【正文】 ，制動(dòng)閘是否有壓，斷路器是否在斷開的位置等等。 機(jī)組的輸入信號有直流 24V 開關(guān)信號和傳感器信號兩種。 PLC 在采集到各種故障信號后按照停機(jī)的流程跳開斷路器，使機(jī)組與電網(wǎng)解列。 (1) 停機(jī)運(yùn)行 當(dāng)正在運(yùn)行的機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到 140%額定速度時(shí)，或者調(diào)速器的油壓系統(tǒng)出現(xiàn)事故低油壓，或在機(jī)組事故停機(jī)時(shí)剪斷銷被剪斷，此時(shí)操作系統(tǒng)快速關(guān)閉進(jìn)水閘攀枝花學(xué)院專科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 機(jī)組現(xiàn)地控制單元的設(shè)計(jì)與研究 21 門，進(jìn)入停機(jī)程序?？梢詫?shí)現(xiàn)時(shí)間初始化 開中斷 模擬量采集 是否發(fā)生故障？ 啟動(dòng)保護(hù)元件 延 時(shí) 返 回 軟件定時(shí)中斷 軟件定時(shí)中斷 攀枝花學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 19 及變量的參數(shù)設(shè)置、顯示內(nèi)容的設(shè)定、參數(shù) 的查看等。在本課題中采用由于硬件資源的分配問題而設(shè)計(jì)了主、副監(jiān)控裝置，兩部分完成的功能各不相同，對于每一部分的程序都采用模塊化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的軟件 結(jié)構(gòu)清晰，易于理解，便于調(diào)試、連接、修改和移植。 數(shù)據(jù)顯示方式 在各類儀 表中，常用的顯示器有 :發(fā)光二極管顯示器 (LED )、液晶顯示器( LCD ) ,熒光管顯示器、簡易的 CRT 接口等。串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x可達(dá)到幾公里，對于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通訊而言，串行通訊常常是唯一的一種手段。當(dāng) V㏄降低到最小 V㏄轉(zhuǎn)換攀枝花學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的總體電路結(jié)構(gòu)與分析 13 點(diǎn)以下時(shí)，系統(tǒng)將復(fù)位?；诒狙b置用于發(fā)電機(jī)組出線，測量頻帶不寬，現(xiàn)場干擾多等特點(diǎn)，因此選用隔離性能好的變壓器耦合型電量隔離傳感器 WBI411E 和 WBV44E。芯片主要功能模塊包括 :1 兆位的主閃攀枝花學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的總體電路結(jié)構(gòu)與分析 11 速存儲器、 256K 位的次閃速存儲器、超過 3000 門的閃速可編程邏輯、 SRAM、可配置的 I/0 端口以及可編程的電源邏輯管理。從目前發(fā)展的情況看，組態(tài)軟件在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的使用是必然的，它的便捷性，實(shí)用性已得到水電站監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用人員的青睞。 ⑸ 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) (Field bus Control System，簡稱 FCS ) 。 從監(jiān)控系統(tǒng)的模式來劃分，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可分為四種 : ⑴ 集中監(jiān)控系統(tǒng)； ⑵ 按功能分散的分布式系統(tǒng)； ⑶ 按被控對象分散的分布式系統(tǒng)； ⑷ 全分布式系統(tǒng)?？梢愿鶕?jù)用戶的不同需要而取舍。近年來，計(jì)算機(jī)在水電站上的應(yīng)用已超越了電能 生產(chǎn)的范圍，在水情測報(bào)、水工建筑的監(jiān)測等方面也出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。 但目前國內(nèi)中小水電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和無人值班的改造，由于缺乏可供選 用的性價(jià)比合適的自動(dòng)化設(shè)備，大多仍沿用大中型水電站微機(jī)監(jiān)控模式，很多中小電站的二次設(shè)備包括現(xiàn)地控制單元，同期裝置，調(diào)速器，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，保護(hù)等設(shè)備都是按功能劃分的單個(gè)設(shè)備。隨著新技術(shù)、新材料、新工藝在傳統(tǒng)小水電站的應(yīng)用，特別是自動(dòng)化技術(shù)在小水電站的推廣應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)原有的水輪發(fā)電機(jī)組配套的操作器、勵(lì)磁設(shè)備存在與自動(dòng)控制不匹配的問題，如果采用微機(jī)型的調(diào)速器和勵(lì)磁系統(tǒng)，往往價(jià)格很高，不適合在農(nóng)村小水電站中推廣。系統(tǒng)由下位機(jī)監(jiān)控裝置和上位 PC 機(jī)嵌入式系統(tǒng)可視化編程軟件構(gòu)成。而我國是水力資源比較豐富的國家，其中小型水電站的裝機(jī)容量占到水電站總裝機(jī)容量的 50%以上。水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，首先是設(shè)備控制自動(dòng)化， 然后是監(jiān)控和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。大約 50%的發(fā)電設(shè)施發(fā)電量不足 5000KW，并 且無人操作。對于那些較早建造的老水電站，尤其是 位于偏遠(yuǎn)、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(jì)困難，無法承擔(dān)和應(yīng)用。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的形式與它所控制的過程對象的復(fù)雜程度密切相關(guān)，不同的被控對象和不同的控制要求，應(yīng)選擇不同的控制系統(tǒng)。 (1)數(shù)據(jù)共享 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是由上位機(jī)、現(xiàn)地控制單元等計(jì)算機(jī)裝置組成，這些計(jì)算機(jī)均能獨(dú)立運(yùn)行，完成各自的控制功能，但要讓這些計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)工作，充分挖掘出計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的潛能，就必須通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，更好地對整個(gè)電站各個(gè)設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)電站的優(yōu)化運(yùn)行。根據(jù)數(shù)據(jù)處理和合理分配硬件資源的要求，兩個(gè)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(jī)組的自動(dòng)操作和調(diào)節(jié) )、通訊、顯示、按鍵處理、故障錄波等功能。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(shè)計(jì)的適應(yīng)性更強(qiáng)，所以降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。對于 8位的 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率能達(dá)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(dá)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。 圖 CPU 與 X25043 的接口設(shè)計(jì) CPU 與 PSD芯片之間電路的設(shè)計(jì) 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(kuò)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(shè)計(jì)簡單、體積小、功耗低。本裝置選用 RS485 總線接口作為與上位機(jī)的通訊標(biāo)準(zhǔn)。 以上二種方法可使復(fù)位效果得到改善 。 軟件定時(shí)處理程序 軟件定時(shí)處理程序是主程序的一個(gè)重要組成部分，它將主要完成保護(hù)及錄波用的數(shù)據(jù)采集、保護(hù)啟動(dòng)及判斷處理、變位處理、控制輸出等功能。未被尋址的從機(jī)仍工作于方式 2。上述條件表示了機(jī)組目前的狀態(tài)，如果不滿足是決不能開機(jī)的，否則會造成大的事故。傳感器輸入信號 :機(jī)組轉(zhuǎn)速信號是直流傳感器信號。當(dāng) 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(jìn)行水輪機(jī)發(fā)電機(jī) G調(diào)速和調(diào)壓，并由同期裝置操作斷路器合閘，完成機(jī)組的并網(wǎng)，開機(jī)過程結(jié)束。 機(jī)組的工作狀態(tài) 對于本文涉及到的小型發(fā)電機(jī)僅承擔(dān)發(fā)電任務(wù)，所以運(yùn)行狀態(tài)僅有開機(jī)運(yùn)行和停機(jī)運(yùn)行，停機(jī)運(yùn)行包括緊急停機(jī)、事故停機(jī)。另外三個(gè)鍵為組合式，通過獨(dú)立使用和不同組合來完成各種功能。 系統(tǒng)的軟件是根據(jù)系統(tǒng)的功能要求而設(shè)計(jì)的。對于一些特定的整定值或控制字，則采用讀寫數(shù)據(jù)更可靠的 E2PROMX25043。串行數(shù)據(jù)傳輸是一條信號線傳輸一種數(shù)據(jù)源，因此，不同系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)之間只用幾條信號線即可完成數(shù)據(jù)交換。 X25043 的低 V㏄檢測電路，可以保護(hù)系統(tǒng)免受低電壓情況的影響。利用光電耦合方式，可獲得 10kHz 的帶寬，但隔離性能不如變壓器耦合。 PSD913F2 可編程微控制器 (MCU)外圍器件的閃速 (FLASH)存儲器和可編程邏輯具有在系統(tǒng)可編程特性 (INSYSTEMPROGRAMMABILITY,ISP),這有助于實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)計(jì)的簡單而靈活的設(shè)計(jì)解決方 案。對于不同的應(yīng)用對象，只需要改變數(shù)據(jù)實(shí)體即可。 DCS 系統(tǒng)采用分散控制、集中調(diào)度、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則，把系統(tǒng)從下到上分為設(shè)備級、分散過程控制級、集中調(diào)度監(jiān)控級、綜合信息管理級，形成分級分布式控制，具有較高的可靠性和可維護(hù)性。 攀枝花學(xué)院專科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控的典型結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢 6 2 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控的典型結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組成 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成形式有很多種，但基本上可以從以下兩個(gè)方面來分類 : 從計(jì)算機(jī)在水電站中所起的作用及常規(guī)設(shè)備的配置程度來看，水電站以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)可 分為三種 : ⑴ 以常規(guī)自動(dòng)化裝置為基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)為輔助的監(jiān)控系統(tǒng) (CASC) ⑵ 計(jì)算機(jī)和常規(guī)自動(dòng)化裝置雙重化配置的監(jiān)控系統(tǒng) (CCSC) ⑶ 以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng) (CBSC ) 。接收并執(zhí)行上位機(jī)的各種指令 )； FS312 機(jī)組綜合控制單元，它是考慮到水電站或機(jī)組的運(yùn)行特殊性，保留了簡單的常規(guī)手動(dòng)裝置，加上一系列監(jiān)控組件而構(gòu)成的控制單元。計(jì)算機(jī)不僅能監(jiān)視全水電站的運(yùn)行，而且還可以構(gòu)成控制調(diào)節(jié)裝置 (這里的計(jì)算機(jī)主要是微處理機(jī) )來取代常規(guī)的用布線邏輯電路構(gòu)成的機(jī)組基本控制裝置，如調(diào)速器、勵(lì)磁裝置、同期并列裝置等。老水電廠因起點(diǎn)低 (基于多人值班 )、設(shè)備技術(shù)相對落后，資金少，其監(jiān)控系統(tǒng)的改造只能采用以計(jì)算機(jī)為主、簡化常規(guī)為輔的模式。特別是農(nóng)村小型水電站 (AC400V、 630kW 及以下低壓機(jī)組 )為降低造價(jià)，水 輪機(jī)操作器和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁設(shè)備十分簡易，自動(dòng)化程度相當(dāng)?shù)?，運(yùn)行成本高。下位機(jī)監(jiān)控裝置采用分布式結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)，以 Motorola 的16 位 Flash 型 MCU 作為處理器，結(jié)合必要的外部電路實(shí)現(xiàn)裝置的模擬量輸入功能、測量功能、開關(guān)量輸入功能、控制輸出功能 、就地設(shè)置和顯示功能以及通訊功能等。因此 如何針對小型水電站的特點(diǎn)，研究開發(fā)合適的，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，從而提高電能質(zhì)量、降低成本，是一項(xiàng)具有現(xiàn)實(shí)意義的課題?？刂谱詣?dòng)化包括常規(guī)自動(dòng)化控制和計(jì)算機(jī)控制，監(jiān)控包括繼電器監(jiān)控和計(jì)算機(jī)監(jiān)控。早在 1988 年，法國電力系統(tǒng)水力發(fā)電部門就感到降低操作費(fèi)用是非常必要的。 本課題的研究內(nèi)容 借鑒國內(nèi)外水電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，針對國內(nèi)小型水電站運(yùn)行方式變化大、機(jī)組啟停頻繁和監(jiān)測信號的種類和數(shù)量多等特點(diǎn)，按照小型水電站的自動(dòng)化原則，研制開發(fā)一種新型的小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)大體可以分為以下幾種典型形式。 (2)裝置共享 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)后，可以共享計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備、裝置，以減少控制系統(tǒng)的設(shè)備投資，和維護(hù)工作量。 (2)副監(jiān)控裝置將主要完成溫度信號測量數(shù)據(jù)的采集 (A/D 轉(zhuǎn)換 )、發(fā) 電機(jī)組及水電站內(nèi)各種保護(hù)信號和報(bào)警信號的動(dòng)作采集、通訊、顯示、按鍵處理等功能。同時(shí)，具有 10 萬次的擦除 /寫入和 10 年的數(shù)據(jù)保存 期。 A/D 轉(zhuǎn)換器從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的時(shí)間。 PSD 芯片的一些控制信號，如地址鎖存允許或地址選通 (ALE 或 AS)以及它們的有效極性、復(fù)位信號RESET 的極性、讀 /寫信號的控制方式及極性等均可編程。為了通訊的可靠，在平衡型通訊線路上加 120 歐姆的匹配電阻。由于本裝置中 CPU 和 PSD芯片各有一片，都需要連接復(fù)位信號，并且要求上電、按鍵、看門狗三種方式均能正確復(fù)位。定時(shí)時(shí)間間隔為 1. 667ms，即保證每周波采樣 12 點(diǎn)。通訊采用主 /從模式，主端引發(fā)，控制整個(gè)通訊過程，無主端通訊時(shí)，從端可上發(fā)數(shù)據(jù)。開機(jī)條件滿足后，在接收到開機(jī)令后，打開冷卻水電磁閥、調(diào)速器投入運(yùn)行，投入滅磁開關(guān)、完成同期并網(wǎng)。傳感器輸入信號的連接方法如圖 所示。同期并網(wǎng)裝置采集斷路器 QS 兩端的電壓信號進(jìn)行同期的計(jì)算。隨著技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化水平的提高，機(jī)組 的自動(dòng)程序控制除了完成上述基本任務(wù)外，還要與水電站的成組調(diào)節(jié)裝置、自動(dòng)操作器、遠(yuǎn)動(dòng)裝置以及微型計(jì)算機(jī)等具有良好的連接接口，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)水電站的綜合自動(dòng)化。其中一個(gè)是復(fù)位鍵，它可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位。則可根據(jù)具體情況加以選擇，使整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)起來合理。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用大容量的 64k byte 的 NVRAM 用于數(shù)據(jù)記錄。并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾矢?，但是?shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x通常小于 10m，而且并行通訊需要用很多信號線，成本比較高。用戶可從三個(gè)預(yù)置的值 (, 600ms 和 200ms)中選擇此周期，一旦選定，即使在電源周期變化之后，此周期也不改變。利用變壓器耦合，通常具有較高的線性度和隔離性能，但是帶寬一般在 1KHz 以下。為此本裝置中應(yīng)用了 WSI 公司的可編程單片機(jī)外圍芯片 PSD913F2，省去了通常在單片機(jī)外加的一些程序存儲器、 SRAM、地址鎖存器、PLD 和 I/O 口等外圍器件。事實(shí)上，組態(tài)軟件就是為適應(yīng)這種需要而開發(fā)的。 ⑷ 集散控制系統(tǒng) (Distributed Control System，簡稱 DCS ) 。受到條件的限制，本課題目前沒有應(yīng)用到實(shí)際工程中，為說明水輪發(fā)電機(jī)組模糊 PID 算法的控制品質(zhì)，取某電站水輪發(fā)電機(jī)組的參數(shù)，采用 MATLAB 語言在不同工況下仿真，并與常規(guī) PID 控制作性能比較。 湖南華方電力科技有限公司生產(chǎn)的 FS300 系列水電站綜合自動(dòng)化裝置包括 :FS313 機(jī)組綜合測量單元 (完成機(jī)組電氣量及溫度量的測量 )； FS310 機(jī)組現(xiàn)地控制單元 (能夠監(jiān)視和控制水輪機(jī)組的生產(chǎn)過程，檢測并處理各種常規(guī)信號，將生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，各種事件記錄等大量信息上報(bào)給上位機(jī)。首先主要用于監(jiān)視