1引言

水電站綜合自動化裝置的研制主要集中在大、中型水電站，小水電自動化程度相對落后，相當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化系統(tǒng)的模式來設(shè)計，其成本太高。本文根據(jù)某水電站實際情況設(shè)計的綜合自動化系統(tǒng)，其設(shè)計與開發(fā)周期短，系統(tǒng)功能強，運行可靠，人機界面友好，操作簡單，成本低。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1總體設(shè)計

本文采用單元機組控制方式，以一種簡潔的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法對小水電站實現(xiàn)順序控制、轉(zhuǎn)速測量、頻率測量、溫度巡檢、勵磁控制、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，實時監(jiān)控單元機組及輔機設(shè)備的運行狀態(tài)，提高了小水電站的綜合自動化的可靠性。以西門子的plcs7-200和德州儀器公司ti的高性能數(shù)字信號處理器（tms320f2812）為核心控制器，觸摸屏為人機交互界面，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臺數(shù)字量擴展模塊em223和1臺模擬量擴展模塊em235組成。cpu226本身帶有24個輸入點和16個輸出點，最大允許擴展7個模塊。數(shù)字量擴展模塊em223具有16個輸入點和16個輸出點。模擬量擴展模塊em235具有4路模擬量輸入，1路模擬量輸出。本系統(tǒng)設(shè)計中plc主要完成發(fā)電機組的正常開關(guān)機，事故和緊急停機，以及輔助設(shè)備的監(jiān)控，該plc的配置是完全滿足了自動化設(shè)計的要求了。

數(shù)字信號處理器（dsp）為調(diào)速控制、勵磁控制、同期控制、綜合保護和通信的核心控制器，本文采用美國ti（texasinstruments）公司的定點32位dsp芯片tms320f2812。該芯片資源豐富，片內(nèi)高達128k字的flash程序存儲器，高達18k字節(jié)的單口ram（saram）；兩個事件管理器模塊eva和evb，每個包括：4個16位通用定時器；16個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)換時間為80ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)的兩個8通道輸入a/d轉(zhuǎn)換器或一個16通道輸入的a/d轉(zhuǎn)換器；增強的控制局域網(wǎng)絡(luò)（ecan）模塊；高達56個可單獨編程或復(fù)用的輸入輸出口（gpio）；豐富的外設(shè)接口包括一個spi串行外設(shè)接口、兩個sci串行通信接口、一個uart標準通用異步收發(fā)接口、一個can總線接口、一個mcbsp多通道緩沖串行接口［2］，完全能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

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)計的，可以實時顯示機組的數(shù)據(jù)信息、圖形、字符串、報警信息、歷史記錄、趨勢圖等，通過觸摸按鈕可產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號，或輸入數(shù)值、字符給plc進行數(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，快速采集發(fā)電機和系統(tǒng)電壓、電流值，以快速傅立葉算法計算當前的電流、電壓、相位、頻率，自動調(diào)節(jié)調(diào)速器、勵磁單元，快速跟蹤系統(tǒng)電網(wǎng)的電壓、頻率以及相位的變化，自動并網(wǎng)，并按機組負荷要求自動加載，并將調(diào)速、勵磁、同期和保護的狀態(tài)信息反映到plc上。dsp開發(fā)環(huán)境texasinstruments公司的dsp集成開發(fā)環(huán)境ccs（codecomposerstudio），是ti公司開發(fā)的專門進行tms320系列dsp軟件設(shè)計的集成開發(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，具有靈活簡便、良好的可讀性及高可靠性的特點。整個軟件程序由自檢、通訊、勵磁調(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eviewmt500，系統(tǒng)共包含3個模塊easyload［upload（上傳）和download（下載）］，easywindow（在線模擬和離線模擬）及easybuilder。其中easybuilder組態(tài)軟件可以非常方便地為mt506觸摸屏進行組態(tài)設(shè)計，本系統(tǒng)包括初始畫面、開機流程畫面、停機（緊急停）流程畫面、事故報警畫面、常用參數(shù)設(shè)定畫面、輸入（輸出）開關(guān)量監(jiān)測畫面、運行統(tǒng)計畫面、密碼驗證畫面、報警提示、留言板等。其人性化的操作界面和提示畫面簡化了系統(tǒng)的操作過程，有效的防止誤操作。

3模塊化軟件設(shè)計

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

為了使程序標準化，同時具有一定的可擴展性，方便日后對程序進行完善、修改，plc程序設(shè)計采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。整個程序由初始化模塊、自動開機控制模塊、自動停機控制模塊（包括事故、緊急停機）、觸摸屏通信模塊、遙信和報警控制模塊、保護模塊等組成。

3.1初始化模塊

完成對所有使用的中間繼電器（m）、定時器（t）和數(shù)據(jù)寄存器（d）進行初始化處理，對一些需要初值的參量賦值。

3.2自動開機控制模塊

在機組自檢滿足了開機條件之后，當工作人員發(fā)出開機令后，自動按照正常安全開機的流程，plc對dsp和輔助設(shè)備發(fā)出控制信號，dsp啟動自動調(diào)速，勵磁及準同期并網(wǎng)，各輔助設(shè)備正常投入工作狀態(tài)，完成水輪發(fā)電機組從安全開機到并網(wǎng)的全過程。自動開機流程圖如圖2所示。

3.3自動停機控制模塊

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

3.4通信和報警控制模塊

處理plc與觸摸屏和上位機監(jiān)控主機通信，實時處理觸摸屏和上位機監(jiān)控主機的控制命令，同時采集一些機組的運行參數(shù)（如機組轉(zhuǎn)速、油溫、油壓等），在觸摸屏和上位機監(jiān)控軟件上進行實時顯示，實時提示系統(tǒng)遙信遙測報警，并立即彈出報警窗口。

3.5保護模塊

實時監(jiān)控發(fā)電機組和輔助設(shè)備運行狀態(tài)，當出現(xiàn)運行異常時，快速反映到觸摸屏和監(jiān)控主機，同時啟動事故停機，將發(fā)電機組從電網(wǎng)中解列，從而保護發(fā)電機組的安全和電網(wǎng)的穩(wěn)定。

4結(jié)束語

本系統(tǒng)可以簡化操作過程，可以同時在觸摸屏和上位機監(jiān)控主機上，實現(xiàn)“一鍵開機”、“一鍵關(guān)機”，高自動化設(shè)計適用于小型水電站的運行管理，有效防止人為誤操作，提高運行的安全性，有效實現(xiàn)無人值班少人值守。