Разработка дистанционной микропроцессорной системы измерения формы статора гидрогенератора энергосбережение

РАЗРАБОТКА ДИСТАНЦИОННОЙ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФОРМЫ СТАТОРА ГИДРОГЕНЕРАТОРА

Л.В. АХМЕТВАЛЕЕВА, А.В. ГОЛЕНИЩЕВ - КУТУЗОВ, А.В. НЕМТАРЕВ Казанский государственный энергетический университет

Тенденции в энергетике, заключающиеся в исключении человеческого фактора при наладочных работах, требуют от разработчиков применения бесконтактных методов измерения величин отклонений и вибраций в различного рода установках. Одним из таких методов является оптический метод измерения. В качестве средства измерения превосходные результаты дает триангуляционный датчик положения. В данной статье описывается пример реализации системы измерения формы статора гидрогенератора, основанной на данном методе. Благодаря использованию новейших интегральных дельта-сигма АЦП удается существенно повысить точность измерений. При необходимости избыточную точность можно превратить в быстродействие. В качестве управляющего устройства применяется 8-разрядный микроконтроллер фирмы Microchip.

Успешное решение задач диагностики позволяет своевременно выявлять и устранять появляющиеся дефекты и приводит к существенному увеличению реального ресурса оборудования и снижению аварийных ущербов. Важную роль при эксплуатации гидрогенератора играет состояние статора, а точнее - его форма. Форма статора, изменяющаяся в случае обмятия и выкрашивания «ласточкиных хвостов», ослабления распорных домкратов и связи корпуса с фундаментом, в остановленном и работающем режимах может существенно изменяться. В случае недопустимого искажения формы статора возможно увеличение вибрации гидроагрегата, быстрый износ подшипниковых узлов и авария.

В настоящее время существуют методы измерения статической формы, использующие локальные замеры зазора между одним определенным полюсом и различными точками статора. В этом методе необходимы равномерные угловые сдвиги полюса ротора, которые осуществляются с использованием крана. Операция дорогостоящая, длительная и неточная. В динамическом режиме, вследствие магнитной связи ротора и статора, форма последнего сильно зависит от колебаний системы в целом. Авторами разработана устанавливаемая на спицах ротора автономная система дистанционного измерения статической и динамической формы статора гидрогенератора. Использование лазерного триангуляционного датчика положения позволило проводить измерения с точностью до 10 мкм при полной независимости от состояния поверхности статора. Получению такой точности способствует используемый в основе работы датчика метод оптической триангуляции. Принцип данного датчика представлен на рис. 1. Отраженный от поверхности лазерный луч перемещается на расстояние, эквивалентное перемещению рабочей поверхности, и проходит по линейке фотоприемников, отстоящих друг от друга на расстоянии 1 мкм. Процессор сигналов фиксирует максимум интенсивности на одном из датчиков, формируя сигнал в диапазоне от 0 до 2,5 В. Разработанная система имеет следующие технические характеристики: погрешность измерения составляет 0,5%,

© Л. В. Ахметвалеева, А. В. Голенищев-Кутузов, А. В. Немтарев Проблемы энергетики, 2005, № 11-12

измеряемое перемещение - 10 мкм, частота дискретизации - 1 кГц, время измерения - 2ч, объем оперативной памяти 512 Кбайт. Функциональная схема устройства состоит из трех основных блоков: блока измерений,

микроконтроллерного блока и подсистемы отметки фазы. Блок измерений преобразует аналоговые данные от датчика в цифровую форму, доступную для последующего оперирования. Микроконтроллерный блок отвечает за своевременное поступление данных и запись их в ОЗУ. Подсистема отметки фазы дает возможность адекватно определить пространственное распределение отклонений формы гидрогенератора. Принципиальная схема (рис.1) построена на элементной базе, отвечающей заявленным техническим требованиям системы.

Рис. 1. Принципиальная схема МПС измерения формы статора гидрогенератора

Основные элементы принципиальной схемы:

• излучающий лазер и приемник с длиной волны 800нм;

• два операционных усилителя с напряжением питания 5В типа OP113;

• компаратор напряжения типа LM211;

• АЦП с последовательным синхронным интерфейсом типа ADS1255;

• микроконтроллер типа PIC16F87;

• два 12-ти разрядных двоичных счетчика типа CD4040;

• статическое ЗУ емкостью 512 кб типа K6X400BCF.

Функционально схема разделена на два основных канала: канал отметчика фазы и измерительный канал.

Измерительный канал. Сигнал с выхода триангуляционного датчика положения через контакты 2 и З разъема Х1 поступают на дифференциальный входы АЦП AN0 и AN1. Для обеспечения стабильного опорного напряжения, определяющего максимальную границу диапазона преобразования, используется источник опорного напряжения на микросхеме DA4 типа REF43 с выходным напряжением 2,5В, которое подается на вход REF+ АЦП DA5. Обмен данными и командами с контроллером осуществляется по последовательному синхронному интерфейсу типа SPI через входы DIN и SCLK и выходы DOUT и DRDY АЦП. Началом преобразования АЦП считается окончание команды b’00000001’, поступившей с МК на вход DIN, после чего начинается 24-разрядное преобразование со скоростью, определяемой частотой тактовых импульсов, идущих с таймера МК на вход SCLK АЦП. Одновременно с преобразованием по линии DOUT передается результат преобразования в виде последовательных данные в МК. После окончания преобразования на линии DRDY устанавливается низкий логический уровень подтверждения конца преобразования. АЦП периодически, с интервалом l мс, запускается МК, который в течение этого периода производит наращивание адреса на единицу и запись двух байтов (старшие и младшие байты) данных в память. После заполнения памяти 5l2 кб МК переходит в режим ожидания команды на считывание по последовательному асинхронному порту. Команда начала считывания данных подается от персонального компьютера (ПК) после подключения разъема Х2 к разъему COM1 ПК.

Канал отметчика фазы. Лазерный диод BL1 включен в режиме постоянного излучения. Отраженный от стенки статора сигнал поступает на фотодиод -приемник, выполненный на BL2-высокочувствительном pin диоде. Малошумящий масштабный усилитель DAl производит предварительное усиление сигнала в 10 раз. Затем сигнал поступает на схему АРУ, выполненную на ОУ DA2 и транзисторах VTl и VT2. Транзистор VTl используется как регулирующий, меняя сопротивление канала и, следовательно, коэффициент передачи в зависимости от величины постоянного напряжения на затворе, которое обеспечивается делителем R9, R10 и детектором, собранным на транзисторе VT2. Увеличение напряжения на выходе DA2 приводит к уменьшению сопротивления канала VTl и, в конечном итоге, к поддержанию определенного выходного напряжения вне зависимости от свойств отражающей способности стенки статора. Использование АРУ позволяет реализовать адаптивный порог компаратора. Подбирая регулировкой Rl2 сигнал шумовой дорожки меньше сигнала АРУ, возможно существенно уменьшить вероятность ложных срабатываний вне зависимости от состояния поверхности и удаления от стенки статора. Сигнал от отражающей метки, как правило, существенно выше сигнала от поверхности и формирует сигнал отметки в виде логического нуля на выходе DA3. Сигнал с выхода компаратора поступает на вход RC0 МК, формируя начало цикла измерения в 1040 отсчетов.

Микроконтроллер управляется программой, написанной в

интегрированной среде разработки MPLAB. Весь программный цикл разделен на две основных части, соответствующие основным этапам работы системы: снятию данных с триангуляционного датчика, преобразованию в цифровой формат в АЦП и отправке по последовательному интерфейсу RS-232 в компьютерную программу для оценки результатов. Началом программы является инициализация микроконтроллера, то есть резервирование необходимых констант, прерываний, настройка таймеров/счетчиков, последовательного

интерфейса SPI, UART. Работа таймера TMR1 связана с определением момента выхода турбоагрегата на заданную частоту и задает частоту дискретизации. Для этого в регистры TMR1L и TMR1H загружается число, соответствующее периоду 1 мс при частоте внутреннего генератора 20Мгц, то есть 20000. Для переполнения сдвоенного 16 разрядного регистра требуется число 45536. Условием выполнения данного события может служить возникновение двух срабатываний компаратора за период работы таймера. То есть при прерывании от таймера проверятся, равен ли счетчик срабатываний CINT 0 (1 срабатывание). Если условие не выполняется, то значит срабатываний было 2 или более, что приводит к запуску АЦП. Далее настраивается АЦП путем отправки необходимых команд по интерфейсу SPI. В настройку входит: указание источника тактового сигнала, определение скорости работы, включение буфера, сенсора работы датчика, необходимость включения автокалибровки. АЦП вначале находится в режиме низкого энергопотребления Stand-By. Для вывода его из этого режима используется команда Wake-up. Далее по сигналу DRDY происходит синхронная передача данных в память. Запись очередных 8 бит данных происходит по переполнению буфера SSPBUF. Изменение состояния таймера приводит к увеличению адреса на входах ОЗУ на 1 и подачу данных измерения АЦП на входы D0 - D7 ОЗУ. Сброс счетчиков происходит по окончании цикла измерений. При записи число измерений, записанное в программный счетчик, декрементируется и происходит проверка его на 0. Равенство его 0 означает окончание всех измерений и перехода в режим передачи этих данных в компьютер. Передача начинается по команде 01h, принятой в буфер RCREG приемника UART. Меняется режим работы с памятью на чтение. Каждый цикл чтения происходит по прерыванию от опустошения буфера TXREG передатчика UART, означающего передачу нового байта. Равенство 0 счетчика измерений говорит об окончании передачи данных, что подтверждается индикацией. Функциональная схема отвечает концепции построения встроенных систем. Это говорит о том, что в зависимости от условий эксплуатации можно гибко перенастроить систему для наилучшей производительности. Для исключения набора неиспользуемых функций, их можно отключить путем перепрошивки памяти программ микроконтроллера. Для этого микроконтроллерный блок выполнен как законченный узел, что позволяет использовать его в режиме внутрисхемного программирования. Режим ICD (InCircuit Debugging) дает возможность контролировать работу программы при начальных испытаниях прибора, определяя сбои в работе. Снижение энергопотребления производится за счет использования «интеллектуального» монитора питания, управляющего потреблением всех компонентов системы. При работе прибора с компьютером производится зарядка аккумуляторной батареи по шине питания RS-232. В экстренных случаях предусмотрен перевод на питание от резервного источника.

Для анализа результатов и построения кривой распределения отклонений используется программная оболочка LabView 7.0. Для наглядности интерфейс программы представлен в виде графических зависимостей и табличных значений. С помощью элементов управления можно в реальном времени производить обработку значений, а также формировать необходимые отчеты, благодаря интеграции с СУБД, Excel. Основные зависимости измеряемых величин представляются в виде графиков в декартовых и полярных координатах, построенных по отклонениям от среднего значения.

Таким образом, использование в устройстве прецизионных методов измерения позволяет достичь хорошей точности при минимальных трудовых и

финансовых затратах. В ближайшее время, с распространением беспроводных способов передачи данных, а также с совершенствованием интегральной электроники, можно будет улучшить ряд существенных характеристик. К ним относятся: температурная нестабильность, энергопотребление отдельных узлов, обработка результатов непосредственно в процессе измерения, дистанционное управление параметрами прибора. Применение интерфейса CAN позволяет построить распределенную систему сбора данных. Сокращение времени анализа результатов будет способствовать быстрому принятию решений по ремонту и дальнейшей эксплуатации гидрогенераторов.

Summary

Tendencies in our energetic which are consist in the exception of the human factor by under tuned operation are required application of the no contacting methods. The departures and vibration in the various setup can be measured via optical method, in which used triangular position sensor. An example of the optical systems for measuring of stator shape of the hydrogenerator is appearing in this article. The Microchip microcontroller acts as operator arrangement.

Поступила 21.10.2005