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0 引言 監測水電站水電機組水力參數的目的首先是確保水電站的安全和經(jīng)濟運行，其次是鑒定、考查水電機組的性能。因此，作為水電站自動(dòng)化水平主要表征之一的水力參數監測裝置必須進(jìn)一步提高其自動(dòng)化程度，逐步進(jìn)行技術(shù)改造。目前在水電機組的水力參數監測系統中，通常是用前置傳感器和監測儀表相配合。C8051F005是近幾年得到廣泛應用的一種單片機，其運算速度高、工作穩定且內置豐富，為此，本文給出了以該芯片為核心，同時(shí)配合多路前置傳感器對水電機組的多個(gè)水力參數進(jìn)行同時(shí)監測。 1 工作原理和基本技術(shù)參數 水電機組重要的水力參數主要是水輪機的過(guò)機流量、累積流量、工作水頭和機組效率。水輪機過(guò)機流量可采用蝸殼差壓法來(lái)進(jìn)行測量，即用壓差變送器測出蝸殼測流斷面內外的壓差△P，并根據壓差△P與流量Q的關(guān)系式 水輪機的工作水頭定義為水輪機的進(jìn)口斷面與尾水管出口斷面的總能頭之差，實(shí)際計算中，工作水頭H可用差壓變送器來(lái)測量進(jìn)口壓力P1與尾管口壓力P2的壓差，但需考慮兩個(gè)壓力測點(diǎn)的高程差(用差壓變送器時(shí)，此差為0)以及與過(guò)機流量Q、進(jìn)出口截面積S1、S2有關(guān)的動(dòng)水頭項，用關(guān)系式表示為： 之后便可按下式計算水輪機的機組效率： 式中：nt為水輪機效率；nu為機組效率；Ng為發(fā)電機功率，單位為MW；ng為發(fā)電機效率(可從設計單位提供的發(fā)電機效率曲線(xiàn)查取)；Q為水輪機相對流量，單位為m3／s；Ht為水輪機工作水頭，單位為m；γ為水的容重，單位為N／m3。 2 監測儀的硬件設計 2.1 結構設計 該監測儀中CPU所選用的C8051F005內部程序存儲器包含32 k+128字節的FLASH，可在線(xiàn)編程調試。三路變送器產(chǎn)生的4～20 mA的電流同時(shí)送人監測儀后�？山�(jīng)過(guò)I／V變換轉換成0～5 V的直流模擬電壓。電壓經(jīng)過(guò)調理后(0～2.4 V)送入C805F005，并利用其內部的12位ADC對模擬電壓進(jìn)行數字化并測量，然后經(jīng)過(guò)CPU計算并將產(chǎn)生的結果同時(shí)顯示在LCD上�？紤]到系統的線(xiàn)性度要求，本設計采用三路獨立的D／A產(chǎn)生模擬信號并經(jīng)過(guò)V／I變換后輸出。計算中用到的參數可以預先寫(xiě)入并由按鍵手動(dòng)修改。電源部分除為監測儀內部各個(gè)芯片供電的同時(shí)，還要為三路變送器供電(具體電壓電流視實(shí)際情況而定)。該監測儀的結構框圖如圖1所示。 2.2 I／V變換及電壓調理 系統I／V變換采用的R CV420芯片是美國RURR-BROWN公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器，用于將4～20 mA輸入信號轉換成0～5 V輸出信號。該芯片具有很高的性能價(jià)格比，它包含一個(gè)高級運算放大器、一個(gè)片內精密電阻網(wǎng)絡(luò )和一個(gè)精密10 V電壓基準，其總轉換精度為0.1％，共模抑制比CMR達86DB，共模輸入范圍達40 V。RCV420在滿(mǎn)量程時(shí)的電壓降僅為1.5 V，故在環(huán)路中串有其它儀表負載或在對變送器電壓有嚴格限制的應用場(chǎng)合非常有用。但在實(shí)際使用中要注意對RCV420的調零，否則RCV420在輸人4 mA時(shí)可能產(chǎn)生微弱的輸出，這會(huì )影響系統的線(xiàn)性度和準確度。由于C8051F005內置的12位ADC采用內部參考電壓(REF0CN=0x07)時(shí)的滿(mǎn)度電壓為2.4 V，所以RCV420的輸出要經(jīng)過(guò)電壓調理。而由于單片機的阻抗很大，該調理電路應采用電阻分壓方式，調理過(guò)程產(chǎn)生的微小誤差可以通過(guò)軟件進(jìn)行補償。具體應用及調理電路如圖2所示。 2.3 V／I變換電路 V／I變換電路可選用BURR-BROWN公司生產(chǎn)的精密電壓電流轉換芯片XTR110來(lái)進(jìn)行設計。該轉換芯片可以把接收到的0～5 V或0～10 V的直流模擬電壓轉換成4～20 mA、0～20 mA或5～25 mA的直流電流。本設計應用的是第一種轉換方式，即將0～5 V范圍的電壓信號轉換成0～20 mA的電流信號。事實(shí)上，XTRR110芯片內置精密的電阻網(wǎng)絡(luò )和10V參考電壓，最大線(xiàn)性誤差為0.005％。輸出采用P溝道MOS場(chǎng)效應管，本設計使用的是IR公司的IRF9513，若使用其它場(chǎng)效應管．則應滿(mǎn)足的最大耐壓值為：BVDSS=80 V，BVGS=40 V。具體電路如圖3所示。 2.4 液晶顯示器的連接 本監測儀的顯示部分是采用12864的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊MS12864A的設計。該模塊自帶驅動(dòng)電路和漢字庫，可與MCU進(jìn)行8位并行連接。使用該模塊可以同時(shí)顯示所要監測的多路參數而不用切換。由于C8051F005的引腳電壓為3.3 V，所以需要外接上拉電阻以驅動(dòng)液晶模塊，其具體連接電路如圖4所示。 3 監測儀的軟件設計 本測試系統軟件可用C語(yǔ)言編寫(xiě)而成，整套程序可由主程序、鍵盤(pán)顯示處理程序、中斷處理程序、數據分析處理程序及AD、DA等子程序構成。圖5所示是其主程序框圖。 4 誤差分析 本系統在調試試驗中用到的原始試驗數據由哈爾濱電機廠(chǎng)提供。具體參數有：蝸殼壓差變送器最大壓差值為70 m、最大流量為320 m3／s、水頭壓差變送器的最大值為70 m、蝸殼進(jìn)口斷面積為44.16 m2、尾水管出口斷面積112 m2、當地重力加速度為9.8 m2／s、發(fā)電機效率為98％。具體的流量試驗數據如表1所列，表2所列為本文所介紹的監測儀器的水頭效率試驗參數。 5 結束語(yǔ) 試驗測試中發(fā)現有微小的誤差，其主要原因是由于RCV420和XTR110的調零不準確，從而影響了系統的線(xiàn)性度。另外，電壓調理電路中的電阻也要盡量精確。另外，測試中有時(shí)還會(huì )出現顯示不穩定的現象，這主要是C8051F005內部的12位ADC采樣不穩定造成的。由于該系統對實(shí)時(shí)性的要求不是非常高，可以考慮對測量值進(jìn)行5次采樣，并濾除掉最大和最小的采樣值，然后提取剩下三個(gè)采樣值的平均值來(lái)進(jìn)行計算。試驗表明，此方法可以減小顯示的不穩定。該儀器的試驗樣品經(jīng)過(guò)哈爾濱電機廠(chǎng)的現場(chǎng)測試證明：其現場(chǎng)測試數據與試驗數據基本相同，儀器工作比較穩定。 |
