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基于PLC和DSP的小水电综合自动化系统_2

发表于:2019-06-09 14:04 作者:新闻小编 来源:新闻小编

1 引言

  水电站综合自动化装置的研制主要集中在大、中型水电站,小水电自动化程度相对落后,相当一部分的小水电采用传统的控制方式。如果照搬大、中型水电站综合自动化系统的模式来设计,其成本太高。本文根据某水电站实际情况设计的综合自动化系统,其设计与开发周期短,系统功能强,运行可靠,人机界面友好,操作简单,成本低。

2 系统硬件设计

  2.1 总体设计

  本文采用单元机组控制方式,以一种简洁的体系结构和设计方法对小水电站实现顺序控制、转速测量、频率测量、温度巡检、励磁控制、同期控制、电量采集、开关电量采集、通信于一体,同时能将前池水位(或水库水位)、集水井水位、尾水水位显示查询,实时监控单元机组及辅机设备的运行状态,提高了小水电站的综合自动化的可靠性。以西门子的plc s7-200和德州仪器公司ti的高性能数字信号处理器(tms320f2812)为核心控制器,触摸屏为人机交互界面,系统硬件结构如图1所示。

  plc为监控的核心部件,由西门子的s7-200cpu226、1台数字量扩展模块em223和1台模拟量扩展模块em235组成。cpu226本身带有24个输入点和16个输出点,最大允许扩展7个模块。数字量扩展模块em223具有16个输入点和16个输出点。模拟量扩展模块em235具有4路模拟量输入,1路模拟量输出。本系统设计中plc主要完成发电机组的正常开关机,事故和紧急停机,以及辅助设备的监控,该plc的配置是完全满足了自动化设计的要求了。

  数字信号处理器(dsp)为调速控制、励磁控制、同期控制、综合保护和通信的核心控制器,本文采用美国ti(texas instruments)公司的定点32位dsp芯片tms320f2812。该芯片资源丰富,片内高达128k字的flash程序存储器,高达18k字节的单口ram(saram);两个事件管理器模块eva和evb,每个包括:4个16位通用定时器;16个16位的脉宽调制(pwm)通道;12位16通道a/d转换器,每通道最小转换时间为80ns,可选择由两个事件管理器来触发的两个8通道输入a/d转换器或一个16通道输入的a/d转换器;增强的控制局域网络(ecan)模块;高达56个可单独编程或复用的输入输出口(gpio);丰富的外设接口包括一个spi串行外设接口、两个sci串行通信接口、一个uart标准通用异步收发接口、一个can总线接口、一个mcbsp多通道缓冲串行接口[2],完全能够满足系统设计的要求。

  触摸屏采用的mt506触摸屏属于256色5.6tft四线电阻式触摸屏,是专门面向plc应用而设计的,可以实时显示机组的数据信息、图形、字符串、报警信息、历史记录、趋势图等,通过触摸按钮可产生相应的开关信号,或输入数值、字符给plc进行数据交换[5]。

  2.2 监控原理

  本系统中tms320f2812dsp的功能是接受plc的控制信号,快速采集发电机和系统电压、电流值,以快速傅立叶算法计算当前的电流、电压、相位、频率,自动调节调速器、励磁单元,快速跟踪系统电网的电压、频率以及相位的变化,自动并网,并按机组负荷要求自动加载,并将调速、励磁、同期和保护的状态信息反映到plc上。dsp开发环境texas instruments公司的dsp集成开发环境ccs(code composer studio),是ti公司开发的专门进行tms320系列dsp软件设计的集成开发环境,它采用windows风格界面,集编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试及时跟踪功能与一体。程序采用具有良好模块化结构的c语言编写,具有灵活简便、良好的可读性及高可靠性的特点。整个软件程序由自检、通讯、励磁调节、转速调节、并网等几大模块构成。

  触摸屏mt506的编程环境为eview mt500,系统共包含3个模块 easy load[upload(上传)和download(下载)],easy window(在线模拟和离线模拟)及easy builder。其中easy builder组态软件可以非常方便地为mt506触摸屏进行组态设计,本系统包括初始画面、开机流程画面、停机(紧急停)流程画面、事故报警画面、常用参数设定画面、输入(输出)开关量监测画面、运行统计画面、密码验证画面、报警提示、留言板等。其人性化的操作界面和提示画面简化了系统的操作过程,有效的防止误操作。

3 模块化软件设计

  本系统plc的功能是发电机组的开关机控制和辅助设备监控。主要包括系统初始化,自动开关机,事故停机,紧急停机和油气水的控制。这些功能是由编程实现的,本文选用梯形图来编制plc程序[1]。

  为了使程序标准化,同时具有一定的可扩展性,方便日后对程序进行完善、修改,plc程序设计采用了模块化结构设计。整个程序由初始化模块、自动开机控制模块、自动停机控制模块(包括事故、紧急停机)、触摸屏通信模块、遥信和报警控制模块、保护模块等组成。

  3.1 初始化模块

  完成对所有使用的中间继电器(m)、定时器(t)和数据寄存器(d)进行初始化处理, 对一些需要初值的参量赋值。

  3.2 自动开机控制模块

  在机组自检满足了开机条件之后,当工作人员发出开机令后,自动按照正常安全开机的流程,plc对dsp和辅助设备发出控制信号,dsp启动自动调速,励磁及准同期并网,各辅助设备正常投入工作状态,完成水轮发电机组从安全开机到并网的全过程。自动开机流程图如图2所示。

  3.3 自动停机控制模块

  在机组处于发电状态,当工作人员发出正常停机令后,或机组出现紧急事故的情况下,将机组从电力系统中解列,然后按照顺序将水轮发电机组安全停机,各辅助设备完成安全退出发电工作状态,机组自动停机流程图如图3所示。

  3.4 通信和报警控制模块

  处理plc与触摸屏和上位机监控主机通信,实时处理触摸屏和上位机监控主机的控制命令,同时采集一些机组的运行参数(如机组转速、油温、油压等),在触摸屏和上位机监控软件上进行实时显示,实时提示系统遥信遥测报警,并立即弹出报警窗口。

  3.5 保护模块

  实时监控发电机组和辅助设备运行状态,当出现运行异常时,快速反映到触摸屏和监控主机,同时启动事故停机,将发电机组从电网中解列,从而保护发电机组的安全和电网的稳定。

4 结束语

  本系统可以简化操作过程,可以同时在触摸屏和上位机监控主机上,实现一键开机、一键关机,高自动化设计适用于小型水电站的运行管理,有效防止人为误操作,提高运行的安全性,有效实现无人值班少人值守。

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