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基于PLC和DSP的小水电综合自动化系统

2012-10-15 11:54
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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。

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