为核心构成。TI公司的DSP芯片TMSF243具有极高的信号处理速度，灵活的指令集，改进的并行结构及内在的操作灵活性，是一种性价比较高的定点DSP芯片。除此之外，在它的内部还有CAN总线接口，从而使系统的设计大为简化。本节5/8以三相电压、三相电流交流采集模块为例，介绍智能数据采集模块的典型硬件结构。如图42所示，三相电压、三相电流交流采集模块由一片DSP、时钟电路、交流信号处理电路、交流信号过零检测电路、存储器、电源电路、看门狗电路、开关量输入电路、开关量输出电路、显示电路等组成。显示电路内自带CPU，其工作不占用DSP的时间，因此不影响系统的功能。当智能数据采集模块与IPC安装在同一地点时，显示电路可取消。5通信程序设计51工控机（IPC）一侧的软件设计上位机通信软件包括初始化程序、CAN总线适配卡通信控制程序和IPC机应用程序接口程序3大部分。（1）初始化程序IPC机与CAN总线适配卡是通过一套基于命令的通信协议进行数据交换，命令和数据通过双口RAM作为中介。适配卡与CAN总线数据的接收和发送通过SJA1000CAN控制器进行。因此，初始化程序主要包括双口RAM和SJA1000CAN控制器的初始化两方面。（2）CAN总线适配卡通信控制程序主要包括方法，使得实验室测量自动化系统方案具有以下特点CAN总线适配卡与IPC机的数据交换和CAN总线适配卡对总线数据的发送和接收。SJA1000CAN控制器初始化后，微控制器的主要任务就是处理CAN总线数据的发送和接收。6/8（3）IPC机应用程序接口程序接口程序是提供给用户对适配卡及CAN总线进行操作的功能模块，它主要包括初始化、发送命令、查询应答数据、读应答数据等。52智能节点软件设计智能节点通信软件是用来实现上位机及其他智能节点的通信。主要由3部分组成初始化程序、发送程序、接收程序。（1）初始化程序初始化程序主要是通过对CAN控制器控制段中的寄存器写入控制字从而确定CAN控制器的工作方式等。（2）发送程序信息从CAN控制器发送到CAN总线是由CAN控制器自动完成的。发送程序只需把被发送的信息帧送到CAN的发送缓冲区，启动发送命令即可。发送程序采用查询方式。（3）接收信息信息从CAN总线到CAN接收缓冲区是由CAN控制器自动完成的。接收程序只需从接收缓冲区读取要接收的信息即可。接收程序采用中断方式。基于现场总线的发电机状态监测仪因采用DSP芯片进行智能数据采集，CAN总线进行数据通讯交换，使之具有如下优点（1）响应速度快，抗干扰能力强。7/8（2）网络用两根双绞线组网，故障率极低，通信波特率高，数据传送量大。（3）结构简单，可扩充性强，安装、维修方便、可靠性高。基于现场总线的发电机组状态监测仪可方便地完成实时监视、高速数据采集、事件记录、故障录波、趋势分析、异常报警和完成报表输出等功能，是发电厂预知维护、故障诊断、状态检修的基础工作，具有较好的应用前景。参考文献1阳宪惠现场总线技术及其应用M北京清华大学出版社，199962马红光现场总线技术及其应用M西安陕西科学技术出版社，199923邬宽明CAN总线原理和应用系统设计M北京北京航空航天大学出版社,4IDTDATASHEETDOCUMENT，INTEGRATEDDEVIC