每个现场监测单元监测三个现场数据采集节点，现场数据采集节点的现场监测单元主要负责对现场数据进行采集、存储和传送。现场监测包括压力监测；温度监测；水位及油位等液位监测；水流量监测；机组振动摆度监测、机组电气监测、机组转速及导叶开度监测、效率监测；水轮机气蚀监测；发电机气隙监测；发电机绝缘监测；尾水管真空监测等。
    各个现场采集节点通过LONWORKS总线组成一个现场监测网络。用开发的LONWORKS－ETHERNET互连适配器^[2]把LON总线上采集节点发送的数据转换为UDP格式，利用速度较高的工业以太网将其发送到上位机，再把上位机下达的命令转换为LonTalk协议的形式发给各个现场节点，从而实现上位机和底层各个现场节点之间的通信。与以往采用昂贵的LON总线适配器的方法相比，这种方法既提高了数据的传输速度又节省了费用。上位机将现场节点传送上来的各种监测数据存进MS－SQLSERVER2000数据库，提供人机交互的界面，并完成实时数据的图形化、格式化显示，同时用傅立叶变换（FT）和小波变换" title="小波变换">小波变换（WT）对数据进行分析。
2.1 现场节点设计
    现场节点既要接收上位机发出的采集命令，命令标准传感器采集现场信号；又要把采集到的现场信号通过LON总线送到上位机，由上位机进行处理。其结构如图2所示。

2.1.1 节点组成
    节点由神经元芯片Neuron 3150、LONWORKS双绞线、网络收发器、程序存储器、数据存储器、十二位A/D转换芯片AD1674等组成。其中，3150神经元芯片选用TOSHIBA公司生产的TMPN3150； FLASH ROM选用AT29C512；数据存储器（RAM）选用ISSI公司的IS61C256；Neuron 3150芯片与LON总线的网络介质接口选用Echelon公司的自由拓扑型收发器FTT 10A，它是一种变压器耦合收发器，可提供一个与双绞线的无极性接口，且支持网络的自由拓扑结构；网络通讯介质采用最常用的双绞线；A/D转换芯片采用性价比较高的AD1674芯片，其转换精度为1/2LSB，转换速率为100kSPS，具备三态输出缓冲区。
2.1.2 存储空间分配
    Neuron 3150芯片片内存储器的地址范围为E800H～FFFFH，包括2KB的RAM(E800～EFFF)、0.5KB的EEPROM(F000～F1FF)、2.5KB的保留空间(F200～FBFF)和1KB的用于存储器映像I/O" title="I/O">I/O 的空间(FC00～FFFF)。外部扩展存储器的地址由Neuron3150的地址引脚和控制引脚来确定：给FLASH ROM分配的地址空间为0000～7FFF，其中，0000～3FFF的16KB空间用于系统固件(Firmware)，系统固件实现了LonTalk协议，4000～7FFF的16KB空间用于用户程序代码；给RAM分配的地址空间为8000～E7FF 的24KB地址空间；将E000～E7FF的2KB地址空间分配为外部设备的内存映像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^[3]。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。
    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^[4]。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，但每个网络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，同时需要提高现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_domain(&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
    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，不再赘述。
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号等信息将数据存入相应的数据库，等待后续的信号处理模块和故障诊断模块调用。

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。

    选用消失矩为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—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体，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^[5]。