專利名稱：水輪機擺度嵌入式監(jiān)視保護裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于機械運行狀況監(jiān)測保護領域。涉及對機械振動的監(jiān)視保護裝置，尤 其是水輪機擺度的監(jiān)測與保護的裝置，涉及嵌入式、計算機技術以及通信技術在水輪 機、包括水泵的渦輪機械運行狀況監(jiān)測保護裝置中的應用。
背景技術：
水電機組機械振動、擺度(主要是一種低頻振動)作為判斷水輪機工況的重要參數， 對水輪機(包括水泵的渦輪機械運行狀況)進行實時監(jiān)測和狀態(tài)在線診斷是大中型水 電機組的迫切需求.早期水電機組的機械振動、擺度測量一直停留在指針式儀表測量的 基礎上，不能滿足要求。隨著傳感器技術和計算機技術發(fā)展的日新月異，對水電機組機 械振動、擺度測量進行計算機實時監(jiān)測及分析的條件也日趨成熟?，F有采用PLC的旋 轉機械在線監(jiān)測保護裝置雖然在監(jiān)測能力上得到提高，如中國專利200520072551. 5提 出了增加通道的PLC顯示與控制裝置，每路信號均設有獨立的恒流輸出及實時信號輸 出TMD ，包括轉速傳感器、電渦流傳感器、位移傳感器、振動傳感器，并設有相應轉 速信號處理電路、軸向位移信號處理電路及相應A/D轉換電路、振動信號處理電路及 相應A/D轉換電路、行程信號處理電路及相應A/D轉換電路。轉速傳感器連接轉速信 號處理電路，處理電路經計數電路連接PLC輸入口，電渦流傳感器的輸出連接軸向位 移信號處理電路，軸向位移信號處理電路中包括一差分放大器，傳感器信號連接差分 放大器的一輸入端，差分放大電路的負輸入端接可調分壓電路，位移傳感器連接行程 信號處理電路，并設有觸摸屏顯示控制器，觸摸屏顯示控制器與PLC微處理器的接口 相連接。但因為處理器速度、性能尚需要改進。發(fā)明內容本實用新型的目的是提出一種水輪機擺度嵌入式監(jiān)視保護裝置，結合水電生產的 需求，基于32位嵌入式處理器、實現了水輪機等水電機組機械振動、擺度測量及實時監(jiān)測和數據分析、在線診斷的一體化。水輪機擺度嵌入式監(jiān)視保護裝置，其特征是包括電源、多個功能模塊、顯示器和觸 摸屏控制電路構成，每個功能模塊包括各傳感器信號采集電路和信號輸出處理電路、A/D轉換電路和微處理器構成，設置在水輪機的各輸入傳感器信號連接每個功能模塊的 信號輸入端；各個功能模塊通過高速異步串行接口 (UART)電路連接觸摸屏控制電路， 裝置的功能模塊輸出端連接現場編程接口 14電路、緩沖輸出電路17、 RS-485通信及 遠程編程電路18、 4一20mA電流輸出。通過RS-485連接上位計算機。顯示器可采用彩 色液晶顯示觸摸控制屏。所述電源是二路冗余電源。所述每個功能模塊輸入的各傳感器信號采集電路采用二 通道冗余傳感器監(jiān)測的輸入電路或三通道冗余傳感器監(jiān)測的輸入電路取二通道輸入數 據的電路，傳感器監(jiān)測的輸入電路先連接一繼電器邏輯輸出模塊(進行三選二)后再 連接功能模塊。
本裝置選用了 32位的嵌入式處理器作為檢測裝置的微處理器111，它有運算 速度高，集成度高，內嵌RAM、 FLASH存儲器，多種總線接口，抗干擾能力強等特點， 為提高儀表的性能提供了一個功能強大的硬件平臺。
本裝置應用了源代碼開發(fā)的嵌入式實時操作系統(tǒng)進行資源管理。系統(tǒng)軟件中 設計了裝載器，輔助裝置提供了外部在線編程ISP (in-System Programming)接口電 路14，因此系統(tǒng)可以實現在線升級功能。用戶或現場維護人員只要有一臺具有RS-232 串行接口的PC機，就可以很方便的在現場對裝置進行軟件升級、功能修改或故障修復， 降低了用戶的維修、使用成本。
本裝置應用十六位串行A/D轉換芯片112來進行數據采集。其分辯率是通常 使用十二位A/D轉換芯片的16倍。高分辯率為高精度測量以及軟件精度整定和校準提 供了足夠的分辯率； 該裝置可在線實時監(jiān)測設備的工作狀態(tài)，實時進行故障診斷與預報； 該裝置具有網絡通信功能，上位機可以通過網絡直接對裝置進行控制、管理、 組態(tài)和數據采集，進行信息交換；本裝置的工作原理如下整個實用新型裝置的軟件使用多任務實時操作系統(tǒng)編程， 由于采用了多任務操作系統(tǒng)，所以軟件是分別由多個獨立的任務完成。各任務間的信 息傳遞由信號量、消息和信箱來完成。任務間的調度實行搶先機制，能最大可能的滿 足系統(tǒng)實時性的要求。軟件運行過程如下微處理器LPC2114 111是一款自帶FLASH程序存儲器和靜態(tài) RAM數據存儲器的32位嵌入式CPU。其結構特別適用于工業(yè)自動化儀表。上電后，運行過程如下圖22。首先執(zhí)行廠家內嵌的自舉程序B00TL0AD,并檢查 是否執(zhí)行ISP (在線編程)功能。否則運行用戶的啟動代碼。并進行硬件設備自檢和系 統(tǒng)初始化。在完成了建立各項用戶任務后，啟動任務將退出，所有的功能將由所建立 的各項任務來完成。功能模塊數據采集任務圖23完成現場測點參數的采集功能。此外，根據組態(tài)的 設置狀態(tài)將當前的測點參數與報警設置相比較，并判斷是否設置報警標記。功能模塊保存數據任務圖24。該任務平時處于等待消息的狀態(tài)。當其它任務更改 了組態(tài)參數時，需發(fā)消息通知該任務將已被更改的組態(tài)參數保存到外掛的EEPR0M 113 中，以被斷電時不會丟失組態(tài)參數。功能模塊指令執(zhí)行任務圖25。該任務平時處于等待上位機通信指令的狀態(tài)。當接 收到指令后，將執(zhí)行指令并發(fā)出應答信息。

圖1:本實用新型嵌入式水輪機擺度監(jiān)測與保護裝置系統(tǒng)結構圖；圖2:本實用新型嵌入式功能模塊框圖圖3:本實用新型嵌入式功能模塊一通訊接口電路圖4:本實用新型嵌入式功能模塊CPU電路圖；圖5:本實用新型嵌入式功能模塊_前向通道信號量輸入框圖；圖6:本實用新型現場在線編程接口 (外部電路)圖7:本實用新型嵌入式功能模塊—通信及遠程編程接口具體實施方式
圖1中，本實施由冗余電源和嵌入式擺度監(jiān)測保護功能模塊2114組成(以下簡稱 嵌入式功能模塊)?；闊醾浞莸碾p冗余電源可以接收兩路AC220V供電。功能模塊也 接收上位機的組態(tài)和數據巡檢、采集命令。并提供通訊接口、彩色顯示屏和四線電阻 式觸摸屏。用于現場顯示和控制。圖2中功能模塊基本電路部份包括嵌入式處理器模 塊11 、現場編程接口 14、緩沖輸出17、 RS-485通信及遠程編程18 、 4一20mA電流 輸出16、雙通道模擬量輸入12、雙通道數字量輸入13、報警及保護輸出模塊15等。圖4、 6示基本部分的電路的說明如下:嵌入式處理器模塊圖4中的CPU 111是 LPC2114型，內含FLASH、 RAM,分別用于保存程序及數據。LPC2114嵌入式CPU電路中， 嵌入式處理器lll, A/D轉換器112; U3-串行E2PR0M;114-電源監(jiān)視；通訊接口 RS-485 0112、 RS-232 0114，網卡0113，緩沖器0115;光偶116。串行EEPROM113和16位A/D輸入芯片112通過I2 C串行總線與LPC2114嵌入式CPU 111連接。電壓監(jiān)測電 路114連接到LPC2114嵌入式CPU lll的復位端，提供電壓監(jiān)測和保護。圖3中功能 模塊的現場在線編程14通過RS232驅動芯片141連接到外部上位機。RS232驅動芯片 141將外部數據轉換成TTL電平送到LPC2114嵌入式CPU 111的串口 0 [ISP1 、 ISP2]， 從而實現在線編程和軟件升級。圖5中雙通道4一20mA電流輸出電路16接收來自LPC2114嵌入式CPU的脈寬輸出 信號。來自傳感器的輸入線接到信號轉換電路121的Ainl,經轉換成電壓信號后從 Aoutl輸出，并從Ain2輸入低通濾波電路122，經低通濾波后從Aout2輸出，并從Ain3 進入信號調理電路123，經信號調理電路123規(guī)范化的信號從Aout3輸出送往A/D采集 電路112的AinO。鍵相脈沖輸入電路，鍵相脈沖可由外部鍵相信號提供，也可以來自 其它儀表或傳感器。圖7中通信接口電路中181是通訊芯片；光偶182、 183、 184。本實用新型功能模塊連接水輪機擺度(振動)傳感器輸入，也包括并聯有軸溫度、 轉速、軸振、軸向位移等輸入通道的傳感器輸入的功能模塊。
權利要求1、水輪機擺度嵌入式監(jiān)視保護裝置，其特征是包括電源、多個功能模塊、顯示器和觸摸屏控制電路構成，每個功能模塊包括各傳感器信號采集電路和信號輸出處理電路、A/D轉換電路和微處理器構成，設置在水輪機的各輸入傳感器信號連接每個功能模塊的信號輸入端；各個功能模塊通過高速異步串行接口(UART)電路連接觸摸屏控制電路，裝置的功能模塊輸出端連接現場編程接口(14)電路、緩沖輸出電路(17)、RS-485通信及遠程編程電路(18)、4-20mA電流輸出電路；通過RS-485連接上位計算機。
2、 由權利要求1所述的水輪機擺度嵌入式監(jiān)視保護裝置，其特征是所述電源是二 路冗余電源。
專利摘要水輪機擺度嵌入式監(jiān)視保護裝置，包括電源、多個功能模塊、顯示器和觸摸屏控制電路構成，每個功能模塊包括各傳感器信號采集電路和信號輸出處理電路、A/D轉換電路和微處理器構成，設置在水輪機的各輸入傳感器信號連接每個功能模塊的信號輸入端；各個功能模塊通過高速異步串行接口(UART)電路連接觸摸屏控制電路，裝置的功能模塊輸出端連接現場編程接口(14)電路、緩沖輸出電路(17)、RS-485通信及遠程編程電路(18)、4-20mA電流輸出電路；通過RS-485連接上位計算機。
文檔編號F03B15/00GK201094096SQ200720046260
公開日2008年7月30日 申請日期2007年9月30日 優(yōu)先權日2007年9月30日
發(fā)明者劉桂興, 吳冬明, 衛(wèi) 徐, 方安平 申請人:江陰眾和電力儀表有限公司