汽輪機汽缸負荷分配監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

郭 杰，雷 剛

GUO Jie , LEI Gang

（四川工程職業(yè)技術(shù)學院，德陽 618000）

0 引言

大型汽輪機是關(guān)系國計民生的重大技術(shù)裝備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝難度大、要求高。在汽缸安裝過程中，需要對汽缸進行負荷分配，即將汽缸的重力通過貓爪合理分配到各支撐面上，以保證汽機正常工作。傳統(tǒng)的負荷分配方法有貓爪垂弧法和彈簧測力計測量法，兩種方法均具有不夠準確、不便于集中觀測、不便于存貯記錄等缺點，特別是在超大型機組安裝過程中，這種缺點更加明顯。2005年，受德陽一電站設(shè)備安裝公司委托，研發(fā)了本汽輪機汽缸負荷分配監(jiān)測系統(tǒng)。

1 負荷分配監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)實際需要，負荷分配監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含以下幾部分：

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1）前置信號處理部分：包含24個通道的壓力傳感器、前置放大電路，實現(xiàn)壓力信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換，同時實現(xiàn)電壓信號的放大整定輸出。

2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分：包含輸入模擬信號輸入緩沖級和A/D轉(zhuǎn)換器。

3）CPU和人機界面部分：包含P89C51RD2單片機、按鍵、液晶顯示和打印機，完成系統(tǒng)控制、測量數(shù)據(jù)的實時顯示、打印以及操作人員的控制信號輸入。

4）實時時鐘和掉電保護部分：日歷時鐘的產(chǎn)生、保存，測試初始數(shù)據(jù)的掉電保護。

5）USB通信接口：實現(xiàn)系統(tǒng)和PC機的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)系統(tǒng)在線監(jiān)控。

6）電源部分：實現(xiàn)開關(guān)電源對電路各部分的電源供給，完成系統(tǒng)電池充放電管理。

2 監(jiān)測系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計

2.1 前置壓力信號處理部分

前置壓力信號處理部分是數(shù)據(jù)可靠的關(guān)鍵因素，在設(shè)計中采用通過計量監(jiān)督部門檢測合格的傳感器及配套放大器以保證系統(tǒng)可靠性。該傳感器的測量范圍為0-30噸；電壓輸出為0-5V；測量精度為0.2級。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換部分

圖2 A/D接口電路圖

在系統(tǒng)中，由于委托方要求測量的精度為1.5%，分辨率為1‰，因此所選擇的A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率必須是10bit以上。綜合考慮分辨率、轉(zhuǎn)換速度、接口設(shè)計和價格因素等諸多因素，本系統(tǒng)選用的是MAXIM公司生產(chǎn)的12bit的MAX197，具體接口電路如圖2所示。

圖2中傳感器信號從右側(cè)輸入，共8個通道，每個通道的輸出已經(jīng)調(diào)整為0-5V，運放LM324構(gòu)成電壓跟隨器結(jié)構(gòu)，作為傳感器電路和A/D之間的緩沖級。同時在運放的同相輸入端外接RC濾波電路，用來消除傳感器長線傳輸中可能串入的高頻電磁干擾，降低測量數(shù)據(jù)的隨機誤差影響。

2.3 CPU和人機界面部分

在系統(tǒng)中，由于需要進行大量的數(shù)據(jù)計算和處理，使用P89C51RD2單片機作為控制核心。該單片機最高可以使用40MHz的主頻，具有1024字節(jié)RAM和64K字節(jié)ROM，可以滿足系統(tǒng)的需要。

人機界面包含按鍵、液晶顯示和微型打印機。在該系統(tǒng)中包含“復(fù)位”、“測量”、“選擇”和“打印” 四個按鍵。系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計中使用IMP708，將“復(fù)位”鍵作為該芯片的強制輸入，達到系統(tǒng)復(fù)位的目的，其余3個按鍵直接利用單片機的I/O端口進行電路設(shè)計。

液晶和打印機使用通用的工業(yè)級產(chǎn)品，提高系統(tǒng)的可靠性和通用性。打印機、液晶與CPU之間采用并行總線接口方式連接，利用一片GAL16V8進行總線的地址譯碼，實現(xiàn)CPU總線復(fù)用。

2.4 實時時鐘和掉電保護部分

在實時時鐘和掉電數(shù)據(jù)保護的硬件電路設(shè)計中，使用具有I2C結(jié)構(gòu)的日歷時鐘芯片X1205和E2PROM芯片ATMEL 24C16實現(xiàn)。為保證日歷時鐘芯片在系統(tǒng)電源關(guān)閉狀態(tài)下實時時鐘仍然運行，使用可充電電池BT1實現(xiàn)芯片X1205的電源供應(yīng)。

2.5 USB通信接口

在該系統(tǒng)中，采用USB接口與PC機進行數(shù)據(jù)通信，可以提供比串行通信更高的通信速率，提高設(shè)備的實用性。利用P89C51RD2單片機的并口P0，使用USB協(xié)議芯片CH372進行硬件電路設(shè)計，簡化電路結(jié)構(gòu)。具體電路如圖3所示。

圖3 USB接口電路

圖4 實時時鐘和掉電保護電路

3 壓力監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

壓力監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包含3個部分，如圖5所示。

1）初始化部分：包含CPU初始化、液晶顯示初始化、打印機初始化、日歷時鐘和掉電數(shù)據(jù)讀取以及界面語言的選擇（提供中文、英文雙模式）。

2）A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波：使用定時檢測的方式，每隔固定采樣時間對24個通道進行一遍檢測，利用數(shù)字濾波技術(shù)處理后得到數(shù)據(jù)結(jié)果。

3）按鍵的處理部分：包含按鍵識別、測量通道的選擇、液晶實時顯示和打印機實時打印，采用每30ms巡檢一次的方式進行，利用單片機的定時器實現(xiàn)定時。

圖5 軟件流程圖

4 數(shù)據(jù)濾波處理

汽輪機安裝過程中，現(xiàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜，傳感器與主機之間線路較長，盡管采用了屏蔽和硬件濾波等方法消除干擾，但小量的隨機干擾仍然客觀存在，所以對A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果還需要進行數(shù)字濾波處理，軟件數(shù)字濾波包含兩方面內(nèi)容：

4.1 剔除測量的粗大誤差

先利用A/D測量一個通道的N個數(shù)據(jù)，利用公式(1)計算該通道壓力的算術(shù)平均值，再利用公式(2)計算出每個數(shù)據(jù)的殘差值。

其次使用公式(3)計算出該通道的標準差估計值，然后利用公式(4)（萊特準則），依次判斷每個數(shù)據(jù)的殘差值的絕對值是否小于3倍的標準差估計值。如果某數(shù)據(jù)的殘差超出該范圍，則將其當作粗大誤差，予以剔除。

4.2 中值一平均值濾波

將剔除粗大誤差后的數(shù)據(jù)進行中值一平均值濾波。具體作法是將剩余的M個數(shù)據(jù)進行排序，舍去最大值和最小值，求出余下的M-2個測試值的平均值作為本次該通道的壓力檢測值。通過實驗發(fā)現(xiàn)采用該方法后，測量結(jié)果得到改善。

表1 無數(shù)字濾波的測試數(shù)據(jù)

表2 使用數(shù)字濾波后的測試數(shù)據(jù)

4.3 數(shù)據(jù)對比

為驗證數(shù)字濾波技術(shù)的應(yīng)用對測量結(jié)果精度的影響，使用標準負荷源進行了實際驗證。在驗證中使用系統(tǒng)的通道1和2進行實驗分析，每個通道分別加載10個不同的標準負荷。表1是沒有使用數(shù)字濾波技術(shù)得到的測量結(jié)果，表2是使用濾波后的測量結(jié)果。通過數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn)使用濾波處理后顯示數(shù)據(jù)的誤差減小，測量結(jié)果的精度得到了改善。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)2005年試制成功，驗收通過后，自2006年正式交付委托方量產(chǎn)，迄今已在安裝現(xiàn)場運用了五年，工作穩(wěn)定、可靠，測量準確、使用方便，受到安裝施工方的廣泛好評。

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