基于RS-485总线的水轮机温度监测系统

引言

    水轮机本体故障多发于定子故障，温度监测是获取其工作状况的有效手段。本文利用TCD-48数字温度巡检仪、RS-485总线和Pc机监控分析软件。构成了一个水轮机温度在线监测系统。TCD-48数字温度巡检仪能实现48路温度采集，直接读取各个测点温度值，并通过RS-485总线上送PC工控主机，进行数据显示、保存和后期分析。

1 系统的总体构成

    水轮机温度在线监测系统以现有水轮机中的测温元件和数字温度巡检仪为基础，以一台工控微型计算机作为系统主机，通信方式采用RS-485总线技术。RS-485总线通信方式在对通信速度要求不高的情况下。具有实现简单、成本效费比高和数据传输可靠的优点。TCD-48温度巡检仪作为下位机，采集各个测温元件的温度值，并把数据通过总线传送给主机。主机内实时监控系统进行数据分析处理。

    一台小型水轮发电机的测温元件一般有16～64个，大中型机组超过100个，分别分布在水轮机的定子和轴承等部位。以某水电站8 Mw空冷水轮发电机为例：定子线圈温度有18点。定子铁心温度6点，空冷器热风、冷风各1点，正推力轴瓦温度1点，反推力轴瓦温度2点，水导温度2点，轴承油箱温度1点，油冷却器温度l点，共33点。

    TCD-48数字温度巡检仪采用MCS一51单片机为内核，Pt100铂热电阻作为测温元件，测温范围为-200-500℃，测量温度分辨率为0．1℃。TCD-48数字温度巡检仪每台可采集监测48个点。一台大中型水轮发电机，100多个点的温度监控点需要3台温度巡检仪。采用RS-485接口的串行数据总线完成温度巡检仪和工控PC主机的双向通信。RS一485总线传输距离长。大于1200 m。抗干扰能力强。通过PC主机实现温度在线监控。对单台温度巡检设备可以在30m内完成48路温度检测，并上送上位机。通过实时监控可以很快发现温度异常，并定位故障源。

    1．1 系统硬件结构

    图1是总体的系统框图，温度采集数据经采集点进入TCD一48温度巡检仪，温度巡检仪自身带有液晶显示，并简单地根据温度上下限进行声光报警。温度巡检仪通过终端接口挂在RS一485总线上，和上位PC主机保持双向通信。

    图1系统总体机构框图

    1．2 RS—485总线结构

    在串口通信的3种传输方式中，RS-232、RS-422、RS-485各有优缺点。RS-422工作于全双工通信状态。收发是各2根信号线。RS-485工作于半双工通信状态，任何时候都只能有一点处于发送状态，收发只需2个信号线即可，布网简单、结构可靠。

    由于温度巡检仪相对数据发送量少，多点通信。传送距离比较长。要求结构简单可靠。所以本系统采用RS-485布设通信总线。采用MAX491和MAX232模块连接主机PC的RS-232端口与温度巡检仪终端。MAX491是MAXMIX公司生产的RS-485通信收发器，工作于全双工状态，支持32路级联，在低速率通信情况下，传输距离大于2 km。MAX232是同系列的RS-232收发器，工作于半双工状态，主要用于总线RS-485通信模式和PC机RS-232通信模式的转换。通信结构图如图2所示。

    图2 RS-485总线结构

    由于RS-485通信工作于半双工状态，所以需要对通信过程加以控制。由PC主机发送总召(召唤)命令，对应地址的温度巡检仪上送温度数据和自身状态数据。3台TCD-48数字温度巡检仪，1 min左右即可完成一次轮询，并实现数据的双向通信。[page]

    1．3 系统通信协议约定

    作为基于RS-485总线通信的分布式温度监测系统，需要拟定于自身的软件通信协议，对通信过程加以控制。考虑到与其他监控系统的数据共享，对其他软件系统预留通信接口。规定如下通信协议。

    1．3．1 协议格式

    协议格式为

    地址、功能码为1个字节，数据长度为2个字节，数据为n个字节，采用CRC累加校验，高位溢出。下发命令和指令返回都为此协议格式。主机PC和TCD-48温度巡检仪波特率均设置为9600 bit／s，初始状态为串口中断方式。PC主机定时发送召唤数据命令。温度巡检仪收到主机发送的命令时，先判断召唤地址是否与自身相同：如果不同则不响应；如果相同则应答，根据功能码上送主机需要的数据。

    PC主机控制通信过程，主机接收到温度巡检仪上送数据后，结束本次通信过程；如果没有收到应答，则继续发送，如果3次不响应则视为线路故障。

    1．3．2命令功能码定义

    功能码主要包括温度巡检仪参数读取、设置；校正零点、满点、线性点；读取通道温度数据：设置告警、温度上下限等。

    1．3．3 举例

    设告警(以下为16进制)：发送指令03 06 000731 0064 00C8 1014 7E。

    指令中，03为地址，06为设告警功能码，0007为数据长度，3l为对所有通道，0064为设置告警。上限为100℃，00C8为设置告警上上限为200℃，1014为设置告警下限为-20℃。7E为校验和。设置成功后返回码为00 06 0007 31 0064 00C8 1014 7E。

2在线监测程序设计

    2．1程序开发环境和功能模块

    PC主机开发环境采用Visual Studio 2008，开发语言为C++。Visual Studio 2008构建了许多开发、调试和代码测试工具。并针对微软基础类库MFC(Microsoft Foundation Class library)界面开发增加了触模板(Ribbons)组件，大幅提高了开发效率和维护便捷性。本文使用MFC完成界面设计。并调用串行通信控件(MScomm)组件完成串口通信的控制。

    程序的主要功能包括通信流程的控制、数据的存贮与转发、数据显示与处理分析。系统的服务与功能模块如图3所示。

    图3系统的服务与功能模块

    2．2温度数据存贮与转发接口

    监测系统的温度数据存贮使用开源的MySQL数据库。MySQL是一个真正的多用户、多线程SQL数据库服务器。MySQL是一个客户机／服务器结构的实现，它由一个服务器守护程序mysqld和许多不同的客户程序以及库组成。MySQL提供了一套通信应用程序接口(CAPI)函数。它由一组函数以及一组用于函数的数据类型组成，这些函数与MySQL服务器进行通信并访问数据库，可以直接操控数据库。使用其提供的函数连接MySQL数据库代码为

    考虑到各个系统之间信息的互通性，尤其是和DCS的数据共享。特增加了数据转发接口。设立监听端口2404，双方约定使用excel建立温度测点表。遵循IEC60870-5-104规约，利用主机网口进行通信。[page]

    2．3水轮机温度数据分析

    水轮机的温度测温元件主要分布在定子线圈和轴承部位。在水轮机本体故障中。主要是由于空冷或者水冷系统发生故障，如断水、堵塞和水管破裂等。在水电站运行中，需要对水轮机的定子温度施行严格有效的监控，实现对定子温度异常的有效监测和故障征兆的先期识别。

    本系统针对实时传送的数据加以数据拟合分析。一组测点的数据的横向比较。可以根据均值分析、曲线拟合，发现异常点。并加以重点分析。图4(a)为某8 MW水轮机定子线圈的16组测温点某一时刻的温度图(图中，0为温度，n为水轮机定子温度测点)，16个测点均匀分布于定子内侧。若有某一处线圈短路或冷却异常，便可通过测点温度的横向比较，迅速加以定位。图4(b)为提取数据库历史数据得到1号测点7月份每天的平均温度值来拟合的曲线图(图中．0为温度，N表示日期)，借此可以分析水轮机定子一个月的温度变化。针对测点历史数据进行数据挖掘、分析，可以进一步分析水轮机本体状态，为运行和维修提供参考。

    图4水轮机定子测点温度分析

3结语

    本文通过现场测温装置、RS-485总线和PC在线监控软件，实现了对水轮机本体各个组件的温度在线监测，并对得到的数据进行综合分析，具有较强的实用性。本系统适用于中小型水电站的水轮机温度监测，完全满足使用要求。