基于STM32F103VC的水電機組監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘 要： 根據(jù)水電站水電機組運行參數(shù)實時監(jiān)測的需求，設計了基于STM32F103VC硬件平臺的水電機組運行指標監(jiān)測效率儀，并對信號調理和抗干擾部分進行了優(yōu)化設計，提高了參數(shù)監(jiān)測精度，其分辨率較傳統(tǒng)效率儀提高了10倍，遠程在線檢測數(shù)據(jù)誤碼率<10-6。該效率儀已成功應用于某大型水電站水電機組運行參數(shù)的監(jiān)測。
關鍵詞： 水電機組；實時監(jiān)測；流量；效率儀

水電站是我國重點支持發(fā)展的能源建設，機組運行效率、耗水率、發(fā)電量等是衡量水電站經(jīng)濟運行的準則。為確保水電站安全經(jīng)濟地運行，及時發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象或工程隱患，對水輪發(fā)電機組各項指標的實時監(jiān)測尤為必要[1]。
根據(jù)我國對水電站安全監(jiān)測工作的要求和水電站安全檢測的發(fā)展趨勢，本文以STM32F103VC為硬件控制核心，設計了用于水電站各項指標監(jiān)測的效率儀。
1 測量原理分析
水電機組進行監(jiān)測的參數(shù)主要有：瞬時流量、累積流量、工作水頭、有功功率、耗水率和水輪機效率[2]等，通過對應變送器轉變成4~20 mA的直流電流信號，經(jīng)信號調理電路后送給STM32F103VC處理。
1.1 瞬時流量及累積流量
水輪機過機流量采用蝸殼差壓法進行測量[3]，如圖1所示為蝸殼截面圖。根據(jù)角動量守恒定律，蝸殼任意斷面上有如下等式成立：

2 硬件設計
2.1 總體設計
本效率儀整體框圖如圖2所示，以STM32-F103VC為核心，外圍擴展有人機接口、按鍵控制、RS483/RS232通信和數(shù)據(jù)存儲等設備。

系統(tǒng)有4路輸入，分別接相應的傳感器，傳感器輸入為4 mA~20 mA的直流電流信號。系統(tǒng)的工作過程：直流信號經(jīng)過I/V轉換及電壓調理將信號轉化為0~2 V的電壓信號，電壓信號經(jīng)過A/D轉換，將傳感器信號轉化為數(shù)字量以便控制芯片進行運算處理。數(shù)據(jù)經(jīng)過STM32F103VC處理之后，得到瞬時流量、累積流量、工作手頭、水輪機效率及耗水率5個參數(shù)并由LCD顯示出來。同時，將瞬時流量、工作水頭、水輪機效率及耗水率4個表征水輪發(fā)電機組性能的參數(shù)經(jīng)過D/A轉換及V/I變換，轉換為可以接入監(jiān)測中心儀表的電流信號，以便工作人員進行監(jiān)測。
2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設計
由于系統(tǒng)的輸入信號為傳感器輸出的4~20 mA直流電流信號，而A/D轉換芯片的輸入量為0~2.5 V電壓信號，所以必須首先對信號進行I/V變化及電壓調理。本設計選用AD公司的AD620，只需一個電阻就可以實現(xiàn)對增益的精確編程。增益為：

經(jīng)過轉換調理后的電壓信號送入A/D轉換器進行模數(shù)轉換，將模擬量轉換為數(shù)字量以便進行數(shù)據(jù)運算處理。
2.3 數(shù)據(jù)輸出及顯示模塊設計
核心控制器根據(jù)上述公式對數(shù)字化的輸入信號進行處理，計算出瞬時流量、累積流量、工作水頭、有功功率、耗水量以及效率5個參數(shù)值。將5個參數(shù)值顯示在LCD上，同時將計算出的參數(shù)轉換為對應的4~20 mA電流值輸入監(jiān)測中心的指示儀表，以便工作人員監(jiān)測。
數(shù)據(jù)顯示通過工業(yè)級顯示液晶屏HG2401283-LYH-SV實現(xiàn)，其為240×128圖形點陣顯示模塊，數(shù)據(jù)并行輸入。顯示內容包括瞬時流量、累積流量、工作水頭、有功功率、耗水率、效率及通道報警。
計算出的參數(shù)必須轉化為模擬電流信號才能提供給檢測中心，本設計通過美信公司的MAX5661轉換器實現(xiàn)。MAX5661是一款16 bit的電壓電流雙輸出D/A轉換器，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 通信模塊設計