（电力系统及其自动化专业论文）小型水电站监控系统的研制.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rs u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mw h i c h i su s e di ns m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n so l la b r o a da n da th o m e b a s e do nt h es t a t u sq u oo f t h es m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o na th o m e 。an e ws u p e r v i s p r y c o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d f o rs m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n d e v i c ea n ds o f t w a r ea r ei n c l u d e d d e v i c ea c t sa sau n i t f o rag e n e r a t o rs e ta n ds o f t w a r ep r o v i d e s f r i e n d l yi n t e r f a c et om o n i t o ra n dc o n t r o l a s s i s t a n td e v i c e s d e v i c ei sd i s t r i b u t e dd e s i g n e da n dm a d eu po fm i c r o d r o c e s s o ra n d p e r i p h e r ye l e c t r o c i r c u i t s m o t o r o l ah c l 2m c ua c t se sc o r ea n da n a l o gm e a s u r em o d u l e s w it c hs t a t u sm o n i t o rm o d u l e ，r e l a yc o n t r o lm o d u l e ，l c dd i s p l a ym o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o n m o d u l ea r ei n c l u d e di np e r i p h e r ye l e c t r o - c i r c u i t s s o f t w a r ei sd e v e l o p e db yv i s u a lb a s i c 6 0a n dd a t a b a s ei sd e v e l o p e db ys o ls e r v e r7 0 w i t ht h es o f t w a r e 。d e v j e ec a no p e r a t e w i t ht h ep r o c e d u r es t e pb ys t e pw h i c hi ss o l i d i f i e db yc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dd e v i c e u s ba n dr s 2 3 2c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e sa r ea v a i l a b l ei ed e v i c ew h i c hm a k e sc o m m u n i c a t i o n e a s y t h ec o m p u t e rs u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mi st e s t e db ys a n b e i h eh y d r o p o w e rs t a t i o n h a n d b o o ka n da c h i e v e sg o o dr e s u l t k e y w o r d s ：s u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e m ，m o d u l ed e s i g n ，e m b e d d e ds y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：翟质羽 时间：渺多年6 月1 1f j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：g 旎羽 时间：幻旺年6 月1 1 日 导师签名： 渺岛 时间： 芎啤月c 7 日 中国农业大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 1 1 小型水电站监控系统研究的意义 我国小水电资源十分丰富，可开发量达8 7 0 0 万千瓦，居世界第一位但目前小水电开发程度仍 很低，仅占可开发资源的2 8 6 ，随着国家对生态环境日益重视，小水电作为我国最主要的清洁可 并生能源，在电力结构调整和农村能源结构调整中具有重要的地位。十五”计划将装机容量2 5 万千瓦以下的农村水电纳入可再生能源范畴”1 ，提出要开展小水电现代化建设，h j5 年或稍长一点 时间，使5 0 的农村水电站和电髓采用现代化技术，达到现代化水平；同时也明确提出要求新建农 村水电站都要按无人值班( 少人值守) 进行设计和建设，二十世纪九十年代以前建设的水电厂要 按总体目标做出更新改造计划，在2 0 1 0 年前全部实现无人值班( 少人值守) 。 而我国二十世纪九十年代以前设计修建的水电厂基本上是建立在多人值班的基础上，其特征 是：自动化程度低，监控设备分散，用人众多，管理水平低。随着计算机技术、人工智能、专家系统、 网络通信技术、现代控制技术、智能测量传感技术等高新技术的不断发展和在电力工业中越来越 广泛的应用，采用自动化程度较高、安全可靠的水电厂计算机监控系统已是大势所趋”。 采用水电站监控系统实现水电站的自动化，就是要使水电站生产过程的操作、控制和监视， 能够在少人或无人直接参与的情况下，按预定的计划或程序自动的进行。水电站实现自动化的目 的在于提高工作的可靠性和运行的经济性；提高电能质量；改善劳动环境和减少运行人员( 4 10 目 前的水电站大多采用分层分布式的水电站自动化系统，尽可能的提高水电站的自动化水平已经是 发展的必然趋势”。近几年，我国电网中水电站的自动化水平发生着巨大的变化，大量采用先进 自动化技术的水电站正在兴建或已经并网发电，有些还实现了无人值班。随着电力系统自动化的 发展，对供电质量的要求不断提高，在小型水电站中，实现自动监控就尤其重要。老水电厂因起 点低( 基于多人值班) 、设备技术相对落后，资金少，其监控系统的改造只能采用以计算机为主、 简化常规为辅的模式。 但目前国内中小水电站实现自动化和无人值班的改造，由于缺乏可供选用的性价比合适的 自动化设备，大多仍沿用大中型水电站微机监控模式，很多中小电站的二次设备包括现地控制单 元，同期装置，调速器，励磁调节器，保护等设备都是按功能划分的单个设备”。再加上风，水。油， 厂用电等辅助设备系统，为了实现电站无人值班，要实现多种设备的接口与通讯，完成复杂的系统 集成。其复杂程度与大型电站相差无几，真可谓麻雀虽小。五脏俱全，结果是盘柜数多，结线复杂， 使用掌握困难，既大大增加了用户投资，也给电厂设备操作和维护增加了复杂性。少数小水电采用 p l c 可编程控制为主的集中控制，对小型水电站的所有信号采集上来进行监测与控制，这样只要 整个系统的某个部分出错或者故障，则影响整个水电站系统的安全运行。所以开发研制满足小型 水电厂自动化改造的新型水电站监控系统，采用相对独立的通用单元监控装置对小型水轮发电机 组实行一对一的控制与检测对小水电站提高自动纯水平，实现无人值班有重大的意义。 1 ，2 国内外水电站监控系统的发展历史和现状 1 2 i 国外发展概况 中国农业大学硕士学位论文 结论 发达国家已经普遍实现发全厂自动化，枢纽水电站集中监控自动经济运行。水情信息测报 电站基础自动化完善，运行可靠，水电站的安全经济运行达到了很高的水平，普遍实现了少人或无 人值班”。 3 7 2 0 a c m 水电站自动监控系统是加拿大p o w e rm e a s u r e m e n tl t d 的产品”1 。这套系统集数据 采集、测量、控制、通信功能于一体，对每一台发电机组的运行情况进行自动监控，运行人员只 需要在上位机前，就可监视全厂的运行状况，并按需要对机组进行调控或由机组自动调节。但是， 它并没有对发电机组的各个轴承的温度值进行测量，不利于控制人员掌握发电机组的内部运行状 况。 a b b 公司生产的水电站自动监控系统分为主控单元和就地控制单元，主控单元采用的是 a d v a n ts t a t i o n5 2 0o p e r a t i o n 计算机控制系统”1 ，其主机是h e w l e t t p a c k a r d9 0 0 7 0 0 ：作站。 主控单元计算机通过总线m b 3 0 0 与全厂其它各就地控制单元进行数据通讯。机组就地控制单元 ( l c u ) 放置于机组旁主机采用的是m a s t e rp i e c e2 0 0 一l 型工业微机。它与励磁调节单元、电液 调速器、水泵水轮机控制单元、球阀控制单元等子系统是通过以并行的输入输出信号的方式进 行数据交换和控制调节的。电站公用及辅助设备控制单元( s c u ) 设置在中控室，主机为m a s t e r p i e c e2 0 0 1 ，s c u 主要完成的是对l l o k v 开关站、全厂公用控制设备、厂用变压器、上下库闸门 和上下库水位等监视、测量和控制。同时s c u 还负责向电站r t u 输出全厂的一些主要运行参数数 据( 并行输出) 。 奥地利e l i n 研制开发的计算机监控系统，厂站控制级使用的是其全资子公司sat 公司开 发研制的s a 丁25 0 综合自动化控制系统，现地控制单元使用的是s at l7 03 自动化系统各 机组分别设置一套lcu ，220 kv 开关站、公用设备及闸门监控等各设置一套lcu 。lc u 直接监控被脏控设备的生产过程，既可作为分布系统中的现地智能终端，又可作为独立装置 单独运行，完成监控被监控设备的任务“。 法国电力系统运行的水力发电设施约有5 0 0 个左右，基本上全是自动化操作。这些发电设施 一般位于山区。大约5 0 的发电设施发电量不足5 0 0 0 k w ，并且无人操作。早在1 9 8 8 年，法国电 力系统水力发电部门就感到降低操作费用是非常必要的。于是开发了“t e l l e x ”遥控运行系统， 它具有以下特点：远程监测。运行数据的远程查询远程诊断。生成运行数据报表、查询、辅助 分析。远程控制。远程维护。 但是，国外水电站监控的整套系统体积庞大，板面按键操作比较复杂，需要工作人员的操作 水平较高。此外，国外产品的价格昂贵，所以难于适应我国的小型水电系统。 1 2 2 国内发展概况 我国对水电站自动监控系统的研制起步比较晚，但是发展很迅速。随着我国水电站自动化的 全面实施，我国许多科研单位和公司研制开发出各类水电站自动监控系统。目前我国水电站计算 机监控系统技术正在较大范围内推广，电站正在向全厂自动化过渡的过程中：梯级水电站的集中 监控正在试点，个别工程取得了初步成功；水电站值班方式以及生产管理方式的改革正在大力推 动，在广蓄、长甸“”“”等电站已经实现了“无人值班”( 少人值守) 。 常州自动化分公司生产的水电站监控系统包括计算机监控系统、微机保护系统、泄水闸门控 2 中国农业大学硕士学位论文绪论 制系统和船闸监控系统。整个系统采用模块化结构设计，运用新一代可编程控制器、现场总线技 术、网络技术，熏要部分双冗余配置，可满足可靠、安全、经济实用、技术先进和便于扩充等基 本原则，实现水电站无人值班或少人职守，提高水电站自动化水平。 湖南华方电力科技有限公司生产的f s 3 0 0 系列水电站综合自动化系统包括：f s 3 1 3 机组综合 测量单元( 完成机组电气量及温度量的测量。) ；f s 3 1 0 机组现地控制单元( 能够监视和控制水轮 机组的生产过程，检测并处理各种常规信号，将生产过程中的实时数据，各种事件记录等人量信 息上报给上位机。接收并执行上位机的各种指令。) ；f s 3 1 2 机组综合控制单元，它是考虑到水电 站或机组的运行特殊性，保留了简单的常规手动装置，加上一系列监控组件而构成的控制单元。 可以根据用户的不同需要而取舍。 江苏时代水利经济发展有限公司与河海大学、南京大学、东南大学联合研制的s d 2 0 0 水电站 自动化系统采用全开放，模块化结构设计”，能实现数据采集与处理、机组顺控、自动准问期、 调速、励磁、功率调节控制等功能，配合s d t 2 0 0 水轮机微机调速器装置、s d w 2 0 0 微机温度巡检 保护装置可以实现水电站内数据采集与处理、机组顺控、自动准同期、调速、励磁、功率调节 控制等功能。 目前，国内外研制和开发的水电站自动监控系统已经有许多了，但是，它们大多数是面对大、 中型水电站而设计的，功能虽然完全，并且火多采用新的辅助机械，体积庞大，复杂而又昂贵， 对于那些小型水电站，尤其是位于偏远、贫困地区里的小水电站。由于经济困难，无法承担和应 用；而对于现有的小型水电站监控系统大多是采用p l c 可编程控制器集中监测和控制，信号多且 控制逻辑复杂，对某个信号进行处理和逻辑判断出现错误时，影响整个系统的处理信号和做出逻 辑判断的正确性。 1 3 本课题的研究内容 借鉴国内外水电站监控系统的研究与开发经验，针对国内小型水电站运行方式变化大、机组 启停频繁和监测信号的种类和数量多等特点，按照小型水电站的自动化原则，研制开发一种新型 的小型水电站监控系统。该系统分为下位机监控装置和上位p c 机嵌入式系统可视化编程软件构 成。 下位机监控装置以电力系统智能监控仪为基础结合水力机械的控制规律而研制开发，为老 式小水电站提供功能完善、质量可靠水电站自动化设备，实现水电站的高度综合自动化，提高水 电站及电力系统的安全经济运行水平，在进行了小型水电站的改造后，能实现水电站的自动发电 控制、机组顺序启停和对机组日常工作所监测的水电站的电气量( 电压、电流) 、非电气量( 温 度、压力、水位、开关状态等) 进行监测和控制。 上位机嵌入式系统可视化编程软件采用面向对象的编程语言v i s u a lb a s i c6 0 结合大型商 用数据库s q ls e r v e r7 0 开发，同时利用软硬件协同设计的方法，使烦琐复杂的针对硬件的控 制编程变得简单、直观，实现在线过程编程，然后通过r s 2 3 2 通讯接口或者i j s b 通讯接1 3 将控制 程序下载到下位机装置的f l a s h 页中，下位机装置划按照下发的程序流程执行相应的测量、检测 和控制功能，可熏复擦写的f l a s h 中下载程序的内容和顺序的不同使得同一个装置可以实现不同 的功能，达到下位机装鼍的一机多用。 3 中国农业大学硕士学位论文第二章小型水电站监控系统的设计方案 第二章小型水电站监控系统的设计方案 2 1 小型水电站、小型水轮发电机组的界定 所谓小水电原来是指容量为0 1 0 5 m w 的小水电站：容量小于0 1 m w 的水电站x 称为农 村小水电。因此，小水电也包括小小型和微型水电站( 虽然小小型和微型电站一般完全局限于为 局部地区供电) 。我国在五十年代，一般称5 0 0 千瓦以下的水电站为农村水电站： 4 六十年代， 小水电站的容量界限到3 0 0 0 千瓦，并在一些地区出现了小型供电线路；八十年代以后，随着以 小水电为主的农村电气化计划的实施，小水电的建设规模迅速扩大，小电站定义也扩大剑2 5 万 千瓦；九十年代以后，国家计委、水利部进一步明确装机容量5 万千瓦以下的水电站均可享受小 水电的优惠政策，并出现了一些容量为几万至几十万千伏安的地方电网。 而水轮发电机的容量和转速等级划分，目前世界各国尚无统一的标准。根据我国的情况，大致 上可以按下表划分其容量和转速等级： 2 2 小型水电站的特点 表2 - 1 水轮发电机等级划分统计表 小水电站生产过程比较简单，水轮发电机组启动快、开停机迅速、根据负荷和调度命令可以 迅速调节出力、机组启动频繁、需要监测的信号种类多和数据量庞大。举例来说，一台完全自动 化控制的水轮发电机组，从停机状态启动到发出额定功率，只需要一分钟左右的时间。水轮发电 机组的频繁启动和停机，不会过多的消耗能量，而且在较大的负荷变化范围内，仍能保持较高的 效率。 现在小型水电站中的设备陈旧，技术落后，机组启动频繁、运行方式复杂、加之设备分散、 控制操作多、需要监测的信号多，这些因素都严重影响着小水电站安全运行及经济效益的进一步 提高。尤其是发生故障时，运行人员需要处理的各类信号很多，任务繁重。这样对微机监控系统 的依赖程度和软硬件要求就要高。 概括起来，小型水电站具有如下的特点： 1 小水电站建设资金不富裕。小型水电站多为地方投资或者集资兴建。资金来源有限。因此， 往往在兴建过程中力求设备简单、价格低廉以节省投资； 2 运行方式变化大。小型水电站一般水库容量很小趣行方式受降雨量的影响较大，而用电 规律受生产季节与生活用电的影响极大，因而运行方式变化太，机组启停频繁“： 3 电压变化大。小型水电站往往为独立供电，用户分散 输送距离远，负荷变化幅度又极大， 因而电压变化幅度大。为了照顾首末端用户的使用电压，电压的设定和调节变化频繁； 4 中国农业大学硕士学位论文第二章小型水电站监控系统的设计方案 4 技术力量薄弱。小型水电站运行维护人员一般均为非专业学校教育的技术人员，不可能去 面对复杂、繁多的自动化装置和应付复杂的运行方式； 5 技术更新费用少。小型水电站的年维护更新费用是很少的，不可能象大中型水电站那样有 计划的去进行设备的更新和完善； 6 改造成本低。对已有的大坝和设施上的if 1 的小型电站进行改建，发电的成本较低，在经济 上比较合算； 2 3 小型水电站自动化原则 研制开发一种新型的小型水电站监控系统还要r 解小型水电站自动化的原则。小型水电站自 动化的原则【1 5 i 为： ( 1 ) 、良好的经济性 根据小型水电站的特点，自动化装置首先要有良好的经济性，包括投资的经济性和维护的经 济性。 ( 2 ) 、技术先进性 髓着电子、计算机、通讯和网络技术的成熟和发展小型水电站的自动化装置也应该跨越一 步。陈旧的监控装置故障率高，维护工作最大，已经不适应形势的需要，应该向可靠性高、维护简 单的电子技术和计算机技术发展。 ( 3 ) 、高可靠性 小水电由于技术力量薄弱，技术支持不强，要求其自动化装置具有高可靠性、维护工作量小、 寿命长的特点。 ( 4 ) 、完整的主要功能 过去对小水电为了省投资，将功能减到最低限度，使信号、保护、自动功能都不完整，因而 可靠性低、故障率高、电能质量差，这已经不能满足现代乡村经济的要求。因此，小型水电站应 要求主要功能完整，具有一定的自动化程度，各类自动化参数应符合国家有关标准的要求。 ( 5 ) 、向综合自动化发展 为了减少投资就要简化设备，但功能又要完整。为达到目的就应该向综合自动化方向发展。 随着计算机技术的成熟，实现小水电的综合自动化是可行的，许多研究单位已经走出了这一步， 取得了一些成果。 ( 6 ) 、集中监控、由少人值守过渡到无人值班 小型水电站过去自动化程度较低，人工操作和调节频繁，如果提高了自动化程度实现了综合 自动化小型水电站应该实现集中控制，由少人值守再过渡到无人值班，以提高劳动生产率。 ( 7 ) 、自动化设备参数应符合国家有关标准 为了使小水电站规范化，能接入电网，自动化设备参数必须符合国家有关标准。 2 4 小型水电站监控量的类型和数量统计 对小型水电站进行监控，主要是对小水电站中的单元式水轮发电机组的运行状态进行实时监 测和控制。水轮发电机组包括水轮机及其辅助设备和发电机及其辅助设备两大部分，其中水轮机 5 中国农业大学硕士学位论文 第二章小型水电站监控系统的设计方案 及其辅助设备属于动力部分，发电机及其辅助设备属于电气部分。两大部分的监控量主要为电压、 电流、温度、压力、水位和开关状态等类型，经各传感器转化成交流、直流模拟量和开关输入、 输出量四种电气信号类型，具体如表2 - 2 所示。 4 辫 交流模拟量直流模拟量开关输入量 开关输出量 定于线圈温度 定子铁心温度 ；i ，；黧鎏暑c 臻燃臻 发耖组勰蠡发电机三相电流( 3 )些。? 黑x ：苍= ；j “ 。翟驻霎瀑：，j ，、 戮葫并筝c ； 釜( 2 ) 发电机保护动作信号卯 嵩荇葛笄暑：； 空气冷却器气压 轴承冷却器液压 调速器油压i 储气罐气压i1 、 蜗壳水压( ) ；蝶望褥瓣王”瓣黧 位置 嚣：= ：至： 水轮机冷却水压力 组导叶开度( ，鎏曼奎甓、僦弄巍谢，) 水流量( 1 、 各个开关状态1 1 ”；赫嚣弄霎。墨；“ 轴瓦温度c 油标、油位位j 数量 62 1 表2 - 2 小型水电站监控量类型统计表 上表监控量的数量为估算，各个水电站的不同，则监控量的内容和数量也不同。经统计，小 型水电站的一个单元式水轮发电机组的电气部分和动力部分需要监测和控制的监控量大致在 7 0 一9 0 个左右，所以监控装置的设计要考虑各种类型监控量的数量，一般情况下压力、温度等直流 模拟量和断路器位置、保护动作信号等开关输入量的数量较多。 2 5 小型水电站监控系统的设计方案 本课题在详细分析了小型水电站的特点后，严格按照水电站的自动化原则，根据小型水电站 水轮发电机组的监控量的类型和数量要求进行设计方案如下： 下位机监控装置分上层板、下层板、温度测量模块三大部分，上层扳和下层板分别以 m c 6 8 h c 9 1 2 d 0 1 2 8 af l a s h 型芯片作为微控制器，根据水电站的现场要求上、下层板可独立 工作也可以联合工作，工作模式的选择依据现场实际测量和控制量的多少。联合工作时，上层 板与下层扳的实时通讯采用u s b 口，可共同完成最多达4 0 个开关输入信号、2 4 个直流输入信号 和8 个交流输入信号的采集测量，完成最多3 2 个开关输出信号的控制功能，从而满足小型水电 站最多对七十至九十个电气量、非电气量的检测和控制的要求。温度测量模块则采用外购的方式 直接购买，一般是购买成品的温度巡检仪再将温度巡检仪提供的由温度信号转换成的一定范围 的模拟电信号接入到装置的直流模拟量输入功能模块的接口。 上位机嵌入式系统可视化编程软件采用面向对象的编程语言v i s u a lb a s i c6 0 结合大型商用数 据库s q l s e r v e r 7 0 开发，开发比较先进实用、操作简单、控制方便、人机界面友好、通用性好、 安装方便的小水电站计算机监控系统上位机软件，实现可视他的信号采集、处理和控制、操作与 调整的过程控制以及在线过程编程。信号采集，包括对各类模拟量、开关量进行采集：信号处理， 6 中国农业大学硕士学位论文第二章小型水电站监控系统的设计方案 包括对所采集到的信号进行判断、越限报警、事故故障报警等：控制、操作与调整，包括机组顺 序控制( 启停、运行工况转换) 、自动倒闸操作、断路器分合、电气与水机保护的复归等；在线过 程编程就是针对单元机组所需要监测和控制的具体信号，应用上位机软件现场对各个信号的监测 和控制流程进行编程然后通过上位机与监控装置的通讯，将编程数据下发到下位机装置后在下 位机执行。 2 6 小结 本章在介绍了小型水电站、小型水轮发电机组的界定后，针对小型水电站的运行方式变化犬、 机组启停频繁和监控量的类型和数量多等主要特点，按照小型水电站的自动化原则，提出了下付 机装置分为上层板、下层板和温度测量模块三部分的硬件设计方案和上位机软什实现信号采集、 处理和控制、操作与处理以及在线过程编程等功能的设计方案。 7 中国农业大学硕士学位论文 第三章下位机监控装置总体电路设计与分析 第三章下位机监控装置总体电路设计与分析 3 1 硬件电路的总体设计 随着对水电站控制、测量、保护、通讯等功能的要求越来越高和高性能单片机的出现以及新 的电力电子开关器件的产生，水电站智能监控装置将逐步实现高集成度、全功能化。在本课题中 考虑到系统的复杂性、妊控量的类型和数量以及强、弱电隔离防干扰等因素。设计时将监控装置 分为上、下两层扳，均以m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 单片机为核心，配以一些适当的外围电路米完成 各种功能。 根据1 9 9 5 年中华人民共和国电力工业部颁布的水电厂计算机监控系统基本技术条件 一d l t - 5 7 8 9 5 中对监控系统的基本功能要求监控装置要具备数据采集、数据处理、控制与调节、 人机联系、电厂设备运行管理及指导和系统通讯等功能。为了实现上述功能。本装置的主要模块 有：交、直流模拟量输入功能模块、开入量检测功能模块、开出量控制输出模块、人机接口( 键 盘与显示) 单元、数据存储单元、通讯模块和时钟单元等。 根据数据处理和合理分配硬件资源的要求，上、下两层板的设计在功能上分工如下： 上层板将主要完成交、直流电气量的测量( a d 转换) 、交流电气量测量数据的快速傅立叶变 换( f f i ) 、控制输出( 水力发电机组的自动操作和调节) 、通讯、显示、按键处理、故障录波等 功能。 下层板将主要完成温度信号测量数据的采集( a d 转换) 、发电机组及水电站内各种保护信 号和报警信号的动作采集、控制输出、通讯、显示、按键处理等功能。 上层板硬件电路的结构参看图3 - 1 硬件电路框图。下层板硬件电路的结构参看图3 - 2 硬件电 路框图。上、下层板p c b 效果图见附录2 。 圈3 - 1 监控装置上层板硬件电路框图 8 中国农业大学硕士学位论文第三章下位机监控装置总体电路设计与分析 图3 - 2 监控装置下层板硬件电路框图 3 2 主要芯片和器件的选择 3 2 1 微处理器的选择 现在伴随着微电子技术的发展，一系列高性能的微控制器纷纷出现，如何在实现装置功能的 基础上选择性价比较高的单片机作为装覆的核心是非常关键的。现阶段对单片机进行选型，主要 是考察单片机的速度、存储量、i o d 数量和所内嵌的功能模块多少。附表2 是进行单片机选型时 各个指标列表。 对附表2 进行分析，结合装置本身的功能要求，选择 。i c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 型单片机比较合适原 因从表3 1 可以看出。 表3 - 1 单片机各参数指标与装置功能要求对照表 6 8 h c l 2 系列单片机是6 8 h c i l 单片机的更新换代产品。6 8 h c l l 单片机自8 0 年代后期以来，在诸 多领域褥到了广泛的应用，十余年来，已发展到十余个系列，几十个品种，生产量上亿片 1 6 。 在汽车电子、通信、计算机外设、工业控制、消费类电子产品等方面有广泛地应用。6 8 h c l 2c p u 与6 8 h c l lc p u 的指令在源码级兼容。6 8 h c l 2 单片机比起6 8 p , c 1 1 来。在总线速度上由2 3 删z 提高到 8 m h z 。增加了一些新的指令，特剐是用于模糊逻辑运算与模糊控制的指令。6 8 h c l 2 的基本寻址空 问仍为6 4 k b ，但可以采用自动分页的方式扩展应用程序到2 5 6 k b 甚至更多这样做的好处是指令代 码短。程序代码效率i 自i 。 6 8 h c l 2 目前已有1 2 个系列2 5 个品种。r a m 从1 i ( b 到1 2 k b ，片内f l a s h ( 闪存) 从3 2 k b 至, 2 5 6 k 8 ， 9 中国农业大学硕士学位论文第三章下位机监控装置总体电路设计与分析 i i m s | 自! ! ! ! ! | ! ! ! 日e ! ! e e ! ! g 蔓! e ! 鼍! ! 鼍! 鼍| ! e 曼 e e p r o m 从1 k b 到4 k b 。早期的片内f l a s h 只能保证反复擦写1 0 0 次，近期推出的型号中带a 的单片机攘 写次数可达1 万次以上。 中央处理器c p u l 2 由以下三部分组成：算术逻辑单元( a l u ) 、控制单元和寄存器组。c p u 内部 总线频率为8 m h z 。 寻址方式有1 6 种。堆栈指针和变址寄存器均为1 6 位。它具有很强的高级语言支持功能。c p u l 2 的累加器a 和b 是1 6 位的，也可以组成3 2 位累加器d 。 c p u l 2 的寄存器组包括如下5 个部分： 1 6 位累加器a 、b 或3 2 位的累加器d ； 1 6 位变址寄存器x 和y 是用来处理操作数的地址，可分别用于源地址、目的地址的指针型变 量运算； 堆栈指针( s p ) 是1 6 位寄存器； 程序计数器( p c ) 是1 6 位寄存器，它表示下一条指令或下一个操作数的地址： 条件码寄存器( c c r ) 。 本设计使用的是m c 6 8 h c l 2 系列中的m c 6 8 h c 9 1 2 d 6 1 2 8 a 单片机，它的内部框图如图3 3 所示。 m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 的一些特点如下： 中央处理器c p u l 2 是m c 6 8 h c l 2 的中央处理器，为1 6 位c p u ，其指令系统在源码级与 6 8 h c l l 兼容。 存储器： ( 1 ) 1 2 8 k bf u 蝎h 存储器： ( 2 ) 8 k b r a m ： ( 3 ) 2 k be e p r o m 。 多元化总线。可以工作在单片方式，也可以通过总线扩展存储空间和增加i o 芯片，工作 在扩展方式。地址总线1 6 位，数据线1 6 位或8 位地址和数据总线占用3 个或4 个8 位i ，0 并 行口，在单片方式下这3 2 位可做普通i o 口用。 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第三章下位机监控装置总体电路设计与分析 圈3 - 3m c 6 8 h c 9 1 2 d 0 1 2 8 a 内部框图 两个8 路1 0 位a d 转换器。 控制器局域阿模块( c a n ) 。6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 内部有两个c a n 模块，每个c a n 具有2 个接收缓冲区和3 个发送缓冲区。每个c a n 有r x 、t x 、出错、唤醒四个独立的中断通道。c a n 模块具有白检功能，有低通滤波唤醒功能。 增强型捕捉定时器 ( 1 ) 1 6 位主计数器，7 位分频系数； ( 2 ) 8 个输入捕捉通道或输出比较通道，其中四个输入捕捉通道带有缓存； ( 3 ) 4 个8 位或2 个1 6 位脉宽计数器； ( 4 ) 每个信号滤波器有4 个用户可选择的延迟计数器； 脉宽调制模块( p w m ) 可设置成4 路8 位或者2 路1 6 位，逻辑时钟选择频率宽。 串行接口 ( 1 ) 两个异步串行通信接口( s c i ) 模块； 1 】 中国农业大学硕士学位论文第三章下位机监控裟暨总体屯路设计与分析 ( 2 ) 一个1 2 c 总线接口； ( 3 ) 一个同步串行外设接口s p i 。 两个具有产生中断、唤醒c p u 功能的8 位并行口，也可以设为输出。 时钟发生器： ( 1 ) 具有锁相环频率合成器。这是时钟发生器中的重要电路。它的存在使外部3 2 m h z 晶振 就可以产生8 m h z 的总线频率： ( 2 ) 也可使用0 5 1 6 m h z 的低功耗品振。 开发支持 ( 1 ) 支持单线背景调试模式( b d m ) ： ( 2 ) 支持高级语言编程。 由以上描述可以知道，m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 是一款性能优异、开发调试方便的单片机选 择此类型的单片机主要是因为： 1 该芯片内部集成了1 6 位c p u 、1 2 8 kf l a s h 存储器、8 k br a i v l 、2 k be e p r o m 、两个 8 路l o 位a ，d 转换器、两个c a n 模块、1 6 位增强型捕捉定时器、p w m 脉宽调制模块、两个异 步串行通信接口( s c i ) 、一个1 2 c 总线接口、一个同步串行外设接口( s p d 、锁相环频率台成器 等，如此丰富的内部资源省去了为实现系统的功能而增加的外部芯片，简化了系统的硬件设计， 进一步缩小了系统装置的体积，同时降低了开发成本。另外。该芯片支持单线背景调h 黼( b d m 、 和高级语言编程，从而缩短了系统的软件开发周期。 2 1 2 8 kf l a s h 存储器采用分页式结构存储数据，分页方式软件编程可控，通过设置控制 字相应位的状态可以将1 2 8 k f l a s h 分成四页( 3 2 科页) 或者八页( 1 6 科页) 。对f l a s h 进行擦写 时可以分页进行，即对当前页进行擦除和写入数据时并不影响其他页的数据，而且在对本页进行 数据写入时可以以3 2 个字节为一个单元分别写入，正是由于f l a s h 具备较大的存储容量( 1 2 8 k ) 和分页擦写，才使得上位机软件采用v b 可视化语言进行硬件编程成为可能。 3 单片机含有丰富的i 0 d 资源。共可使用的i 0 d 有6 9 个，能够满足小型水电站最多对七十 至八十个电气量、非电气量的检测和控制的要求。 3 2 2 实时时钟芯片的选择 实肘时钟的功能主要是为系统提供准确的参考时间，所以运行稳定而准确的实时时钟芯片才 能保证装置的正常运行。以前硬件设计时采用d a l l a sd s l 2 8 8 7 并行数据传输的实时时钟芯片 由于其精度相对较低、长期运行易发生故障等原因，故本装置的设计则另行采用s d 2 0 0 0 b 型高 精度实时时钟。s d 2 0 0 0 b 是一种具有内置晶振，支持1 2 c 总线接口的高精度实时时钟芯片【1 7 1 。该 系列芯片可保证时钟精度为4 - 4 p p m ，即年误差小于2 分钟；可内置电池、串行n v s r a m ，其中 内置一次性电池可保证在外部掉电情况下时钟使用寿命超过五年，内置充电电池在一次充满情况 下可保证内部时钟走时超过一年以上( 可满充2 0 0 次) ；内置串行n v s r a m 为非易失性s r a m ， 擦写次数可达1 0 0 亿次。 s d 2 0 0 0 b 实时时钟部分是通过基于1 2 c 总线的串行接口方式去接收各种命令井读写数据的，所以硬件接 线很简单，除电源和接地外，只使用单黼l 两个管脚进行1 2 c 的时序模拟。当c p u 发出开始条件给实 1 2 中国农业大学硕士学位论文第三章下位机监控装置总体电路设计与分折 时时钟部分建立连接后，c p u 通过s d a 总线连续输出4 位器件地址，3 位操作指令和1 位读，写 指令。实时时钟的实时数据寄存器是一个5 6 位的存储器，它以b c d 码方式存贮，包括年、月、 日、星期、时、分、秒的数据。任何读，写操作或实时数据存取命令都通过发送或接收年数据的第 一位“l s b ”执行的( s d 2 0 0 0 b 的详细资料请读者参看厂家提供的技术资料) 。 3 2 3u s b 通讯接口芯片选择 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 的中文名叫“通用串行总线”，魁近年来应用在p c 领域的新型 接口技术，是一些p c 大厂商，如m i c r o s o f t 、i n t e l 等为了解决日益增加的p c 外设与有限的主板 插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准，白1 9 9 5 年在c o m d e x 上亮相以来至今已 广+ 泛地为各p c 厂家所支持。现在生产的p c 几乎都配备了u s b 接口m i c r o s o f l 的w i n d o w s 9 8 、 n t 以及m a c o s 、l i n u x 、f r e e b s d 等流行操作系统都增加了对u s b 的支持。 u s b 有如下主要优点： ( 1 ) 使用方便。连接外设不必再打开机箱：允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。 ( 2 ) 速度快u s b 接口的最高传输率可达1 2m b s ；提供低速方式，速率为1 5m b s 。扣除 用于总线状态控制和错误检测等数据传输，晟大理论速度也能达到1 2 m b s 和9 6m b s 。 ( 3 ) 连接灵活。一个u s b 接口理论上可以连接1 2 7 个u s b 设备。连接的方式也十分灵活， 既可以使用串行连接，也可以使用集线器h u b ，把多个设备连接在一起，再同p c 机的u s b 口相 接。 ( 4 ) 独立供电。u s b 接口提供了内置电源。 正因为u s b 通信的优点，本装置也配置有u s b 通信接口，方便上、下层板间的通信以及上、 下层板与上位机( p c 机) 通信。 现在的u s b 生产厂商很多，几乎所有的硬件厂商都有u s b 的产品。u s b 控制器一般有两种 类型，一种是m c u 集成在芯片里面的，如i n t e l 的8 x 9 3 0 a x 、c y p r e s s 的e z u s b 、s i e m e n s 的c 5 4 1 u 以及m o t o r o l a 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r s 等公司的产品，另一种就是纯粹的u s b 接口 芯片，仅处理u s b 通信，如p h i l i p s 的p d i u s b d l l ( 1 2 c 接口) 、p d i u s b p i a 、p d i u s b d l 2 ( 并行接口) ，n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的u s b n 9 6 0 2 、u s b n 9 6 0 3 、u s b n 9 6 0 4 等。前一种由于开 发时需要单独的开发系统，因此开发成本较离：而后一种只是一个芯片与m c u 接口实现u s b 通 信功能。因此成本较低，而且可靠性高。 在本装置的u s b 通信接口电路中采用了p h i l i p s 公司的u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 。 p d i u s b d l 2 是一个性能优化的u s b 器件【l ”，通常用于基于微控制器的系统并与微控制器通过高 速通用并行接口进行通信，也支持本地d m a 传输。该器件采用模块化的方法实现一个u s b 接 口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器，允许使用现存的体系结构并 使固件投资减到最小这种灵话性减少了开发时间、风险和成本，是开发低成本且高效的u s b 外围设备解决方案的一种最快途径。p d l u s b d l 2 完全符合u s b i 1 规范。也能适应大多数设备类 规范的设计。如成像类、丈容量存储类、通信类、打印类和人工输入设备等，因此，p d i u s b d l 2 j # 常适合做很多外围设备，如打印机、扫描仪、外部大容量存储器( z i p 驱动器) 和数码相机等。 现在用s c s i 实现的很多设备如果用u s b 来实现可以直接降低成本。 中国农业大学硕士学位论文第三章下位机监控装置总体电路设计与分析 p d l u s b d l 2 挂起时的低功耗以及l a z y c l o c k 输出符合a c p i 、o n n o w 和u s b 电源管理设 备的要求。低功耗工作允许实现总线供电的外围设备。 p d i u s b d l 2 还集成了像s o f l c o n n e c t 、g o o d l n k 、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等 特性。所有这些特性都能在系统实现时节省成本同时在外围设备上很容易实现更高级的u s b 功能。 3 2 4 n v r a m 存储器的选择 n v r a m 主要用于存储参数和数据，满足系统掉电后数据不丢失。本装置采用了高速数据不 挥发静态n v - s r a m - - d c m 0 2 5 6 - 7 。该芯片写入的数据可保存十年以上( 在外电路失电的情况下) ， 同时具有可靠的上电、掉电、强电磁冲击等数据保护功能。以d c m 2 5 6 b 型( 3 2x8 位容量) 存 储器为例，连续上电、掉电等冲击达一万次时全部3 2 k 字节数据无一丢失【l ”，而其它同类存储 器有的仪几次到几十次就开始丢失数据了；读写使用次数无限，读写速度快( 小于l o o n s 、可达 5 0 n s ) ，读，写方式简单( 和常规s r a m 一样) 。 3 2 5l c d 显示器的选择 在各类仪表中，常用的显示器有：发光二极管显示器( l e d ) 、液晶显示器( l c d ) 、荧光管 显示器、简易的c r t 接口等。本装置从电路设计简单、减小功耗、能显示多种字符的想法出发， 选用点阵式液晶显示模块l c m ，它是将i l t ) 控制器、r a m 、r o m 和l c d 显示器集成在一起， 使用时只要向l c m 模块送入相应的命令和数据便可实现所需要的显示。 本装置采用了h y l 9 2 6 4 c 图形点