基于STM32F103VC的水电机组监测系统设计

摘  要： 根据水电站水电机组运行参数实时监测的需求，设计了基于STM32F103VC硬件平台的水电机组运行指标监测效率仪，并对信号调理和抗干扰部分进行了优化设计，提高了参数监测精度，其分辨率较传统效率仪提高了10倍，远程在线检测数据误码率<10-6。该效率仪已成功应用于某大型水电站水电机组运行参数的监测。
关键词： 水电机组；实时监测；流量；效率仪
       水电站是我国重点支持发展的能源建设，机组运行效率、耗水率、发电量等是衡量水电站经济运行的准则。为确保水电站安全经济地运行，及时发现异常现象或工程隐患，对水轮发电机组各项指标的实时监测尤为必要[1]。
     根据我国对水电站安全监测工作的要求和水电站安全检测的发展趋势，本文以STM32F103VC为硬件控制核心，设计了用于水电站各项指标监测的效率仪。
1 测量原理分析
     水电机组进行监测的参数主要有：瞬时流量、累积流量、工作水头、有功功率、耗水率和水轮机效率[2]等，通过对应变送器转变成4~20 mA的直流电流信号，经信号调理电路后送给STM32F103VC处理。
1.1 瞬时流量及累积流量
     水轮机过机流量采用蜗壳差压法进行测量[3]，如图1所示为蜗壳截面图。根据角动量守恒定律，蜗壳任意断面上有如下等式成立：
   
      
2 硬件设计
2.1 总体设计
     本效率仪整体框图如图2所示，以STM32-F103VC为核心，外围扩展有人机接口、按键控制、RS483/RS232通信和数据存储等设备。
   
       系统有4路输入，分别接相应的传感器，传感器输入为4 mA~20 mA的直流电流信号。系统的工作过程：直流信号经过I/V转换及电压调理将信号转化为0~2 V的电压信号，电压信号经过A/D转换，将传感器信号转化为数字量以便控制芯片进行运算处理。数据经过STM32F103VC处理之后，得到瞬时流量、累积流量、工作手头、水轮机效率及耗水率5个参数并由LCD显示出来。同时，将瞬时流量、工作水头、水轮机效率及耗水率4个表征水轮发电机组性能的参数经过D/A转换及V/I变换，转换为可以接入监测中心仪表的电流信号，以便工作人员进行监测。
2.2 数据采集模块设计
     由于系统的输入信号为传感器输出的4~20 mA直流电流信号，而A/D转换芯片的输入量为0~2.5 V电压信号，所以必须首先对信号进行I/V变化及电压调理。本设计选用AD公司的AD620，只需一个电阻就可以实现对增益的精确编程。增益为：
     
     经过转换调理后的电压信号送入A/D转换器进行模数转换，将模拟量转换为数字量以便进行数据运算处理。
2.3 数据输出及显示模块设计
     核心控制器根据上述公式对数字化的输入信号进行处理，计算出瞬时流量、累积流量、工作水头、有功功率、耗水量以及效率5个参数值。将5个参数值显示在LCD上，同时将计算出的参数转换为对应的4~20 mA电流值输入监测中心的指示仪表，以便工作人员监测。
    数据显示通过工业级显示液晶屏HG2401283-LYH-SV实现，其为240×128图形点阵显示模块，数据并行输入。显示内容包括瞬时流量、累积流量、工作水头、有功功率、耗水率、效率及通道报警。
    计算出的参数必须转化为模拟电流信号才能提供给检测中心，本设计通过美信公司的MAX5661转换器实现。MAX5661是一款16 bit的电压电流双输出D/A转换器，它具有SPI接口，与MCU通信简单快速，其电流输出范围为0~20 mA或4~20 mA，并且具有25%的额外超量程输出能力。
2.4 通信模块设计