基于STM32F103VC的水電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 根據(jù)水電站水電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，設(shè)計(jì)了基于STM32F103VC硬件平臺(tái)的水電機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)監(jiān)測(cè)效率儀，并對(duì)信號(hào)調(diào)理和抗干擾部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了參數(shù)監(jiān)測(cè)精度，其分辨率較傳統(tǒng)效率儀提高了10倍，遠(yuǎn)程在線檢測(cè)數(shù)據(jù)誤碼率<10-6。該效率儀已成功應(yīng)用于某大型水電站水電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)。
關(guān)鍵詞： 水電機(jī)組；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；流量；效率儀

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?，F(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)