【正文】 時間，使 5096 的農(nóng)村水電站和電網(wǎng)采用現(xiàn)代化技術(shù)，達到現(xiàn)代化水平；同時也明確提出要求新建農(nóng)村水電站都要按無人值班 (少人值守 )進行設計和建設，二十世紀九十年代以前建設的水電廠，要按總體目標做出更新改造計劃，在 2O10 年前全部實現(xiàn)無人值班 (少人值守 )。近幾年，我國電網(wǎng)中水電站的自動化水平發(fā)生著巨大的變化，大量采用先進自動化技術(shù)的水電站正在興建或己經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電，有些還實現(xiàn)了無人值班。再加上風，水，油，廠用電等輔助設備系統(tǒng)，為了實現(xiàn)電站無人值班，要實現(xiàn)多種設備的接口與通訊，完成復雜的系統(tǒng)集成，其復雜程度與大型電站相差無幾，真可謂麻雀雖小，五臟俱全，結(jié)果是盤柜數(shù)多，結(jié)線復雜，使用掌握困難，既大大增加了用戶投資，也給電廠設備操作和維護增加了復雜性。水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的基礎，首先是設備控制自動化， 然后是監(jiān)控和計算機監(jiān)控系統(tǒng)。美國首先將計算機應用到水電站，實現(xiàn)了水電站中控室的集中監(jiān)控；七十年代 后期，集散型監(jiān)控系統(tǒng) (DCS)開始出臺。 水電站計算機監(jiān)控技術(shù)的現(xiàn)狀 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機的性能日趨完善而價格日益下降，計算機已深入到水電站自動化的各個領域。因此可見水電站的計算機監(jiān)控將不容置疑地成為水電站自動攀枝花 學院?？飘厴I(yè)設計（論文） 1 緒論 4 化發(fā)展的主要方向。大約 50%的發(fā)電設施發(fā)電量不足 5000KW，并 且無人操作。加之國外產(chǎn)品昂貴的價格，所以難于適應我國的水電系統(tǒng)。目前，國內(nèi)水電站紛紛投資進行以計算機監(jiān)控為基礎的綜合自動化系統(tǒng)工程的更新改造。 我國對水電站自動監(jiān)控裝置的研制起步比較晚，但是發(fā)展很迅速。對于那些較早建造的老水電站，尤其是 位于偏遠、貧困地區(qū)里的小水電站，由于值班人員素質(zhì)低下、經(jīng)濟困難，無法承擔和應用。同時在對水輪機調(diào)速器的設計進行分析研究的基礎上，提出了采用模糊自適應 PTD 的控制算法的思路，并結(jié)合水輪機的數(shù)學模型進行仿真研究，仿真結(jié)果達到了預計的效果，為設計新型的智能調(diào)速器打下良好的基礎。 ③對單片機、工控機內(nèi)實現(xiàn)主要功能的程序進行編制。 2. 2 典型的水電站計算機控制結(jié)構(gòu)形式 典型的控制系統(tǒng)一般由測控系統(tǒng)和過程對象兩大部分組成。計算機控制系統(tǒng)的形式與它所控制的過程對象的復雜程度密切相關(guān)，不同的被控對象和不同的控制要求，應選擇不同的控制系統(tǒng)。操作人員根據(jù)計算機的輸出信息 (如 CRT 顯示圖形或打印機的輸出等 )去改變調(diào)節(jié)裝置的設定值或直接操作執(zhí)行機構(gòu)而完成改變、調(diào)整過程運行狀態(tài)的控制任務。該系統(tǒng)通常采用兩級計算機，其中 DDC 級計算機 (稱為第一級 )直接與過程對象相連，并直接承擔控制任務； SCC 級計算機 (稱為第 一級 )則根據(jù)反映過程對象工況的數(shù)據(jù)和數(shù)學模型，通過一定的計算給 DDC 級計算機提供各種控制信息，比如最佳的被控參數(shù)希望值等。 FCS 系統(tǒng)是繼集散控制系統(tǒng)之后出現(xiàn)的新一代分布式控制系統(tǒng)，它是一種全數(shù)字化、全分散式、可互操作和開放式互聯(lián)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，是當前正在蓬勃發(fā)展的控制系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)模式為工作站和現(xiàn)場總線智能儀表兩層結(jié)構(gòu)。 (1)數(shù)據(jù)共享 水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)是由上位機、現(xiàn)地控制單元等計算機裝置組成，這些計算機均能獨立運行，完成各自的控制功能，但要讓這些計算機協(xié)調(diào)工作，充分挖掘出計算機監(jiān)控系統(tǒng)的潛能，就必須通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，更好地對整個電站各個設備進行協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)電站的優(yōu)化運行。網(wǎng)絡化是實現(xiàn)水電站調(diào)度自動化的必要前提。從本質(zhì)上講組態(tài)軟件是一種可重用的軟件，是將原有可重用的程序整合成新的程序。 現(xiàn)在工業(yè)發(fā)達國家 ，無論是大型水電站還是小型水電站，許多電站都在實行無人值守，或稱為一人操作電站，即只需一個值班員就可以進行電站的開停機控制、運行操作。根據(jù)數(shù)據(jù)處理和合理分配硬件資源的要求，兩個監(jiān)控裝置的分工如下 : (1)主監(jiān)控裝置將主要完成交、直流電氣量的測量 (A/D 轉(zhuǎn)換 )、交流電氣量測量數(shù)據(jù)的快速傅立葉變換 (FFT )、控制輸出 (水力發(fā)電機組的自動操作和調(diào)節(jié) )、通訊、顯示、按鍵處理、故障錄波等功能。 攀枝花學院?？飘厴I(yè)設計（論文） 3 系統(tǒng)的總體電路結(jié)構(gòu)與分析 10 圖 圖 副監(jiān)控裝置硬件電路框圖 . 2 主要芯片選擇 CPU 的選擇 出于實用性穩(wěn)定和開發(fā)周期短的原因，在本裝置中采用的 CPU芯片為 80C196,它是高性能的 CHMOSI6 位單片機， CHMOS 芯片耗電少，它除了 8096BH 已包含的外設 (時鐘發(fā)生器、 I/0 口、 A/D 轉(zhuǎn)換器卜、 PWM、串行口、定時 /計數(shù)器、監(jiān)視定時器、高速輸入 /輸出器等 )外，被嵌入的外設還主要有 :外設事物服務器 PTS、事件處理器陣列 EPA、使用靈活的 A/D 轉(zhuǎn)換器、波形發(fā)生器等等。 PSD 芯片的應用 如果采用以往的設計方法，要應用大量的單片機外圍芯片與 CPU配合，會使電路結(jié)構(gòu)復雜、布線繁瑣。同時， PSD913F2 還包括 JTAG 串行編程接口。由于印刷電路板上要求較少的布線，而且 PSD器件比分立元件設計的適應性更強，所以降低了設計風險。由于本裝置用于發(fā)電機組出口端子上各種電氣參數(shù)的測量，提供測量用的 PT、 CT二次側(cè)電壓為 75V、電流為 5A。 目前，隔離傳感器中采用的耦合方式主要有兩種 :變壓器耦合和光電耦合。 WB 系列電量傳感器是根據(jù)自動控制和數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展的需要，有西南自動化所研制出來的高性能電量檢測產(chǎn)品。對于 8位的 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率能達到 1/28或滿刻度的 0. 392%，顯然不能 滿足本裝置所要求的 0. 2 級 (0. 2%)精度；而 12 位的轉(zhuǎn)換器能夠達到的精度為 0. 0245%，能夠滿足本裝置的精度要求，所以本裝置采用 12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器用于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。 MAX 197 具有以下顯著特點 : ① 12bits 的分辨率，單 5v供電； ② 可動態(tài)改變的轉(zhuǎn)換輸入范圍 :士 10v，士 5v, 01Ov, 05v； ③ 8個模擬輸入通道， 6us 的轉(zhuǎn)換時間 ④ 內(nèi)部或外部可選的參考電壓和時鐘 其 它器件的選擇與應用 由于快速傅立葉變換 (FFT)處理數(shù)據(jù)以及記錄測量結(jié)果要占用的數(shù)據(jù)存儲單元較多，同時為了實現(xiàn)故障錄波因此配置了非易失性數(shù)據(jù)存儲器；其次為了記錄時間的需要，還用到了時鐘芯片，作為時間顯示的基準和有關(guān)數(shù)據(jù)計算的標準；按鍵直接應用 80C196 的 I/O 口；顯示部分采用液晶顯示器；此外還用到了可編程運行監(jiān)視器，使系統(tǒng)故障時能自動復位，采用 E2PROM 存儲器，存儲一些重要參數(shù)和測量結(jié)果。當系統(tǒng)故障或內(nèi)部程序走飛時，在可選的超時周期之后， X25043 看門狗將以預設的電平信號 (高或低 )做出響應。復位一直確 保到 V ㏄返回且穩(wěn)定為止。 圖 CPU 與 X25043 的接口設計 CPU 與 PSD芯片之間電路的設計 由于 PSD 芯片內(nèi)部包含程序存儲器、 SRAM、地址鎖存輸出、可編程邏輯譯碼輸出、 F/O 口擴展等功能，因此在硬件電路上將省去程序存儲器、地址 鎖存器、譯碼器等很多元件，使電路設計簡單、體積小、功耗低。而本裝置為了提高測量精度，完全采用數(shù)字濾波方法，以避免信號在硬件電路處理中帶來的偏差。通訊通常有并行和串行兩種方式。目前廣泛應用的串行通訊接口標準是 RS232C，它的電氣接口是單端的，雙極性電源供電電路，其不足之處 : ⑴數(shù)據(jù)傳輸速率限于 20kbps； ⑵傳輸距離 限于 12m； ⑶該標準沒有規(guī)定連接器，因而產(chǎn)生了 25 針等設計方案，這些方案有時不兼容； ⑷每個信號只有一根導線，兩個傳輸方向只有一個信號地線； ⑸接口使用不平衡的發(fā)送器和接收器。本裝置選用 RS485 總線接口作為與上位機的通訊標準。而非易失性數(shù)據(jù)存儲器(NVRAM)在掉電后可保存其內(nèi)部數(shù)據(jù)不使其丟失。在無外部供電的情況卜，數(shù)據(jù)可保持 10 年不丟失； (4) 雙列直插封裝，超薄設計，內(nèi)部集成的抗沖擊電路及存儲器晶片，具有很強的抗干擾能力。 本裝置從減小功耗、電路設計簡單、能顯示多種字符的想法出發(fā)，選用液晶顯示模塊 LCM，它是將 LCD 控制器、 RAM, ROM 和 LCD 顯示器集成在一起，使用時只要向 LCM 模塊送入相應的命令和數(shù)據(jù)便可實現(xiàn)所需要的顯示。 以上二種方法可使復位效果得到改善 ?？蓪?220v 交流電經(jīng)過變壓器和整流、濾波、穩(wěn)壓電路獲得這些直流輸出。對于有些既可以用軟件完成，又可以用硬件完成的功能。 4. 2 主監(jiān)控裝置的軟件設計 主監(jiān)控裝置的軟件程序主要包括以下幾部分 :主程序模塊、數(shù)據(jù)采集 (模擬量采集、數(shù)字量采集 )模塊、控制輸出模塊、軟件定時處理模塊、通訊模塊、按鍵處理模塊、顯示模塊等。 軟件定時處理程序 軟件定時處理程序是主程序的一個重要組成部分，它將主要完成保護及錄波用的數(shù)據(jù)采集、保護啟動及判斷處理、變位處理、控制輸出等功能。軟件定時處理程序流程圖參看圖 。 按鍵處理程序 本裝置的按鍵有四個按鍵。 其它功能的實現(xiàn) 在主程序中還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、統(tǒng)計處理等功能。未被尋址的從機仍工作于方式 2。采用可編程控制器構(gòu)成的機組控制單元有許多優(yōu)點 : 1)具有計算處理和存儲的功能。 5. 2 機組自動程序控制的要求 水輪發(fā)電機組自動程序控制的基本任務是借助于自動化元件及裝置，組成一個不間斷的操作過程，來代替生產(chǎn)過程中所有的手動操作，實現(xiàn)機組調(diào)速操作系統(tǒng)和油、氣、水輔助設備系統(tǒng)的控制和監(jiān)視，從而實現(xiàn)單機生產(chǎn)過程的自動化。 當機組推力軸 瓦、上導油槽、下導油槽、水導軸承發(fā)熱時，以及發(fā)電機發(fā)生電氣事故 (差動、低壓過流 )時，機組不能再繼續(xù)運行，必須進行停機。上述條件表示了機組目前的狀態(tài)，如果不滿足是決不能開機的，否則會造成大的事故。 利用可編程控制器實現(xiàn)機組自動操作，除了可以克服常規(guī)繼電器邏輯電路接線復雜、可靠性低、反應速度慢、檢修維護量大等缺點外，還具有設計簡單、動作可靠、維護工作量小等優(yōu)點。GOV 是機組調(diào)速器，用于調(diào)節(jié)水輪機的轉(zhuǎn)速 。在正常運行時，操作人員可以通過操作按扭或上位機完成機組輸出功率的調(diào)節(jié) 。傳感器輸入信號 :機組轉(zhuǎn)速信號是直流傳感器信號。光字排因為驅(qū)動功率只有 20ma 左右的電流，用可以 PLC 直接驅(qū)動。 圖 PLC傳感器輸入電路 機組的開關(guān)輸入信號如表 51所示 : 攀枝花學院?？飘厴I(yè)設計（論文） 5 機組現(xiàn)地控制單元的設計與研究 23 表 51開關(guān)輸入信號 名 稱 輸入繼電器 名 稱 輸入繼電器 同期加速 X2 同期加速 X3 手動增速 X4 手動減速 X5 開度增加 X6 開度減少 X7 事故停機 X10 復歸 X11 油開關(guān)位置 X12 頻率至空載 X13 頻率至上限 X14 頻率至下限 X15 開機 X16 停機 X17 進水閘門開關(guān) X20 開度至空載接點 X21 開度至上限接點 X22 開度至下限接點 X23 接力器全關(guān) X24 接力器全開 X25 接力器下限位 X26 備用 X27 35%Ne轉(zhuǎn)速 X30 95%Ne轉(zhuǎn)速 X31 140%Ne轉(zhuǎn)速 X32 170%Ne轉(zhuǎn)速 X33 同期投入反饋點 X34 推力油槽溫度 X40 推力軸承溫度 X41 上導軸瓦溫度 X42 下導軸瓦溫度 X43 下導軸槽溫度 X44 上導冷卻水中斷 X45 下導冷卻水中斷 X46 水導冷卻水中斷 X47 機組的輸出設備為 :驅(qū)動接觸器、電磁閥、光字排等。輸入設備包括機組現(xiàn)場傳感器、限位開關(guān)、控制臺的操作按扭；輸出設備包括電磁閥、接觸器、斷路器線圈。當 PLC 接收到同期的調(diào)速和調(diào)壓信號后，控制調(diào)速器和調(diào)壓器進行水輪機發(fā)電機 G調(diào)速和調(diào)壓，并由同期裝置操作斷路器合閘，完成機組的并網(wǎng)，開機過程結(jié)束。由 PLC 構(gòu)成的 LCU 機組控制系統(tǒng)如圖 所示。 機組控制單元的 PLC 實現(xiàn) 繼電器控制系統(tǒng)是將控制邏輯寓于電氣接線中，又稱為接線邏輯，要修改系統(tǒng)的控制邏輯，必須重新接線。 (2) 機組開機 機組的開機操作雖然不是十分頻繁但很重要。 機組的工作狀態(tài) 對于本文涉及到的小型發(fā)電機僅承擔發(fā)電任務，所以運行狀態(tài)僅有開機運行和停機運行，停機運行包括緊急停機、事故停機。 3)可以實現(xiàn)系統(tǒng)故障自診斷，及時發(fā)