热电机组远程无线监测系统研究与设计

邬春明 牟晓敏 程 亮 田章超

(东北电力大学信息工程学院，吉林 吉林 132012)

0 引言

现代远程监测技术在监测方法上与人工智能技术紧密地结合，正朝着网络化、分布式的方向发展［1］。将现代远程监测技术应用到发电厂的监测系统中，实现对设备的远程监测，有助于提高电厂的安全性及经济性，保证电网的安全运行，是发电厂调度自动化的一部分［2］。

21世纪，我国移动通信事业得到了飞速发展，尤其目前以3G为代表的新一代无线移动通信技术已全面投入应用，它无需布线、组网灵活、易升级，且能实时采集传输视频信号，非常适合大范围远距离监控应用［3］。将Internet与3G移动通信技术相结合，消除了距离限制，可随时随地在移动中访问Internet资源。该技术在很多领域已被开始采纳应用。

1 系统总体方案设计

本文设计的热电机组无线监测系统主要是由数据监测终端、数据传输网络和上位机组成［4］。数据监测终端主要完成对现场信息的采集、处理，执行上位机发送过来的控制指令。监测终端集成了3G通信模块，通过现场传感器采集机组的运行数据，微处理器控制3G通信模块把数据经由3G网络无线发送出去。数据传输网络由3G网络和Internet共同构成，它是监测终端与上位机之间的数据传输通道。上位机是数据处理的中心，负责系统中所有数据信息的显示、存储、运算、查询等操作和管理。系统结构如图1所示。

图1 系统结构Fig.1 Structure of the system

2 硬件设计及关键设备

数据监测终端的硬件满足对电力设备实时监控的要求，其以ARM微处理器和3G通信模块为核心器件，还有一些必要的外围电路，如存储器、JTAG接口、时钟复位和系统电源等。汽轮机上的监测终端主要监测汽机振动、汽机转速、汽机主汽温度、汽机主汽压力;锅炉上的监测终端主要监测锅炉汽包压力、锅炉汽包水位。通过实地调研，可以在现场为各被测对象设置传感器，通过传感器以及S3C6410自带的模数转换器ADC完成现场数据的采集。监测终端硬件结构如图2所示。

图2 监测终端硬件结构图Fig.2 Hardware structure of monitoring terminal

2.1 系统电源设计

在监测终端的设计中，选用的芯片种类较多，所需的电压等级也不尽相同。为了满足各芯片工作电压的要求，电源电路采用不同的电压转换芯片将直流12 V电源转换为所需电压值。

根据电力系统的要求，直流电源有两种来源:一是将交流220 V电压经变压、整流、滤波得到12 V直流电压;二是利用现场内蓄电池组的12 V直流电压直接供电。

2.2 S3C6410芯片及外围电路

S3C6410芯片及外围电路如图3所示。

图3 S3C6410芯片外围电路Fig.3 Peripheral circuits of S3C6410 chip

ARM微处理器主要接收现场传感器采集的数据并对数据进行处理后存储至NAND Flash，发送数据时再从NAND Flash中取出，经3G模块发送至Internet。系统采用三星公司的高性能16/32位 ARM11微处理器S3C6410。S3C6410采用64/32位内部总线架构［5］，包括许多强大的硬件加速器，其通过一个优化的接口连接到外部存储器，存储器系统具有双重外部存储器端口［6］。

2.3 3G 模块

3G模块的主要功能是将采集的运行数据通过无线信道发送到基站，并依据移动无线网络与 Internet互连的特性，使得数据在Internet中传输。本设计选用联芯科技生产的DTM6211 3G模块作为无线网络传输模块。DTM6211模块是一款双模无线传输模块，在TD-SCDMA通信模式下，支持上下行非对称数据传输，最高速率分别可达 384 kbit/s［7］。DTM6211模块在通信接口上具有比以往无线通信模块更加灵活的特性，可以支持串口(UART)和通用串行总线接口(USB)两种通信接口，以满足不同主控设备的特性要求［8］。另外，DTM6211模块内部还集成了标准的TCP/IP协议栈，支持TCP协议和UDP协议传输，可以很方便地连接到Internet进行网络传输［9］。3G模块硬件连接图如图4所示。

图4 3G模块硬件连接图Fig.4 Hardware connections of 3G module

3 软件设计

软件设计部分主要是将实时操作系统μC/OS-Ⅱ移植到S3C6410上。

系统运行时首先调用SysInit()和OSInit()对监测终端各个模块和μC/OS-Ⅱ进行初始化，再通过调用OSTaskCreate()依次创建各个任务，并且分配任务优先权。所有新建任务被置为就绪状态。最后调用OSStart()启动系统，开始多任务调度。主程序的流程图如图5所示。

图5 主程序流程图Fig.5 Flowchart of the main program

系统任务中的拨号连接任务和网络状态检测任务使监测终端登录到3G网络，并且在系统运行过程中不断检测网络的连接状态。数据传输任务用于监测终端与监控中心上位机之间的数据双向传送，包括数据发送任务和数据接收任务。系统取S3C6410的6个ADC通道作为现场传感器信号输入接口，并为A/D分配了一个主要完成ADC初始化、ADC转换以及数据读取的任务。

4 试验及结果

在机组远程无线监测系统中，监测终端实现了数据采集和数据发送功能。此外，系统还要求监测终端具有接收、显示并存储机组运行参数的功能。系统工作时，首先开启上位机的监测系统软件，系统自动检测各个监测终端的连接请求，一旦收到监测终端的连接请求，即发送回应信息并建立与该监测终端的连接，同时在系统窗口上显示连接图标。用户通过选择相应的连接图标，对指定的监测终端发送控制信息并接收采集数据。

为验证系统的可行性，在某热电厂进行现场测试。该厂拥有两台330 MW机组，需要24 h不间断地对机组的运行情况进行监测。测试结果表明，系统能够及时监测到发电机组的运行参数，并可以准确传输监测到的参数，满足机组监测实时数据的要求，实现了机组监测的无线化、智能化。

5 结束语

3G网络具有数据传输速率高、信号覆盖面广的优点［10］。将ARM微处理器控制技术与3G网络相结合并应用于热电机组远程无线监测系统，不仅能满足电力系统的监测要求，而且硬件结构简单、可扩充性强、建设和使用成本低、网络传输速率高、实时性强，方便工作人员及时掌握机组的运行情况并做出相应调控。该系统为热电机组的实时监测提供了新的设计思路。

［1］张巧芬.变电站设备温度无线监测系统设计与实现［D］.大连:大连海事大学，2011.

［2］陈飞.基于3G网络的无线视频监控终端［D］.济南:山东大学，2010.

［3］梁家海.一种基于3G网络的分布式远程无线测控系统的设计［J］.工业仪表与自动化装置，2011，15(4):21－24.

［4］谢伟红，章健军.3G无线传感器网络在智能配电网的应用研究［J］.电信科学，2010，16(10):127 －130.

［5］何素琴，张俊.基于嵌入式Linux的3G无线视频终端的设计与实现［J］.电子设计工程，2011，19(4):57 －61.

［6］杨博.基于ARM的嵌入式电机故障诊断系统［D］.上海:东华大学，2010.

［7］曹景胜.基于3G技术的无线视频监控系统设计［D］.锦州:辽宁工业大学，2010.

［8］李伶，李太君.基于3G的手机远程监控系统［J］.通信技术，2010，43(9):130 －132.

［9］陶照清.基于ARM与GPRS的无线数据传输系统的设计［D］.合肥:合肥工业大学，2010.

［10］高庆敏，和欢，石瑞杰.基于ZigBee无线传感网络在变电站监测系统中的应用［J］.华北水利水电学院学报，2010，31(2):53 －56.