鄔春明 牟曉敏 程 亮 田章超

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

0 引言

現(xiàn)代遠程監(jiān)測技術(shù)在監(jiān)測方法上與人工智能技術(shù)緊密地結(jié)合，正朝著網(wǎng)絡(luò)化、分布式的方向發(fā)展［1］。將現(xiàn)代遠程監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到發(fā)電廠的監(jiān)測系統(tǒng)中，實現(xiàn)對設(shè)備的遠程監(jiān)測，有助于提高電廠的安全性及經(jīng)濟性，保證電網(wǎng)的安全運行，是發(fā)電廠調(diào)度自動化的一部分［2］。

21世紀(jì)，我國移動通信事業(yè)得到了飛速發(fā)展，尤其目前以3G為代表的新一代無線移動通信技術(shù)已全面投入應(yīng)用，它無需布線、組網(wǎng)靈活、易升級，且能實時采集傳輸視頻信號，非常適合大范圍遠距離監(jiān)控應(yīng)用［3］。將Internet與3G移動通信技術(shù)相結(jié)合，消除了距離限制，可隨時隨地在移動中訪問Internet資源。該技術(shù)在很多領(lǐng)域已被開始采納應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本文設(shè)計的熱電機組無線監(jiān)測系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和上位機組成［4］。數(shù)據(jù)監(jiān)測終端主要完成對現(xiàn)場信息的采集、處理，執(zhí)行上位機發(fā)送過來的控制指令。監(jiān)測終端集成了3G通信模塊，通過現(xiàn)場傳感器采集機組的運行數(shù)據(jù)，微處理器控制3G通信模塊把數(shù)據(jù)經(jīng)由3G網(wǎng)絡(luò)無線發(fā)送出去。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由3G網(wǎng)絡(luò)和Internet共同構(gòu)成，它是監(jiān)測終端與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。上位機是數(shù)據(jù)處理的中心，負責(zé)系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)信息的顯示、存儲、運算、查詢等操作和管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the system

2 硬件設(shè)計及關(guān)鍵設(shè)備

數(shù)據(jù)監(jiān)測終端的硬件滿足對電力設(shè)備實時監(jiān)控的要求，其以ARM微處理器和3G通信模塊為核心器件，還有一些必要的外圍電路，如存儲器、JTAG接口、時鐘復(fù)位和系統(tǒng)電源等。汽輪機上的監(jiān)測終端主要監(jiān)測汽機振動、汽機轉(zhuǎn)速、汽機主汽溫度、汽機主汽壓力;鍋爐上的監(jiān)測終端主要監(jiān)測鍋爐汽包壓力、鍋爐汽包水位。通過實地調(diào)研，可以在現(xiàn)場為各被測對象設(shè)置傳感器，通過傳感器以及S3C6410自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。監(jiān)測終端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of monitoring terminal

2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計

在監(jiān)測終端的設(shè)計中，選用的芯片種類較多，所需的電壓等級也不盡相同。為了滿足各芯片工作電壓的要求，電源電路采用不同的電壓轉(zhuǎn)換芯片將直流12 V電源轉(zhuǎn)換為所需電壓值。

根據(jù)電力系統(tǒng)的要求，直流電源有兩種來源:一是將交流220 V電壓經(jīng)變壓、整流、濾波得到12 V直流電壓;二是利用現(xiàn)場內(nèi)蓄電池組的12 V直流電壓直接供電。

2.2 S3C6410芯片及外圍電路

S3C6410芯片及外圍電路如圖3所示。

圖3 S3C6410芯片外圍電路Fig.3 Peripheral circuits of S3C6410 chip

ARM微處理器主要接收現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理后存儲至NAND Flash，發(fā)送數(shù)據(jù)時再從NAND Flash中取出，經(jīng)3G模塊發(fā)送至Internet。系統(tǒng)采用三星公司的高性能16/32位 ARM11微處理器S3C6410。S3C6410采用64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)［5］，包括許多強大的硬件加速器，其通過一個優(yōu)化的接口連接到外部存儲器，存儲器系統(tǒng)具有雙重外部存儲器端口［6］。

2.3 3G 模塊

3G模塊的主要功能是將采集的運行數(shù)據(jù)通過無線信道發(fā)送到基站，并依據(jù)移動無線網(wǎng)絡(luò)與 Internet互連的特性，使得數(shù)據(jù)在Internet中傳輸。本設(shè)計選用聯(lián)芯科技生產(chǎn)的DTM6211 3G模塊作為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。DTM6211模塊是一款雙模無線傳輸模塊，在TD-SCDMA通信模式下，支持上下行非對稱數(shù)據(jù)傳輸，最高速率分別可達 384 kbit/s［7］。DTM6211模塊在通信接口上具有比以往無線通信模塊更加靈活的特性，可以支持串口(UART)和通用串行總線接口(USB)兩種通信接口，以滿足不同主控設(shè)備的特性要求［8］。另外，DTM6211模塊內(nèi)部還集成了標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧，支持TCP協(xié)議和UDP協(xié)議傳輸，可以很方便地連接到Internet進行網(wǎng)絡(luò)傳輸［9］。3G模塊硬件連接圖如圖4所示。

圖4 3G模塊硬件連接圖Fig.4 Hardware connections of 3G module

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計部分主要是將實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ移植到S3C6410上。

系統(tǒng)運行時首先調(diào)用SysInit()和OSInit()對監(jiān)測終端各個模塊和μC/OS-Ⅱ進行初始化，再通過調(diào)用OSTaskCreate()依次創(chuàng)建各個任務(wù)，并且分配任務(wù)優(yōu)先權(quán)。所有新建任務(wù)被置為就緒狀態(tài)。最后調(diào)用OSStart()啟動系統(tǒng)，開始多任務(wù)調(diào)度。主程序的流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flowchart of the main program

系統(tǒng)任務(wù)中的撥號連接任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測任務(wù)使監(jiān)測終端登錄到3G網(wǎng)絡(luò)，并且在系統(tǒng)運行過程中不斷檢測網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)。數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)用于監(jiān)測終端與監(jiān)控中心上位機之間的數(shù)據(jù)雙向傳送，包括數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)和數(shù)據(jù)接收任務(wù)。系統(tǒng)取S3C6410的6個ADC通道作為現(xiàn)場傳感器信號輸入接口，并為A/D分配了一個主要完成ADC初始化、ADC轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)讀取的任務(wù)。

4 試驗及結(jié)果

在機組遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測終端實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送功能。此外，系統(tǒng)還要求監(jiān)測終端具有接收、顯示并存儲機組運行參數(shù)的功能。系統(tǒng)工作時，首先開啟上位機的監(jiān)測系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)自動檢測各個監(jiān)測終端的連接請求，一旦收到監(jiān)測終端的連接請求，即發(fā)送回應(yīng)信息并建立與該監(jiān)測終端的連接，同時在系統(tǒng)窗口上顯示連接圖標(biāo)。用戶通過選擇相應(yīng)的連接圖標(biāo)，對指定的監(jiān)測終端發(fā)送控制信息并接收采集數(shù)據(jù)。

為驗證系統(tǒng)的可行性，在某熱電廠進行現(xiàn)場測試。該廠擁有兩臺330 MW機組，需要24 h不間斷地對機組的運行情況進行監(jiān)測。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠及時監(jiān)測到發(fā)電機組的運行參數(shù)，并可以準(zhǔn)確傳輸監(jiān)測到的參數(shù)，滿足機組監(jiān)測實時數(shù)據(jù)的要求，實現(xiàn)了機組監(jiān)測的無線化、智能化。

5 結(jié)束語

3G網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、信號覆蓋面廣的優(yōu)點［10］。將ARM微處理器控制技術(shù)與3G網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合并應(yīng)用于熱電機組遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)，不僅能滿足電力系統(tǒng)的監(jiān)測要求，而且硬件結(jié)構(gòu)簡單、可擴充性強、建設(shè)和使用成本低、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率高、實時性強，方便工作人員及時掌握機組的運行情況并做出相應(yīng)調(diào)控。該系統(tǒng)為熱電機組的實時監(jiān)測提供了新的設(shè)計思路。

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