基于现场总线的水轮机组状态监测系统

I/O的空间。

2.1.3 A/D转换接口方案

本文在设计时曾考虑过使用Neuron芯片为A/D转换电路提供串行I/O及并行I/O接口方式。然而串行I/O方式速度太慢；并行I/O方式实现起来需要占用Neuron芯片全部11个I/O接口，同时还要编程实现Neuron芯片的握手/令牌传递算法，开发费用和难度比较高。因此本文将节点保留的E000～E7FF的2KB地址空间分配给A/D转换芯片，作为AD1674的端口地址，采用内存映像的方法直接读取AD1674的数据。对于本设计而言，AD1674转换数据的高8位地址为E002H，低4位数据地址为E003H。由于实现软件没有使用Neuron C的内嵌函数，因此执行速度得到大幅度的提升，实验证明，对同样采用AD1674转换芯片的节点而言，采用这种方法设计的节点，采集速度超过了其它两种方法设计的采集节点的采集速度，而且节省了Neuron芯片的全部11个I/O引脚。

3 系统通信程序的设计

3.1 现场节点通信程序

现场节点向上位机发送的数据首先发送到LONWORKS-ETHERNET互连适配器，该适配器实际上是一个特殊的LONWORKS节点，它把接收到的LON总线上的数据用UDP封装，然后通过以太网发送到上位机。

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LONWORKS网络的节点之间的通信方式主要有两种方式：网络变量和显式消息。使用网络变量不必考虑消息的打包、发送以及接收问题，可以大大简化编程，缩短应用开发周期，但每个周期变量的数据长度一经确定就不能改变，且最多只有31字节。而显式消息的数据长度则是灵活可变的，最长可以是228字节，但实现方法更为复杂。鉴于水轮机组状态监测系统对数据传输的实时性要求较高，同时需要提高足球场采集数据的上传速度，因此希望每一次传送的报文包含尽量多的数据，因而在设计中采用显示消息的方式实现与上位机的通信，每个显式消息报文携带134个字节的数据，其中的128个字节为传送的数据，另外6个字节为附加信息。报文的帧结构如图3所示。

显示报文的初始化和发送部分的实现程序如下：

初始化节点地址

#include 所需头文件
#include
#include
domain_struct mydomain; //定义域结构
mydomain=＊（access_domain（0））;//读节点域表
mydomain.subnet=0; //设置节点子网号
mydomain.node=5; //设置节点号
update_damain（mydomain,0）; //写节点域表

发送数据报文

msg_tag test_out; //声明报文标签
msg_out.tag=test_out; //传递报文标签
msg_out.dest_addr.snode.node=0; //定义目的地址节点号
msg_out.dest_addr.snode.subnet=0; //定义目的地址子网号
msg_out.code=0x0c; //定义报文码
msg_out.service=ACKD; //定义报文服务类型
msg_out.dest_addr.snode.type=1; //定义目的节点类型
memcpy（msg_out.data,a0,nLength）;//填充报文内容
msg_send（）;//发送报文

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在初始化程序中，用数据结构domain_struct定义节点的子网号、节点号，即设置节点在LON总线上的地址。在发送程序中利用msg_out结构构造报文，其中，目的地址指向适配器。显示报文的接收程序与发送部分类似，不再多述。

3.2 上位机通信程序

上位机与现场节点通讯的数据通过适配器转发，适配器的IP必须事先指定。上位机利用msg_out变量（如前所述）创建显示报文，将目标节点的地址、需要改变的参数或要下达的命令填充到该变量中，然后用UDP封装该变量，通过以太网发往适配器；适配器解析上位机发来的数据包，得到显示报文，将该显示报文直接向相应的节点发送。同样，适配器也将现场节点发来的显示报文通过UDP封装后发往上位机，上位机解包后根据节点等信息将数据存入相应的数据库，等待后后续的信号处理模块和故障诊断模块调用。

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4 故障诊断

系统采用连续小波变换对采集的信号进行处理，通过变换结果进行故障诊断。下面以采集到的水轮机的主轴上导Y轴方向径向摆度信号（图4）的数据为例说明通过小波变换进行故障诊断的结果。

选用消息矩为4的双正交样条小波，在[1:1:48]的尺度上对时域信号进行连续小波变换。图5为摆度信号的小波系数在尺度一时间上的三维图形表示。从图中可以明显看出周期性出现的四条模极大值曲线，且总是第三条斜率较小，而正常情况下三维图中将出现平稳的锥全，这说明这些点的奇异性较强。事实上这正是由于水轮机主轴滑动摩擦造成的。通过设置阈值算法得到小波的模极大值曲线，如图6所示。两条模极大值曲线的相交点即可以精确地指向故障点。

本文结合水轮发电机组状态监测的实际需要，研究开发了一种基于LONWORKS现场总线技术的水轮发电机组状态监测系统，完成了现场数据采集节点的软硬件开发，设