【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 種事件記錄等大量信息上報(bào)給上位機(jī)。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(jiǎn)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?？梢愿鶕?jù)用戶的不同需要而取舍。 我國對(duì)水電站自動(dòng)監(jiān)控裝置的研制起步比較晚，但是發(fā)展很迅速。隨著我國水電站自動(dòng)化的全面實(shí)施，我國許多科研單位和公司研制開發(fā)出 各類水電站自動(dòng)監(jiān)控裝置。目前我國水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)正在較大范圍內(nèi)推廣，電站正在向全廠自動(dòng)化過渡的過程中；梯級(jí)水電站的集中監(jiān)控正在試點(diǎn)，個(gè)別工程取得了初步成功；水電站值班方式以及生產(chǎn)管理方式的改革正在大力推動(dòng)，在廣蓄、長(zhǎng)攀枝花 學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 5 甸等電站己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“無人值班” (少人值守 )。 目前，國內(nèi)外研制和開發(fā)的水電站自動(dòng)監(jiān)控裝置己經(jīng)有許多了，但是，它們大多數(shù)是面對(duì)大、中型水電站或新建設(shè)的中、小型水電站而設(shè)計(jì)的，功能雖然完全，卻大多采用新的輔助機(jī)械，復(fù)雜而又昂貴，而且采用集中機(jī)柜式的接線方式。對(duì)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。 本課題的研究?jī)?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(duì)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(cè)信號(hào)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)。該系統(tǒng)分為下位機(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。 本文通過對(duì)小型水電站自動(dòng)化及計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了分析和概述，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了具有較高性價(jià)比的某小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 ，實(shí)現(xiàn)了水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)程序控制、上下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換和水電站報(bào)表的管理。同時(shí)在對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，提出了采用模糊自適應(yīng) PTD 的控制算法的思路，并結(jié)合水輪機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果達(dá)到了預(yù)計(jì)的效果，為設(shè)計(jì)新型的智能調(diào)速器打下良好的基礎(chǔ)。本課題對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組計(jì)算機(jī)控制作硬件設(shè)計(jì)與算法設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)組微機(jī)保護(hù)、監(jiān)控，主要完成以下工作 : ①硬件部分，具有機(jī)組保護(hù)、監(jiān)控和通信等主要功能的電路圖設(shè)計(jì)、 繪制。主要完成水輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)控制單元。 ②對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行模 糊 PID 算法設(shè)計(jì)。 ③對(duì)單片機(jī)、工控機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)主要功能的程序進(jìn)行編制。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。 攀枝花學(xué)院?？飘厴I(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(shì) 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(shì) 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 ) 。 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(duì)象分散的分布式系統(tǒng)； ⑷ 全分布式系統(tǒng)。 2. 2 典型的水電站計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)形式 典型的控制系統(tǒng)一般由測(cè)控系統(tǒng)和過程對(duì)象兩大部分組成。測(cè)控系統(tǒng)中的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是按照工業(yè)生產(chǎn)過程控制的特點(diǎn)和要求而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)。它包括硬件和軟件兩部分，其硬件由主機(jī)、外部設(shè)備、通訊設(shè)備等組成；軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。除工業(yè)控制機(jī)外，測(cè)控系統(tǒng)中還有過程輸入輸出設(shè)備、過程參數(shù)測(cè)量變送器件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等裝置。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的形式與它所控制的過程對(duì)象的復(fù)雜程度密切相關(guān)，不同的被控對(duì)象和不同的控制要求，應(yīng)選擇不同的控制系統(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。 ⑴ 操作指導(dǎo)型控制系統(tǒng)。在該控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)小直接參與控制，而是通過對(duì)過程運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)的采集和處理為操作人員提供反映生產(chǎn)過程工況的各種數(shù)據(jù)，并根據(jù)一定的控制算法給出操作指導(dǎo)信息。操作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)的輸出信息 (如 CRT 顯示圖形或打印機(jī)的輸出等 )去改變調(diào)節(jié)裝置的設(shè)定值或直接操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)而完成改變、調(diào)整過程運(yùn)行狀態(tài)的控制任務(wù)。 ⑵ 直接數(shù)字控制系統(tǒng)（ Direct Digital Control,簡(jiǎn)稱 DDC）該系統(tǒng)中計(jì) 算攀枝花學(xué)院?？飘厴I(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(shì) 7 機(jī)首先通過模擬量輸入輸出通道 (AI)和開關(guān)量輸入通道 (DI)實(shí)時(shí)采集過程運(yùn)行數(shù)據(jù)，然后按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，最后將控制輸出通過模擬量輸出通道(AO)和開關(guān)量輸出通道 (DO)直接作用于過程對(duì)象。 DDC控制屬閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制過程中較普遍的一種應(yīng)用方式。 ⑶ 監(jiān)督控制系統(tǒng) (Supervisory Computer Control, SCC)。該系統(tǒng)通常采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)，其中 DDC 級(jí)計(jì)算機(jī) (稱為第一級(jí) )直接與過程對(duì)象相連，并直接承擔(dān)控制任務(wù)； SCC 級(jí)計(jì)算機(jī) (稱為第 一級(jí) )則根據(jù)反映過程對(duì)象工況的數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型，通過一定的計(jì)算給 DDC 級(jí)計(jì)算機(jī)提供各種控制信息，比如最佳的被控參數(shù)希望值等。 ⑷ 集散控制系統(tǒng) (Distributed Control System，簡(jiǎn)稱 DCS ) 。 DCS 系統(tǒng)采用分散控制、集中調(diào)度、分級(jí)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(jí)、分散過程控制級(jí)、集中調(diào)度監(jiān)控級(jí)、綜合信息管理級(jí)，形成分級(jí)分布式控制，具有較高的可靠性和可維護(hù)性。 ⑸ 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) (Field bus Control System，簡(jiǎn)稱 FCS ) 。 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(luò)控制系統(tǒng)，是當(dāng)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(chǎng)總線智能儀表兩層結(jié)構(gòu)。目前，在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)中，應(yīng)用最為廣泛的是集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。 水電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)同樣也在迅速發(fā)展，新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制裝置、軟件等不斷涌現(xiàn)。使得水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)主要朝著網(wǎng)絡(luò)化、智 能化、人性化、軟件組態(tài)化、控制無人化方向發(fā)展。 (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(duì)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。 (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。 (3)調(diào)度自動(dòng)化 要對(duì)水電站進(jìn)行自 動(dòng)調(diào)度，除水電站內(nèi)部計(jì)算機(jī)及裝置組成網(wǎng)絡(luò)外，水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過網(wǎng)絡(luò)通信，調(diào)度計(jì)算機(jī)將調(diào)度命令送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控攀枝花學(xué)院?？飘厴I(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(shì) 8 系統(tǒng)將電站各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)傳輸?shù)秸{(diào)度計(jì)算機(jī)，并按調(diào)度的命令進(jìn)行調(diào)峰、調(diào)荷運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)化是實(shí)現(xiàn)水電站調(diào)度自動(dòng)化的必要前提。 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)智能化，主要體現(xiàn)在對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)診斷，對(duì)運(yùn)行人員進(jìn)行操作指導(dǎo)，對(duì)事故、故障處理進(jìn)行的指導(dǎo)。 軟件組態(tài)化是水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向之一，是一種模塊化的軟件，它 具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、動(dòng)畫顯示、上下限設(shè)置、狀態(tài)設(shè)置、各種實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖和歷史趨勢(shì)圖、各種輸入輸出接口等功能。組態(tài)軟件實(shí)際上是利用組態(tài)語言，通過控制算法構(gòu)成件程序，而不需要用一條條語句或者指令來編寫程序。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。事實(shí)上，組態(tài)軟件就是為適應(yīng)這種需要而開發(fā)的。對(duì)于不同的應(yīng)用對(duì)象，只需要改變數(shù)據(jù)實(shí)體即可。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。 現(xiàn)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家 ，無論是大型水電站還是小型水電站，許多電站都在實(shí)行無人值守，或稱為一人操作電站，即只需一個(gè)值班員就可以進(jìn)行電站的開停機(jī)控制、運(yùn)行操作。控制無人化的最大優(yōu)點(diǎn)就是極大地減少了電站的運(yùn)行人員，減少了電站的運(yùn)行費(fèi)用等。 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 9 3 系統(tǒng)的總體電路結(jié)構(gòu)與分析 3． 1 硬件電路的總體設(shè)計(jì) 隨著對(duì)水電站保護(hù)、控制、測(cè)量、通訊等功能的要求越來越高和高性能單片機(jī)的出現(xiàn)以及新的電力電子開關(guān)器件的產(chǎn)生，水電站智能監(jiān)控儀表將逐步實(shí)現(xiàn)高集成度、全功能化。 總體電路構(gòu)成 在本課題中考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性，將監(jiān)控裝置分為主、副監(jiān) 控裝置，均以INTEL196KC 單片機(jī)為核心，配以一些適當(dāng)?shù)耐鈬娐穪硗瓿筛鞣N功能，主要模塊有 :A/D 轉(zhuǎn)換、按鍵、開入量檢測(cè)、控制輸出、通訊、看門狗電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、顯示、時(shí)鐘等。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(cè)量 (A/D 轉(zhuǎn)換 )、交流電氣量測(cè)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。 (2)副監(jiān)控裝置將主要完成溫度信號(hào)測(cè)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(hào)和報(bào)警信號(hào)的動(dòng)作采集、通訊、顯示、按鍵處理等功能。 主監(jiān)控裝置硬件電路的結(jié)構(gòu)參看圖 3. 1 硬件電路框圖。 副監(jiān)控裝置硬件電路的結(jié)構(gòu)參看圖 3. 2 硬件電路框圖。 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 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(shí)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(jī)， CHMOS 芯片耗電少，它除了 8096BH 已包含的外設(shè) (時(shí)鐘發(fā)生器、 I/0 口、 A/D 轉(zhuǎn)換器卜、 PWM、串行口、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、監(jiān)視定時(shí)器、高速輸入 /輸出器等 )外，被嵌入的外設(shè)還主要有 :外設(shè)事物服務(wù)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。 80C196 的狀態(tài)周期由振蕩器信號(hào) 2分頻后獲得，而 8096 的狀態(tài)周期是振蕩周期的 3 倍，因此采用相同頻率的晶振工作時(shí)， 80C196 的操作速度至少比 8096 高 1/3。 80C196 的速度比 8096 高的另一個(gè)因素是，前者的大部分指令執(zhí)行狀態(tài)周期數(shù)比后者少。這就能夠從硬件上縮短快速傅立葉變換的運(yùn)算時(shí)間，加 快電量測(cè)量的實(shí)時(shí)性。 PSD 芯片的應(yīng)用 如果采用以往的設(shè)計(jì)方法，要應(yīng)用大量的單片機(jī)外圍芯片與 CPU配合，會(huì)使電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布線繁瑣。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(chǔ)器、 SRAM、地址鎖存器、PLD 和 I/O 口等外圍器件。 PSD913F2 可編程微控制器 (MCU)外圍器件的閃速 (FLASH)存儲(chǔ)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(jiǎn)單而靈活的設(shè)計(jì)解決方 案。芯片主要功能模塊包括 :1 兆位的主閃攀枝花學(xué)院專科畢業(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(chǔ)器、 256K 位的次閃速存儲(chǔ)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。同時(shí)， PSD913F2 還包括 JTAG 串行編程接口。它允許在系統(tǒng)編程整個(gè)器件。此特性減少了開發(fā)時(shí)間，簡(jiǎn)化了制造流程，并大大