基于PLC和DSP的小水电综合自动化系统

　　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5.6“tft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。