水力機組振動擺度在線監測系統的通訊控制器的製作方法
2023-05-25 00:55:16 1
專利名稱：水力機組振動擺度在線監測系統的通訊控制器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種水力機組振動擺度在線監測系統的通訊控制器，屬於水力發電設備中的監測設備。
背景技術：
目前用於水力發電機振動擺度監測的大多採用DCS(分散控制系統)系統結構，由模數轉換設備採集現場模擬信號，並輸入至上位機進行數據分析，主要問題是1、測量速度慢，當測點增加時難以實現實時監測；2、抗幹擾能力差，模擬信號在長距離傳輸時難以保證信號質量；3、系統結構靈活性差，可擴展能力非常弱。
經國際聯機檢索DIALOG系統的EI、INSPEC、NTIS、PASCAL、JICST、FLUIDEX、MCGraw-Hill Companies、Water Resource、Eiectric powerDatabase等資料庫，相關文獻介紹的是電力設備的計算機在線振動監測，對水電廠及火電廠的火力發動機、發電機、透半機、泵等旋轉設備的振動進行在線監測、診斷、分析、進行嚴格的評估和故障診斷，為維修提供決策；其中1、Rehabilition of core jomts on hydro generator with vibrationmonitoring results//INSPEC(B2000-05-8310-059)、2、A new pc-basedon-line shaft vibration monitoring system for hydro turbine-generatorsets//INSPEC(B9606-8310-009)均對水力發電電力設備的軸進行在線監測診斷，並進行自動記錄；特別是3、Users demand get more interoperabilityfrom IT. McGroaw-Hill publications介紹的Lonworks現場總線技術在基於計算機的管理監測系統中的應用，其中介紹了在Ontario hydro中的應用。對Lonworks總線技術計算機管理監測系統的應用有介紹，但未指出在水輪機設備振動在線監測的應用，所檢文獻中均未具體涉及到小波分析。
技術方案本實用新型的針對目前國內水電廠所使用的振擺監測系統的現狀，對DCS系統結構以及其他諸多現場總線的缺點和局限，將Lonworks總線技術計算機管理監測技術應用於水輪機設備振動在線監測，作到小波分析，並力圖解決下列技術問題1、明顯提高測量速度，實現大數據量的傳輸；2、突破模擬量傳輸的距離和精度的局限，大幅提高信號傳輸的抗幹擾能力；3、可方便地實現更新換代，即改善結構，增強擴展能力。
本實用新型的技術方案是該水力機組振動擺度在線監測系統的通訊控制器由神經元晶片電路、存儲器讀寫電路、收發器電路組成，具體連接是神經元晶片U1的數據輸出引腳cp0、cp1分別與收發器U3的RXD和TXD引腳連接，神經元晶片U1的A13-A15地址線經過U7C、U7A組成的編碼電路與RAM存儲器U4的片選CE連接；ROM存儲器U5的片選引腳CE接地，U1的16條電址線經過U6、U7編碼電路與U4和U5的讀寫引腳WE和OE的連接，U1的A0～A15 16位地址線與存儲器的地址線連接；收發器包括收發晶片U3、隔離電路和接口電路；前端接口電路J2與U1的I/O接口連接，收發晶片U3的輸出通過隔離電路與雙絞線接口J1相連接。
所述的水力機組振動擺度在線監測系統的通訊控制器，其神經元晶片採用Neuron 3150。
所述的水力機組振動擺度在線監測系統的通訊控制器，其收發晶片U3採用FTT-10A。
本實用新型用於系統充分利用水力機組振動擺度在線監測系統，實現了Lonworks現場總線技術提供的強大的硬體平臺，很好的實現了如下有益效果1、通信速率可達1.25MB/s(130米)或78KB/s(2700米)。傳輸介質為雙絞線。高速、遠距離的數據傳輸保證了系統能夠實現快速的大數據量吞吐，使系統實時性非常強；2、Lonworks現場總線技術可將通訊節點置於測點附近，測點(通訊節點)到上位機以及測點(通訊節點)之間採用雙絞線傳輸數位訊號，因此在抗幹擾方面具有模擬信號傳輸無法比擬的優越性；Lonworks現場總線的擴展能力非常強，每個信道支持連接3.2萬個節點，使本系統的可擴展潛力非常大
圖1是本實用新型硬體邏輯框圖、圖2是通訊控制器硬體原理圖。圖中元件如下標號 型號名稱描述U1 TMPN3150Neuron 3150神經元晶片U2 HAS5-5-NAC/DC電源模決。In220VAC；Out5VDCU3 FTT-10A 自由拓撲雙絞線收發器U4 IS61C256AH 32K RAMU5 AT29C51264K Flash ROMU6 74F32N 四或門U7 74F00 四與非門U8 10M 10MHz晶振J1 CON2雙絞線接口J2 CON18 18腳I/O接口J3 CON3220VAC輸入接口J4 CON2+5VDC輸出接口系統硬體結構包括神經元晶片電路、存儲器讀寫電路、收發器電路組成，具體如附圖1所示，神經元晶片電路包括神經元晶片U1、電源模塊U2、時鐘電路U8，存儲器讀寫電路包括RAM U4、ROM U5和U6、U7組成的編碼電路，收發器電路包括自由拓撲雙絞線收發器U3、D1-D8等組成的隔離電路、雙絞線接口J1、I/O接口J2等接口電路。
具體實施方式
本實用新型用於系統實現了以Lonworks為基礎的數據採集和傳輸的結構各部分具體工作原理如下1、A/D轉換神經元晶片以Neuron3150神經元晶片為控制核心完成A/D轉換，Neuron3150是本產品中數據採集和傳輸的核心控制晶片。Neuron 3150有兩種可並行工作的I/O對象，一種是並行I/O對象，一種是多總線I/O對象。並行I/O對象適合與處理器進行連接，多總線I/O對象即可與處理器又可與其它設備相連接。考慮現場對數據的要求及性價比等因素，採用了多總線工作方式。多總線I/O對象有八根地址/數據復用線和三根控制線，三根控制線分別是鎖存信號、讀信號和寫信號。這種I/O對象可使神經元晶片控制所有的讀寫操作，這樣減輕了協議的工作負擔並向用戶提供了一個易用的接口。
使用該方案進行數模轉換時使用多總線工作方式，地址線和數據線復用，用鎖存器鎖存地址。當地址信號選通多路模擬開關的一個通道時，模擬信號從該通道輸入，多路模擬開關的輸出接一個射極跟隨器與A/D晶片連接。由神經元晶片控制8位數據線實現12位A/D轉換結果的獲取。
2、Lonworks通訊控制節點本實用新型的通訊控制器適於Lonworks通訊控制節點用於控制和傳輸從A/D轉換獲得的數據。各節點間以雙絞線連接成為一個全開放的Lonworks子網。Lonworks通訊控制節點採用本實用新型的通訊控制器，它以Neuron3150神經元晶片為核心，擴展了Flash、RAM、clock、Transceiver(收發器)、EPLD(解碼器)等外圍元器件，完成將現場獲取的數位訊號向Lon網傳輸的任務。其結構圖如附圖1所示，工作原理見附圖2。
其中Flash ROM用於在線修改用戶程序，在作為產品實際應用時，將FlashROM改為EPROM或用12V改寫的Flash ROM，防止用戶程序丟失。
收發器選用FTT-10A自由拓撲雙絞線收發器，該收發器可以連接到任何基於Neuron晶片的控制系統。FTT-10A收發器由一個隔離變壓器和一個集成的78kbps微分曼切斯特編碼收發器組成，收發器管腳與Neuron晶片的通信埠(CP)和時鐘線、+5V電源及雙絞線網絡線相連。FTT-10A收發器自動檢測輸入時鐘頻率在5、10、20MHz。收發器安裝時只具有一種安裝位置。當無電源供給時收發器輸出呈高阻狀態，當收發器電源下降時不會影響網絡通信。
控制模塊由於全部採用低功耗CMOS元器件，耗電量很低。整個控制板正常工作電流只為50mA。
1)元器件連接關係通訊節點的硬體連接仍以Neuron 3150神經元晶片為核心，下面就圍繞Neuron 3150描述通訊節點具體的硬體連接。
U1--U2220VAC的3條輸入線分別接入U2的1、2、3號引腳，並由4、5號引腳向外輸出+5VDC電源，+5VDC接入U1的VDD(7、20、22、26、40、41號引腳)。
U1--U3U1的cp0、cp1(28、29號引腳)分別與U3的RXD和TXD(4、5號引腳)連接，用於數據傳輸。
U1--U4、U5U1的A0～A15為16位地址線，用於存儲器尋址，其尋址空間分配0xFFFF 1KB保留用於存儲器映像0xFC000xFBFF 2.5KB保留0xF2000xF1FF 0.5KB片內EEPROM0xF0000xEFFF 2KB片內RAM0xE8000xE7FF 2KB保留未用0xE0000xDFFF 24KB外部擴展RAM0x80000x7FFF 32KB外部擴展ROM0x000016條地址線經過EPLD編碼與U4、U5的地址線和讀寫控制引腳連接，有效訪問32KROM(映射為尋址空間0x0000～0x7FFF)和24KRAM(0x8000～0xDFFF)用於存放臨時變量，並保證不會訪問到其他不需要的存儲空間。
U1的D0～D7為8位數據線。Neuron3150在利用16位地址線對U4、U5所分配的存儲空間進行有效尋址後，經由D0～D7進行數據傳輸。
U1--U6、U7U6和U7組成CPLD邏輯編碼電路，使得Neuron 3150能利用16位地址線對32K ROM和24K RAM進行有效尋址，同時保正用戶無法對片內其他保留空間進行無效的非法訪問。
U1--U8U8連接U1的CLK1和CLK2(23、24號引腳)，其作用是向U1提供10MHz的工作基準時鐘。
U1--J2U1的A0～A15為16位地址線，用於存儲器尋址，U1--J4J4的1號引腳連接U1的VDD引腳(7、20、22、26、40、41、44號引腳為U1提供+5VDC工作電壓。J4的2號引腳連接U1的VSS(8、9、19、21、25號引腳)為U1提共數字地。
U2--U3U2的5號引腳接U3的VCC(1號引腳)，為U3提供+5VDC工作電源，U2的4號引腳連接U3的GND(8號引腳)，為U3提供數字地。U3的T1、T2引腳(7、9號引腳)為模擬引腳，分別經過二極體組電路接地，用於對U3進行靜電保護。
U2--U4U2的5號引腳連接U4的VCC(28號引腳)，為U4提供+5VDC工作電源。U2的4號引腳連接U4的GND(14號引腳)，為U4提供數字地。
U2--U5U2的5號引腳連接U5的VCC(32號引腳)，為U5提供+5VDC工作電源。U2的4號引腳連接U5的VDD(16號引腳)，為U5提供數字地。
U2--U6、U7U2的5號引腳為U6和U7提供+5VDC高電平作為邏輯1，進入邏輯運算；U2的4號引腳為U6和U7提供數字低電平作為邏輯0，進入邏輯運算；U2--U8U2的4號引腳為U8提供數字地低電平，即公共端。
U2--J3、J4U2為AC/DC單元，由J3的1、2、3號管腳接進220VAC電源，向J1的1、2號引腳分別輸出+5VDC和公共地線。
U3--U8U3的CLK(6號引腳)與U8的任意引腳連接，由U8為U3提供工作時鐘基準。
U3--J1U3的NETA(2號引腳)和NETB(3號引腳)為雙絞線通訊接口，在經過整流和濾波後通過J1的1、2號兩個引腳與其它Lon網設備連接。
U4、U5、U6、U7；U4和U5為存儲器件，由U6和U7組成的CPLD邏輯編碼電路進行地址空間、片選信號及讀寫信號的控制，以實現對32K ROM和24KRAM的有效尋址。
工作原理通訊控制節點以Neuron 3150晶片為工作核心，外圍擴展了I/O接口、片外存儲器、電源、基準時鐘和網絡收發五個模塊。
a)I/O接口工作原理I/O接口主要是與前端A/D轉換模塊進行通訊。其工作模式是採用MAXBUS方式的並行A/D方案，IO0～IO7是數據/地址復用總線；IO8～IO10是與A/D晶片的握手和控制信號線，分別用於鎖存、讀和寫控制。
首先由Neuron 3150向數據線寫11位數據，其中IO0～IO7為地址數據，IO8～IO10用於啟動A/D，接著由IO0～IO7總線讀取數據，由於A/D轉換速度快於Neuron 3150的I/O操作，且轉換結果數據也送至IO0～IO7總線。此時Neuron 3150在從IO0～IO7讀數據時，IO0～IO7總線上已經鎖存著A/D轉換後的結果。由於A/D晶片是12位精度的，所以必須在8位數據總線上按先低8位後高4位的順序分兩次傳輸數據。
b)片外存儲器訪問方式Neuron3150可支持32KFlashROM和24KRAM的配合使用，通過A0～A15地址線時其進行尋址。
1U4為32KRAM，其片選CE由下式給出該式定義U4的0x0000～0x5FFF存儲空間映射至Neuron3150的0x8000～0Xdfff尋址空間，而U4的0x6000～0x7FFF則不會被訪問到。
1 U5為64K Flash ROM，其片選引腳與Neuron 3150的A15引腳連接，因此只能訪問U5的0x0000～0x7FFF空間，映射為Neuron 3150的0x0000～0x7FFF尋址空間。
c)電源設置AC/DC電源模塊將220V 50Hz交流電轉換為+5V直流電並向其他器件提供電源和數字高電平。
d)基準時鐘由U8為Neuron 3150和FTT-10A提供10MHz工作基準時鐘。
e)網絡收發由FTT-10A雙絞線收發器控制Neuron 3150與Lon網之間的數據傳輸，數據傳輸速度為78Kbps。
節點工作流程為a)時鐘為Lonworks節點提供工作時間基準。
b)Flash ROM中存放用戶程序，RAM中存放系統工作時的數據和一些變量，它們的地址空間是連續的；c)IO是由A/D轉換輸入的現場測量結果，由Neuron3150通過EPLD編碼器訪問相應的存儲空間，並通過數據線進行讀寫操作，將數據存入RAM等待下一步操作；d)最後由Neuron 3150控制FTT-10A收發器將數據流以某種數據幀格式向Lon網發送；由於節點連接非常方便，因此可以類似本產品的結構組成不同規模的監測系統。
LonTalk協議轉換模塊本實用新型的數據通訊遵循LonTalk協議(在3150晶片內)，該協議支持多種通訊媒體，多種網絡拓樸結構，符合國際標準化組織ISO制定的開放系統互聯OSI基準模式，具有完整的七層協議。LonTalk協議採用分級式的編址模式，共分三級域、子網和節點地址。域是第一級地址，它是發布在一個或多個信道上的一系列節點的集合，一個子網最多包括127個節點，每個域最多可包括255個子網。每個子網中的所有節點必須在同一個信道上或由網橋聯接的兩個信道上。普通計算機並不提供LonTalk協議接口，因此我們向用戶提供一個LonTalk協議向RS232串口通訊協議的廉價解決方案，該工作由LonTalk協議轉換模決完成。
權利要求1.一種水力機組振動擺度在線監測系統的通訊控制器，由神經元晶片電路、存儲器讀寫電路、收發器電路組成，具體連接是神經元晶片U1的數據輸出引腳cp0、cp1分別與收發器U3的RXD和TXD引腳連接，神經元晶片U1的A13-A15地址線經過U7C、U7A組成的編碼電路與RAM存儲器U4的片選CE連接；ROM存儲器U5的片選引腳CE接地，U1的16條地址線經過U6、U7編碼電路與U4和U5的讀寫引腳WE和OE的連接，U1的A0～A15 16位地址線與存儲器的地址線連接；收發器包括收發晶片U3、隔離電路和接口電路；前端接口電路J2與U1的I/O接口連接，收發晶片U3的輸出通過隔離電路與雙絞線接口J1相連接。
2.根據權利要求1所述的水力機組振動擺度在線監測裝置，其特徵是神經元晶片採用Neuron 3150。
3.根據權利要求1或2所述的水力機組振動擺度在線監測裝置，其特徵是收發晶片U3採用FTT-10A。
專利摘要本實用新型提供一種水力機組振動擺度在線監測系統的通訊控制器,由神經元晶片電路、存儲器讀寫電路、收發器電路組成,神經元晶片U1的數據輸出引腳cp0、cp1分別與收發器U3的RXD和TXD引腳連接,神經元晶片U1的A13—A15地址線經過U7C、U7A組成的編碼電路與RAM存儲器U4的片選CE連接;ROM存儲器U5的片選引腳CE接地,U1的16條地址線經過U6、U7編碼電路與U4和U5的讀寫引腳WE和OE的連接,U1的A0～A15 16位地址線與存儲器的地址線連接;收發器包括收發晶片U3、隔離電路和接口電路;前端接口電路J2與U1的I/O接口連接,收發晶片U3的輸出通過隔離電路與雙絞線接口J1相連接。
文檔編號H04B17/00GK2518263SQ0127333
公開日2002年10月23日 申請日期2001年12月13日 優先權日2001年12月13日
發明者黃天戍, 黃綿華, 周磊, 於曉東 申請人:武漢武水電力有限公司