1 引言

　　水電站綜合自動(dòng)化裝置的研制主要集中在大、中型水電站，小水電自動(dòng)化程度相對(duì)落后，相當(dāng)一部分的小水電采用傳統(tǒng)的控制方式。如果照搬大、中型水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的模式來設(shè)計(jì)，其成本太高。本文根據(jù)某水電站實(shí)際情況設(shè)計(jì)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)與開發(fā)周期短，系統(tǒng)功能強(qiáng)，運(yùn)行可靠，人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單，成本低。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 總體設(shè)計(jì)

　　本文采用單元機(jī)組控制方式，以一種簡(jiǎn)潔的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法對(duì)小水電站實(shí)現(xiàn)順序控制、轉(zhuǎn)速測(cè)量、頻率測(cè)量、溫度巡檢、勵(lì)磁控制、同期控制、電量采集、開關(guān)電量采集、通信于一體，同時(shí)能將前池水位(或水庫水位)、集水井水位、尾水水位顯示查詢，實(shí)時(shí)監(jiān)控單元機(jī)組及輔機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高了小水電站的綜合自動(dòng)化的可靠性。以西門子的plc s7-200和德州儀器公司ti的高性能數(shù)字信號(hào)處理器(tms320f2812)為核心控制器，觸摸屏為人機(jī)交互界面，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　plc為監(jiān)控的核心部件，由西門子的s7-200cpu226、1臺(tái)數(shù)字量擴(kuò)展模塊em223和1臺(tái)模擬量擴(kuò)展模塊em235組成。cpu226本身帶有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，最大允許擴(kuò)展7個(gè)模塊。數(shù)字量擴(kuò)展模塊em223具有16個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)。模擬量擴(kuò)展模塊em235具有4路模擬量輸入，1路模擬量輸出。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中plc主要完成發(fā)電機(jī)組的正常開關(guān)機(jī)，事故和緊急停機(jī)，以及輔助設(shè)備的監(jiān)控，該plc的配置是完全滿足了自動(dòng)化設(shè)計(jì)的要求了。

　　數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)為調(diào)速控制、勵(lì)磁控制、同期控制、綜合保護(hù)和通信的核心控制器，本文采用美國ti(texas instruments)公司的定點(diǎn)32位dsp芯片tms320f2812。該芯片資源豐富，片內(nèi)高達(dá)128k字的flash程序存儲(chǔ)器，高達(dá)18k字節(jié)的單口ram(saram);兩個(gè)事件管理器模塊eva和evb，每個(gè)包括：4個(gè)16位通用定時(shí)器;16個(gè)16位的脈寬調(diào)制(pwm)通道;12位16通道a/d轉(zhuǎn)換器，每通道最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為80ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來觸發(fā)的兩個(gè)8通道輸入a/d轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入的a/d轉(zhuǎn)換器;增強(qiáng)的控制局域網(wǎng)絡(luò)(ecan)模塊;高達(dá)56個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的輸入輸出口(gpio);豐富的外設(shè)接口包括一個(gè)spi串行外設(shè)接口、兩個(gè)sci串行通信接口、一個(gè)uart標(biāo)準(zhǔn)通用異步收發(fā)接口、一個(gè)can總線接口、一個(gè)mcbsp多通道緩沖串行接口[2]，完全能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

　　觸摸屏采用的mt506觸摸屏屬于256色5.6“tft四線電阻式觸摸屏，是專門面向plc應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，可以實(shí)時(shí)顯示機(jī)組的數(shù)據(jù)信息、圖形、字符串、報(bào)警信息、歷史記錄、趨勢(shì)圖等，通過觸摸按鈕可產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)，或輸入數(shù)值、字符給plc進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[5]。

　　2.2 監(jiān)控原理

　　本系統(tǒng)中tms320f2812dsp的功能是接受plc的控制信號(hào)，快速采集發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)電壓、電流值，以快速傅立葉算法計(jì)算當(dāng)前的電流、電壓、相位、頻率，自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)速器、勵(lì)磁單元，快速跟蹤系統(tǒng)電網(wǎng)的電壓、頻率以及相位的變化，自動(dòng)并網(wǎng)，并按機(jī)組負(fù)荷要求自動(dòng)加載，并將調(diào)速、勵(lì)磁、同期和保護(hù)的狀態(tài)信息反映到plc上。dsp開發(fā)環(huán)境texas instruments公司的dsp集成開發(fā)環(huán)境ccs(code composer studio)，是ti公司開發(fā)的專門進(jìn)行tms320系列dsp軟件設(shè)計(jì)的集成開發(fā)環(huán)境，它采用windows風(fēng)格界面，集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調(diào)試及時(shí)跟蹤功能與一體。程序采用具有良好模塊化結(jié)構(gòu)的c語言編寫，具有靈活簡(jiǎn)便、良好的可讀性及高可靠性的特點(diǎn)。整個(gè)軟件程序由自檢、通訊、勵(lì)磁調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、并網(wǎng)等幾大模塊構(gòu)成。

　　觸摸屏mt506的編程環(huán)境為eview mt500，系統(tǒng)共包含3個(gè)模塊 easy load[upload(上傳)和download(下載)]，easy window(在線模擬和離線模擬)及easy builder。其中easy builder組態(tài)軟件可以非常方便地為mt506觸摸屏進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)包括初始畫面、開機(jī)流程畫面、停機(jī)(緊急停)流程畫面、事故報(bào)警畫面、常用參數(shù)設(shè)定畫面、輸入(輸出)開關(guān)量監(jiān)測(cè)畫面、運(yùn)行統(tǒng)計(jì)畫面、密碼驗(yàn)證畫面、報(bào)警提示、留言板等。其人性化的操作界面和提示畫面簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的操作過程，有效的防止誤操作。

　　3 模塊化軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)plc的功能是發(fā)電機(jī)組的開關(guān)機(jī)控制和輔助設(shè)備監(jiān)控。主要包括系統(tǒng)初始化，自動(dòng)開關(guān)機(jī)，事故停機(jī)，緊急停機(jī)和油氣水的控制。這些功能是由編程實(shí)現(xiàn)的，本文選用梯形圖來編制plc程序[1]。

　　為了使程序標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)具有一定的可擴(kuò)展性，方便日后對(duì)程序進(jìn)行完善、修改，plc程序設(shè)計(jì)采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。整個(gè)程序由初始化模塊、自動(dòng)開機(jī)控制模塊、自動(dòng)停機(jī)控制模塊(包括事故、緊急停機(jī))、觸摸屏通信模塊、遙信和報(bào)警控制模塊、保護(hù)模塊等組成。

　　3.1 初始化模塊

　　完成對(duì)所有使用的中間繼電器(m)、定時(shí)器(t)和數(shù)據(jù)寄存器(d)進(jìn)行初始化處理， 對(duì)一些需要初值的參量賦值。

　　3.2 自動(dòng)開機(jī)控制模塊

　　在機(jī)組自檢滿足了開機(jī)條件之后，當(dāng)工作人員發(fā)出開機(jī)令后，自動(dòng)按照正常安全開機(jī)的流程，plc對(duì)dsp和輔助設(shè)備發(fā)出控制信號(hào)，dsp啟動(dòng)自動(dòng)調(diào)速，勵(lì)磁及準(zhǔn)同期并網(wǎng)，各輔助設(shè)備正常投入工作狀態(tài)，完成水輪發(fā)電機(jī)組從安全開機(jī)到并網(wǎng)的全過程。自動(dòng)開機(jī)流程圖如圖2所示。

　　3.3 自動(dòng)停機(jī)控制模塊

　　在機(jī)組處于發(fā)電狀態(tài)，當(dāng)工作人員發(fā)出正常停機(jī)令后，或機(jī)組出現(xiàn)緊急事故的情況下，將機(jī)組從電力系統(tǒng)中解列，然后按照順序?qū)⑺啺l(fā)電機(jī)組安全停機(jī)，各輔助設(shè)備完成安全退出發(fā)電工作狀態(tài)，機(jī)組自動(dòng)停機(jī)流程圖如圖3所示。

　　3.4 通信和報(bào)警控制模塊

　　處理plc與觸摸屏和上位機(jī)監(jiān)控主機(jī)通信，實(shí)時(shí)處理觸摸屏和上位機(jī)監(jiān)控主機(jī)的控制命令，同時(shí)采集一些機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)(如機(jī)組轉(zhuǎn)速、油溫、油壓等)，在觸摸屏和上位機(jī)監(jiān)控軟件上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，實(shí)時(shí)提示系統(tǒng)遙信遙測(cè)報(bào)警，并立即彈出報(bào)警窗口。

　　3.5 保護(hù)模塊

　　實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)電機(jī)組和輔助設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)運(yùn)行異常時(shí)，快速反映到觸摸屏和監(jiān)控主機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)事故停機(jī)，將發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)中解列，從而保護(hù)發(fā)電機(jī)組的安全和電網(wǎng)的穩(wěn)定。

　　4 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化操作過程，可以同時(shí)在觸摸屏和上位機(jī)監(jiān)控主機(jī)上，實(shí)現(xiàn)“一鍵開機(jī)”、“一鍵關(guān)機(jī)”，高自動(dòng)化設(shè)計(jì)適用于小型水電站的運(yùn)行管理，有效防止人為誤操作，提高運(yùn)行的安全性，有效實(shí)現(xiàn)無人值班少人值守。