水電站是我國重點(diǎn)支持發(fā)展的能源建設(shè)，機(jī)組運(yùn)行效率、耗水率、發(fā)電量等是衡量水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的準(zhǔn)則。為確保水電站安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象或工程隱患，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尤為必要[1]。
    根據(jù)我國對(duì)水電站安全監(jiān)測(cè)工作的要求和水電站安全檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，本文以STM32F103VC為硬件控制核心，設(shè)計(jì)了用于水電站各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)的效率儀。
1 測(cè)量原理分析
    水電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測(cè)的參數(shù)主要有：瞬時(shí)流量、累積流量、工作水頭、有功功率、耗水率和水輪機(jī)效率[2]等，通過對(duì)應(yīng)變送器轉(zhuǎn)變成4~20 mA的直流電流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后送給STM32F103VC處理。
1.1 瞬時(shí)流量及累積流量
    水輪機(jī)過機(jī)流量采用蝸殼差壓法進(jìn)行測(cè)量[3]，如圖1所示為蝸殼截面圖。根據(jù)角動(dòng)量守恒定律，蝸殼任意斷面上有如下等式成立：

   
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 總體設(shè)計(jì)
    本效率儀整體框圖如圖2所示，以STM32-F103VC為核心，外圍擴(kuò)展有人機(jī)接口、按鍵控制、RS483/RS232通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等設(shè)備。

    系統(tǒng)有4路輸入，分別接相應(yīng)的傳感器，傳感器輸入為4 mA~20 mA的直流電流信號(hào)。系統(tǒng)的工作過程：直流信號(hào)經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換及電壓調(diào)理將信號(hào)轉(zhuǎn)化為0~2 V的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量以便控制芯片進(jìn)行運(yùn)算處理。數(shù)據(jù)經(jīng)過STM32F103VC處理之后，得到瞬時(shí)流量、累積流量、工作手頭、水輪機(jī)效率及耗水率5個(gè)參數(shù)并由LCD顯示出來。同時(shí)，將瞬時(shí)流量、工作水頭、水輪機(jī)效率及耗水率4個(gè)表征水輪發(fā)電機(jī)組性能的參數(shù)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換及V/I變換，轉(zhuǎn)換為可以接入監(jiān)測(cè)中心儀表的電流信號(hào)，以便工作人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)
    由于系統(tǒng)的輸入信號(hào)為傳感器輸出的4~20 mA直流電流信號(hào)，而A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入量為0~2.5 V電壓信號(hào)，所以必須首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行I/V變化及電壓調(diào)理。本設(shè)計(jì)選用AD公司的AD620，只需一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)增益的精確編程。增益為：
    
    經(jīng)過轉(zhuǎn)換調(diào)理后的電壓信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以便進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理。
2.3 數(shù)據(jù)輸出及顯示模塊設(shè)計(jì)
    核心控制器根據(jù)上述公式對(duì)數(shù)字化的輸入信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出瞬時(shí)流量、累積流量、工作水頭、有功功率、耗水量以及效率5個(gè)參數(shù)值。將5個(gè)參數(shù)值顯示在LCD上，同時(shí)將計(jì)算出的參數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的4~20 mA電流值輸入監(jiān)測(cè)中心的指示儀表，以便工作人員監(jiān)測(cè)。
   數(shù)據(jù)顯示通過工業(yè)級(jí)顯示液晶屏HG2401283-LYH-SV實(shí)現(xiàn)，其為240×128圖形點(diǎn)陣顯示模塊，數(shù)據(jù)并行輸入。顯示內(nèi)容包括瞬時(shí)流量、累積流量、工作水頭、有功功率、耗水率、效率及通道報(bào)警。
   計(jì)算出的參數(shù)必須轉(zhuǎn)化為模擬電流信號(hào)才能提供給檢測(cè)中心，本設(shè)計(jì)通過美信公司的MAX5661轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。MAX5661是一款16 bit的電壓電流雙輸出D/A轉(zhuǎn)換器，它具有SPI接口，與MCU通信簡單快速，其電流輸出范圍為0~20 mA或4~20 mA，并且具有25%的額外超量程輸出能力。
2.4 通信模塊設(shè)計(jì)

   通信模塊設(shè)計(jì)采用通用的RS485通信，并對(duì)通信電路進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)，通信芯片選用美信公司的MAX-
3082ESA。該芯片工作于半雙工模式，最多可掛接256個(gè)收發(fā)器，最高傳輸速率為115 Kb/s，具有很好的擴(kuò)展性。通信模塊電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 協(xié)議分析及處理
    首先通過上位機(jī)軟件進(jìn)行基本的配置，如傳感器參數(shù)、常數(shù)、滿量程等。程序根據(jù)通信協(xié)議對(duì)通過485接收到的上位機(jī)命令進(jìn)行分析，獲取命令類型并進(jìn)行相應(yīng)的處理。協(xié)議分析及處理在主循環(huán)中，不斷進(jìn)行判斷上位機(jī)軟件所發(fā)出的命令，如果上位機(jī)軟件沒有發(fā)出命令則不作出反應(yīng)。
3.2 按鍵及LCD顯示
    效率儀有禁止刷新、啟動(dòng)測(cè)量、秒/分刷新選擇鍵3個(gè)按鍵。LCD顯示的內(nèi)容由啟動(dòng)測(cè)量按鍵決定，若啟動(dòng)測(cè)量按鍵按下，則顯示測(cè)量畫面；否則顯示開機(jī)畫面。在禁止刷新按鍵沒有按下時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)1 s。判斷秒/分刷新選擇按鍵狀態(tài)，若為秒刷新則每進(jìn)入一次中斷都進(jìn)行重新測(cè)量并顯示；若為分刷新則進(jìn)入60次中斷進(jìn)行重新測(cè)量并顯示。程序?qū)Π存I狀態(tài)進(jìn)行定義，在主循環(huán)中判斷按鍵狀態(tài)標(biāo)志并調(diào)用相應(yīng)的子程序。
3.3 數(shù)據(jù)采集及處理
    當(dāng)啟動(dòng)測(cè)量按鍵按下時(shí)，調(diào)用測(cè)量子程序。采集4個(gè)通道的數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算，判斷采集的通道數(shù)據(jù)是否滿足4~20 mA并生成報(bào)警通道字符。運(yùn)算之后的數(shù)據(jù)作為參數(shù)，一方面?zhèn)鬟f給顯示子程序，另一方面?zhèn)鬟f給D/A轉(zhuǎn)換子程序轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)。其簡化流程圖如圖5所示。

4 性能及測(cè)量結(jié)果分析
4.1 精度分析
    數(shù)據(jù)采集精度是效率儀精度的決定性因素，本設(shè)計(jì)主要從兩方面提高數(shù)據(jù)采集精度。
    (1)選用AD620進(jìn)行I/V變換及電壓調(diào)理。AD620具有高精度、低失調(diào)電壓和低失調(diào)漂移特性，尤其適用于傳感器接口這種精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用典型的三運(yùn)放改進(jìn)設(shè)計(jì)，大大抑制了共模干擾。同時(shí)，增益電阻Rg使用阻值為12.35 ?贅的精密電阻以提高轉(zhuǎn)換精度。
    (2)采用TI公司的ADS8331作為A/D轉(zhuǎn)換器。ADS8331為低功耗、16 bit、4通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其采樣速率達(dá)到500 KS/s，轉(zhuǎn)換精度高達(dá)0.038 mV。同時(shí)，ADS8331的基準(zhǔn)電壓通過基準(zhǔn)源REF5025提供，進(jìn)一步提高了采集數(shù)據(jù)的精度。
4.2 抗干擾及自我保護(hù)分析
    儀器的干擾主要存在于通信電路中，干擾會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸丟失、錯(cuò)誤等問題。通信電路采用RS485通信，RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，本身已具有共模抑制能力。設(shè)計(jì)時(shí)將控制部分和通信部分采用光耦元件進(jìn)行隔離，避免了控制電路對(duì)通信電路的干擾及影響。為避免浪涌現(xiàn)象對(duì)通信的影響，在差分信號(hào)的輸出線上串聯(lián)了瞬態(tài)抑制二極管，同時(shí)通過一個(gè)限流電阻將通信地與設(shè)備地相連，有效抑制了電流回流引入的干擾。通信電路供電通過隔離電源DCR10505提供。
    在電路輸入輸出部分都有自我保護(hù)能力。在信號(hào)輸入端接入100 mA自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，當(dāng)電流過大時(shí)起到保護(hù)作用。輸出電流信號(hào)由MAX5661提供，其增益電阻端接在封裝之外，便于實(shí)現(xiàn)浪涌和瞬態(tài)保護(hù)且不會(huì)影響精度。此外，還集成了負(fù)載故障檢測(cè)功能，當(dāng)電流輸出開路或電壓輸出短路時(shí)，漏極開路的故障引腳將被拉至低電平。使用MAX5661增強(qiáng)了電路的保護(hù)性。

    本文設(shè)計(jì)的效率儀精度和準(zhǔn)確度都達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平，分辨率可以達(dá)到0.05% F.S，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)效率儀0.5% F.S的指標(biāo)。效率儀具有很強(qiáng)的抗干擾能力和自我保護(hù)能力，遠(yuǎn)程在線檢測(cè)中，數(shù)據(jù)誤碼率<10^-6。實(shí)現(xiàn)了對(duì)水電機(jī)組瞬時(shí)流量、累積流量、工作水頭、有功功率及耗水率等各項(xiàng)指標(biāo)的精確監(jiān)測(cè)，可滿足水電站的監(jiān)測(cè)要求，并已成功用于某大型水電站。
參考文獻(xiàn)
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