一種雙冗余水電站水位測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種水電站水位測量技術(shù)，特別是一種雙冗余水電站。
【背景技術(shù)】
[0002]上下游水位、毛水頭、攔污柵前后水位等關(guān)鍵水位數(shù)據(jù)是水電站機(jī)組運(yùn)行和大壩監(jiān)測需要重點(diǎn)監(jiān)控的數(shù)據(jù)對象，因此，作為電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)的水位測量系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。傳統(tǒng)的水位采集系統(tǒng)往往單一的采用PLC讀取傳感器模擬量信號的模式，需要敷設(shè)大量的信號線。而一些中小型的水電站大多位于邊遠(yuǎn)山區(qū)，環(huán)境惡劣，庫區(qū)水位監(jiān)測點(diǎn)信號及電源線敷設(shè)路徑大多暴露在野外，施工、維護(hù)相對復(fù)雜且很容易破損或被老鼠等動(dòng)物破壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性的雙冗余水電站水位測量系統(tǒng)。
[0004]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，一種雙冗余水電站水位測量系統(tǒng)，其特點(diǎn)是:
[0005]包括現(xiàn)地端數(shù)據(jù)采集箱和集控端水位集控屏，數(shù)據(jù)采集箱與水位傳感器相接，數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)設(shè)有雙輸出編碼器，水位集控屏內(nèi)設(shè)有一體化工控機(jī)和與一體工控機(jī)相接的交換機(jī)，
[0006]在數(shù)據(jù)采集箱和水位集控屏之間設(shè)有:以PLC處理器為核心的基于PR0FINET網(wǎng)絡(luò)的有線水位采集單元I和以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)為核心的基于ZIGBEE無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線水位采集單元II，有線水位采集單元I和無線水位采集單元II互為冗余，
[0007]有線水位采集單元I包括由雙輸出編碼器輸出的第一路信號經(jīng)過支持工業(yè)以太網(wǎng)連接的遠(yuǎn)程1設(shè)備及信號線連接至交換機(jī)；
[0008]無線水位采集單元II包括由雙輸出編碼器輸出的第二路信號經(jīng)過微處理器至無線發(fā)射模塊構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)、無線接收模塊經(jīng)過微處理器連接至一體化工控機(jī)構(gòu)成的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。
[0009]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題還可以通過以下技術(shù)方案來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，所述水位傳感器為重錘浮子式傳感器。
[0010]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題還可以通過以下技術(shù)方案來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)地端數(shù)據(jù)采集箱至少包括前端數(shù)據(jù)采集箱和后端數(shù)據(jù)采集箱。
[0011]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用基于無線傳感技術(shù)的水位測量解決方案，并與傳統(tǒng)的PLC方案相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一套有線式和無線式雙冗余的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。應(yīng)用于水電站水位測量，避免了因?yàn)榫€路損壞造成系統(tǒng)癱瘓，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。
【附圖說明】
[0012]圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0013]圖2為有線水位采集單元I的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖3為無線水位采集單元II的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]一種雙冗余水電站水位測量系統(tǒng)，包括現(xiàn)地端數(shù)據(jù)采集箱和集控端水位集控屏，數(shù)據(jù)采集箱與水位傳感器相接，數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)設(shè)有雙輸出編碼器6，水位集控屏內(nèi)設(shè)有一體化工控機(jī)3和與一體工控機(jī)相接的交換機(jī)2。
[0016]在數(shù)據(jù)采集箱和水位集控屏之間設(shè)有:以PLC處理器為核心的基于PR0FINET網(wǎng)絡(luò)的有線水位采集單元I和以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)4、傳感器節(jié)點(diǎn)5為核心的基于ZIGBEE無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線水位采集單元II，有線水位采集單元I和無線水位采集單元II互為冗余。
[0017]有線水位采集單元I包括由雙輸出編碼器輸出的第一路信號經(jīng)過支持工業(yè)以太網(wǎng)連接的遠(yuǎn)程1設(shè)備I及信號線連接至交換機(jī)。
[0018]無線水位采集單元II包括由雙輸出編碼器輸出的第二路信號經(jīng)過微處理器至無線發(fā)射模塊構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)5、無線接收模塊經(jīng)過微處理器連接至一體化工控機(jī)構(gòu)成的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)4。
[0019]所述水位傳感器為重錘浮子式傳感器。
[0020]現(xiàn)地端數(shù)據(jù)采集箱至少包括前端數(shù)據(jù)采集箱和后端數(shù)據(jù)采集箱。
[0021]有線水位采集單元1:
[0022]由集控端和現(xiàn)地端兩部分組成，集控端以西門子S7_300(型號為CPU315 — 2PN/DP)為數(shù)據(jù)處理中心，帶有一個(gè)RJ45網(wǎng)口和一個(gè)PROFIBUS DP接口?，F(xiàn)地端采用西門子遠(yuǎn)程10(頂153 - 4PN)進(jìn)行水位數(shù)據(jù)的采集，IM153 一 4PN支持以太網(wǎng)連接?，F(xiàn)地端包括前端數(shù)據(jù)采集箱和尾端數(shù)據(jù)采集箱(可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展)兩個(gè)水位采集裝置。
[0023]系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示:前端數(shù)據(jù)采集箱中配置模塊M153— 4PN作為支持工業(yè)以太網(wǎng)連接的遠(yuǎn)程1設(shè)備。頂153 — 4PN上配置有2塊16位Al模塊。尾端數(shù)據(jù)采集箱與前端數(shù)據(jù)采集箱硬件配置相同。數(shù)據(jù)采集箱根據(jù)需要可方便的進(jìn)行擴(kuò)展。重錘浮子式水位傳感器與GAX60型號編碼器相連接，將水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4-20mA信號輸出至Ml53 — 4PN上Al模塊。S7-300PLC(CPU315 — 2PN/DP)與一體化工控機(jī)設(shè)置在水位測量集控屏中。
[0024]前端水位采集箱和尾端水位采集箱作為遠(yuǎn)程1設(shè)備，與位于水位測量集控屏的CPU315 - 2PN/DP通過赫斯曼交換機(jī)連接，構(gòu)建了一個(gè)支持以太網(wǎng)通信的PR0FINET網(wǎng)絡(luò)。工控機(jī)通過以太網(wǎng)卡連接到PR0FINET網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對PLC的數(shù)據(jù)讀寫功能。
[0025]網(wǎng)絡(luò)地址配置:CPU315 — 2PN/DP為192.168.0.1，前端數(shù)據(jù)采集箱模塊M153 —4PN為192.168.0.2，下游數(shù)據(jù)采集箱模塊IM153 — 4PN為192.168.0.3，一體化工控機(jī)為192.168.0.4。
[0026]基于ZIGBEE無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線水位采集單元II:
[0027]ZigBee是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)層面上定義了三種不同的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，分別是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(也稱匯聚節(jié)點(diǎn))，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，是整個(gè)ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)的核心；路由節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)其他節(jié)點(diǎn)的消息轉(zhuǎn)發(fā)功能；傳感器節(jié)點(diǎn)(也稱終端節(jié)點(diǎn))，是具體執(zhí)行數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)脑O(shè)備。ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、樹型、網(wǎng)型等三種。功能單元2中節(jié)點(diǎn)主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，并以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為核心，構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件放置于水位測量集控屏中，傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)置在現(xiàn)地端數(shù)據(jù)采集箱(前端數(shù)據(jù)采集箱和尾端數(shù)據(jù)采集箱)中，根據(jù)需要可增加傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)通訊。
[0028]傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件組成及由其組建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、ZigBee通信模塊、電源管理模塊等組成。硬件結(jié)構(gòu)見圖3中的傳感器節(jié)點(diǎn)部分。
[0029](I)數(shù)據(jù)采集模塊
[0030]主要是由傳感器和編碼器構(gòu)成。水位傳感器采用重錘浮子式水位傳感器，編碼器采用的是GAX60型號雙輸出編碼器，輸出485信號至數(shù)據(jù)處理模塊中LPC2210微處理器。
[0031](2)數(shù)據(jù)處理模塊
[0032]數(shù)據(jù)處理模塊采用LPC2210微處理器作為ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理的處理器。LPC2210是由飛利浦公司推出的一款32位ARM7微處理器，帶有16KB RAM，76個(gè)通用I/O 口，12個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳，集成有8通道的10位A/D，能夠基于芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜的系統(tǒng)。借助LPC2210強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的引腳功能，數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后，經(jīng)SPI 口將數(shù)據(jù)傳輸至ZigBee通信模塊。
[0033](3) ZigBee 通信模塊
[0034]ZigBee通信模塊主要部件是飛思卡爾生產(chǎn)的符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片MC13192。這一芯片的工作頻帶為2.4GHz，采用16通道和250kbps的有效數(shù)據(jù)傳輸速率。水位數(shù)據(jù)最終通過MC13192模塊被無線發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。
[0035](4)電源模塊
[0036]電源模塊統(tǒng)一為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)處理模塊(主要是LPC2210處理器)和ZigBee通信模塊(主要是MC13192芯片)提供電源支持。數(shù)據(jù)采集模塊單獨(dú)供電。
[0037]2、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由Zigbee無線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源等部分構(gòu)成。硬件結(jié)構(gòu)見圖3中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)部分。
[0038]與傳感器節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成類似，數(shù)據(jù)處理模塊處理器采用LPC2210，ZigBee通信模塊采用MC13192，工作過程與傳感器節(jié)點(diǎn)正好相反。首先，MC13192模塊接收來自傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過SPI接口發(fā)送至主控處理器LPC2210模塊，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和協(xié)議打包后，以485信號經(jīng)過串口發(fā)送至水位測量屏工控機(jī)。
[0039]這一冗余系統(tǒng)中有兩種網(wǎng)絡(luò)形式，分別是PR0FINET網(wǎng)絡(luò)和ZIGBEE無線傳感網(wǎng)絡(luò)。PR0FINET網(wǎng)絡(luò)是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，支持TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊，通過集成PR0FINET接口，分布式現(xiàn)場設(shè)備(遠(yuǎn)程10)可以直接連接到PR0FINET網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行分布式的數(shù)據(jù)采集且傳輸速率高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)，ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。對于小范圍內(nèi)分布式數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，ZIGBEE無線傳感技術(shù)無疑是比較好的選擇，它可以擺脫對物理線路的依賴，依靠無線信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，也對傳感器單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)，選取了重錘浮子式的水位傳感器與GAX60絕對值編碼器。傳感器與編碼器之間采用硬連接方式，性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，具有掉電保持功能，同時(shí)GAX60編碼器能夠同時(shí)為兩種功能單元提供兩種信號輸出。這樣，在系統(tǒng)切換過程中又保證了數(shù)據(jù)的一致性和穩(wěn)定性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙冗余水電站水位測量系統(tǒng)，其特征在于: 包括現(xiàn)地端數(shù)據(jù)采集箱和集控端水位集控屏，數(shù)據(jù)采集箱與水位傳感器相接，數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)設(shè)有雙輸出編碼器，水位集控屏內(nèi)設(shè)有一體化工控機(jī)和與一體工控機(jī)相接的交換機(jī)， 在數(shù)據(jù)采集箱和水位集控屏之間設(shè)有:以PLC處理器為核心的基于PROFINET網(wǎng)絡(luò)的有線水位采集單元I和以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)為核心的基于ZIGBEE無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線水位采集單元II，有線水位采集單元I和無線水位采集單元II互為冗余， 有線水位采集單元I包括由雙輸出編碼器輸出的第一路信號經(jīng)過支持工業(yè)以太網(wǎng)連接的遠(yuǎn)程1設(shè)備及信號線連接至交換機(jī)； 無線水位采集單元II包括由雙輸出編碼器輸出的第二路信號經(jīng)過微處理器至無線發(fā)射模塊構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)、無線接收模塊經(jīng)過微處理器連接至一體化工控機(jī)構(gòu)成的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙冗余水電站水位測量系統(tǒng)，其特征在于:所述水位傳感器為重錘浮子式傳感器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙冗余水電站水位測量系統(tǒng)，其特征在于:現(xiàn)地端數(shù)據(jù)采集箱至少包括前端數(shù)據(jù)采集箱和后端數(shù)據(jù)采集箱。
【專利摘要】一種雙冗余水電站水位測量系統(tǒng)，包括現(xiàn)地端數(shù)據(jù)采集箱和集控端水位集控屏，數(shù)據(jù)采集箱與水位傳感器相接，數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)設(shè)有雙輸出編碼器，水位集控屏內(nèi)設(shè)有一體化工控機(jī)和與一體工控機(jī)相接的交換機(jī)，以PLC處理器為核心的基于PROFINET網(wǎng)絡(luò)的有線水位采集單元Ⅰ和以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)為核心的基于ZIGBEE無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線水位采集單元Ⅱ，有線水位采集單元Ⅰ和無線水位采集單元Ⅱ互為冗余，采用基于無線傳感技術(shù)的水位測量解決方案,并與傳統(tǒng)的PLC方案相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一套有線式和無線式雙冗余的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。應(yīng)用于水電站水位測量，避免了因?yàn)榫€路損壞造成系統(tǒng)癱瘓，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。
【IPC分類】G01F23/30
【公開號】CN204649270
【申請?zhí)枴緾N201520309799
【發(fā)明人】杜崗, 宋艷, 陳洪剛, 吳峰, 賈洪艷, 安剛, 徐靜
【申請人】連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年5月14日