汽輪機汽缸負荷分配監測系統設計

郭 杰，雷 剛

GUO Jie , LEI Gang

（四川工程職業技術學院，德陽 618000）

0 引言

大型汽輪機是關系國計民生的重大技術裝備，結構復雜、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，受德陽一電站設備安裝公司委托，研發了本汽輪機汽缸負荷分配監測系統。

1 負荷分配監測系統總體結構

根據實際需要，負荷分配監測系統總體結構如圖1所示，包含以下幾部分：

圖1 系統總體結構圖

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，實現壓力信號到電壓信號的轉換，同時實現電壓信號的放大整定輸出。

2）數據轉換部分：包含輸入模擬信號輸入緩沖級和A/D轉換器。

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，完成系統控制、測量數據的實時顯示、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：日歷時鐘的產生、保存，測試初始數據的掉電保護。

5）USB通信接口：實現系統和PC機的數據通信，實現系統在線監控。

6）電源部分：實現開關電源對電路各部分的電源供給，完成系統電池充放電管理。

2 監測系統主要硬件電路設計

2.1 前置壓力信號處理部分

前置壓力信號處理部分是數據可靠的關鍵因素，在設計中采用通過計量監督部門檢測合格的傳感器及配套放大器以保證系統可靠性。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轉換部分

圖2 A/D接口電路圖

在系統中，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轉換器的分辨率必須是10bit以上。綜合考慮分辨率、轉換速度、接口設計和價格因素等諸多因素，本系統選用的是MAXIM公司生產的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輸入，共8個通道，每個通道的輸出已經調整為0-5V，運放LM324構成電壓跟隨器結構，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，降低測量數據的隨機誤差影響。

2.3 CPU和人機界面部分

在系統中，由于需要進行大量的數據計算和處理，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RAM和64K字節ROM，可以滿足系統的需要。

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

液晶和打印機使用通用的工業級產品，提高系統的可靠性和通用性。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CPU總線復用。

2.4 實時時鐘和掉電保護部分

在實時時鐘和掉電數據保護的硬件電路設計中，使用具有I2C結構的日歷時鐘芯片X1205和E2PROM芯片ATMEL 24C16實現。為保證日歷時鐘芯片在系統電源關閉狀態下實時時鐘仍然運行，使用可充電電池BT1實現芯片X1205的電源供應。

2.5 USB通信接口

在該系統中，采用USB接口與PC機進行數據通信，可以提供比串行通信更高的通信速率，提高設備的實用性。利用P89C51RD2單片機的并口P0，使用USB協議芯片CH372進行硬件電路設計，簡化電路結構。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 壓力監測系統軟件設計

壓力監測系統的軟件設計主要包含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、日歷時鐘和掉電數據讀取以及界面語言的選擇（提供中文、英文雙模式）。

2）A/D轉換和數字濾波：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，利用數字濾波技術處理后得到數據結果。

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定時。

圖5 軟件流程圖

4 數據濾波處理

汽輪機安裝過程中，現場電磁環境復雜，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轉換的結果還需要進行數字濾波處理，軟件數字濾波包含兩方面內容：

4.1 剔除測量的粗大誤差

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

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），依次判斷每個數據的殘差值的絕對值是否小于3倍的標準差估計值。如果某數據的殘差超出該范圍，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據進行中值一平均值濾波。具體作法是將剩余的M個數據進行排序，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。通過實驗發現采用該方法后，測量結果得到改善。

表1 無數字濾波的測試數據

表2 使用數字濾波后的測試數據

4.3 數據對比

為驗證數字濾波技術的應用對測量結果精度的影響，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是沒有使用數字濾波技術得到的測量結果，表2是使用濾波后的測量結果。通過數據的比較發現使用濾波處理后顯示數據的誤差減小，測量結果的精度得到了改善。

5 結束語

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

[1]劉志申,高敬格.特鋼廠煤氣輸氣管道壓力智能控制系統設計[J].制造業自動,2010,(6):58-60,79.

[2]周密,馮立成,郭勇.壓力容器應力自動測試系統研究[J].四川大學學報:工程科學版,2001,1(1):34-37.

[3]羅忠富.基于ARM處理器的壓力測試系統設計[J].機械工程與自動化,2008,(4):39-40,43.

[4]張哲,李寶珠,王存寶,張志杰.基于無線數據傳輸的沖擊波超壓測試系統的研究[J].傳感器與微系統,2009,(6):7-9.