2023咸宁市SIEMENS工业自动化PLC授权代理商|西门子变频器授权一级总代理|技术|维修

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，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plcs7-200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，*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（texasinstruments）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*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］，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texasinstruments公司的dsp集成开发环境ccs（codecomposerstudio），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bbbbbbs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

1、引言                                   

　　传统的军民用飞机的发动机起动程序控制系统普遍采用机电相结合的方式,由于采用机电式的定时机构去控制相关的继电器、接触器以实现发动机起动程序控制,不仅使控制系统的体积增大、重量加重、耗电多、可靠性差,采用固定接线的硬件设计使系统不具有通用性,更突出的问题是由于机械磨损还会使系统的控制精度逐渐降低。由于PLC把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强等优点结合起来,而其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等优点,用PLC取代机电式的定时机构来完成发动机的起动程序控制,将极大地改善发动机起动控制系统的性能。

　　2、发动机起动程序控制原理

　　发动机由静止状态转变到能自行发出功率的转速状态叫发动机的起动。为了使发动机涡轮(转子)能由静止状态柔和地、无撞击地转动起来,定时机构必须对起动机的起动转矩进行分级调节,使起动机的转矩逐级增大,并适时地控制对发动机燃烧室进行喷油点火。某型飞机发动机的起动程序控制原理如图1所示。

图1 发动机的起动程序控制原理

　　定时机构的程序控制把起动机的工作过程划分为以下几个阶段:

　　第一阶段:即按下起动按钮后的1S~3.6S内,使起动机以复励状态且电枢串联起动降压电阻工作,起动机转矩被限制在很小的范围内,起动机能柔和地通过

　　传动装置带动发动机涡轮旋转。

　　第二阶段:即按下起动按钮后的3.6S~9S内,短接起动降压电阻,起动机两端电压升高,起动机转矩迅速增大,随之涡轮转速迅速上升。

　　第三阶段:即按下起动按钮后的9S~15S内,起动电源车内的两组电瓶由并联转为串联,起动机两端的电压由28V升高到56V,起动机转矩急剧增大,从而使涡轮转速急剧上升。

　　第四阶段:即按下起动按钮后的15S~22S内,起动机并励线圈串联降压电阻使起动机的激磁磁通减小,反电势减小,电枢电流增大,转矩又一次增大,从而使涡轮加速。

　　3、PLC控制系统

　　3.1系统硬件设计及I/O地址的分配

　　图2发动机起动程序电气控制线路图

　　在发动机起动机程序控制系统中PLC采用三菱FX2系列中的FX2N－48MR－001型,该系列PLC可靠性高,抗干扰能力强,适合于在军民用飞机上使用,且配置灵活,****[1]。从图1中可以看出:为了实现起动机的四个阶段控制,自按下起动按钮起,接触器KM1、KM2的吸合时间均为9S~21S,KM3为3.6S~22S,KM4为1S~3.6S,KM5为1S~15S,KM6为15S~22S,根据系统的控制要求,PLC控制系统需引入与停止按钮和起动按钮分别相对应的两个输入继电器、与四个接触器和两个继电器分别相对应的六个输出继电器、以及控制上述四个接触器和两个继电器分时段工作的四个通电延时时间继电器和两个断电延时时间继电器。发动机起动程序电气控制线路图和PLC的I/O地址编码表分别如图2、表1所示。

表1I/O地址编码表

　　3.2软件设计