基于PLC和DSP的小水電綜合自動化系統

　　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的控制方式。如果照搬大、中型水電站綜合自動化系統的模式來設計，其成本太高。本文根據某水電站實際情況設計的綜合自動化系統，其設計與開發周期短，系統功能強，運行可靠，人機界面友好，操作簡單，成本低。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 總體設計

　　本文采用單元機組控制方式，以一種簡潔的體系結構和設計方法對小水電站實現順序控制、轉速測量、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，實時監控單元機組及輔機設備的運行狀態，提高了小水電站的綜合自動化的可靠性。以西門子的plc s7-200和德州儀器公司ti的高性能數字信號處理器(tms320f2812)為核心控制器，觸摸屏為人機交互界面，系統硬件結構如圖1所示。

　　plc為監控的核心部件，由西門子的s7-200cpu226、1臺數字量擴展模塊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。本系統設計中plc主要完成發電機組的正常開關機，事故和緊急停機，以及輔助設備的監控，該plc的配置是完全滿足了自動化設計的要求了。

　　數字信號處理器(dsp)為調速控制、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(texas instruments)公司的定點32位dsp芯片tms320f2812。該芯片資源豐富，片內高達128k字的flash程序存儲器，高達18k字節的單口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位的脈寬調制(pwm)通道;12位16通道a/d轉換器，每通道最小轉換時間為80ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發的兩個8通道輸入a/d轉換器或一個16通道輸入的a/d轉換器;增強的控制局域網絡(ecan)模塊;高達56個可單獨編程或復用的輸入輸出口(gpio);豐富的外設接口包括一個spi串行外設接口、兩個sci串行通信接口、一個uart標準通用異步收發接口、一個can總線接口、一個mcbsp多通道緩沖串行接口[2]，完全能夠滿足系統設計的要求。

　　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應用而設計的，可以實時顯示機組的數據信息、圖形、字符串、報警信息、歷史記錄、趨勢圖等，通過觸摸按鈕可產生相應的開關信號，或輸入數值、字符給plc進行數據交換[5]。

　　2.2 監控原理

　　本系統中tms320f2812dsp的功能是接受plc的控制信號，快速采集發電機和系統電壓、電流值，以快速傅立葉算法計算當前的電流、電壓、相位、頻率，自動調節調速器、勵磁單元，快速跟蹤系統電網的電壓、頻率以及相位的變化，自動并網，并按機組負荷要求自動加載，并將調速、勵磁、同期和保護的狀態信息反映到plc上。dsp開發環境texas instruments公司的dsp集成開發環境ccs(code composer studio)，是ti公司開發的專門進行tms320系列dsp軟件設計的集成開發環境，它采用windows風格界面，集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調試及時跟蹤功能與一體。程序采用具有良好模塊化結構的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、勵磁調節、轉速調節、并網等幾大模塊構成。

　　觸摸屏mt506的編程環境為eview mt500，系統共包含3個模塊 easy load[upload(上傳)和download(下載)]，easy window(在線模擬和離線模擬)及easy builder。其中easy builder組態軟件可以非常方便地為mt506觸摸屏進行組態設計，本系統包括初始畫面、開機流程畫面、停機(緊急停)流程畫面、事故報警畫面、常用參數設定畫面、輸入(輸出)開關量監測畫面、運行統計畫面、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的操作過程，有效的防止誤操作。

　　3 模塊化軟件設計

　　本系統plc的功能是發電機組的開關機控制和輔助設備監控。主要包括系統初始化，自動開關機，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程序設計采用了模塊化結構設計。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)和數據寄存器(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和輔助設備發出控制信號，dsp啟動自動調速，勵磁及準同期并網，各輔助設備正常投入工作狀態，完成水輪發電機組從安全開機到并網的全過程。自動開機流程圖如圖2所示。

　　3.3 自動停機控制模塊

　　在機組處于發電狀態，當工作人員發出正常停機令后，或機組出現緊急事故的情況下，將機組從電力系統中解列，然后按照順序將水輪發電機組安全停機，各輔助設備完成安全退出發電工作狀態，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控主機通信，實時處理觸摸屏和上位機監控主機的控制命令，同時采集一些機組的運行參數(如機組轉速、油溫、油壓等)，在觸摸屏和上位機監控軟件上進行實時顯示，實時提示系統遙信遙測報警，并立即彈出報警窗口。

　　3.5 保護模塊

　　實時監控發電機組和輔助設備運行狀態，當出現運行異常時，快速反映到觸摸屏和監控主機，同時啟動事故停機，將發電機組從電網中解列，從而保護發電機組的安全和電網的穩定。

　　4 結束語

　　本系統可以簡化操作過程，可以同時在觸摸屏和上位機監控主機上，實現“一鍵開機”、“一鍵關機”，高自動化設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，有效實現無人值班少人值守。