（农业电气化与自动化专业论文）引水式小型水电站闸门自动监控系统的研究.pdf

摘要 随着信息化在水利行业的大力推r 。作为水利信息化重要组成部分的水闸自动化监控系 统也日益受到重视。老式的闸l j 监控系统可靠性差、测量精度不高，本系统就是在这样的实 际要求f 在认真研究了国内外相关内容优缺点的基础上，开发了符合我国国情的水闸监控 系统，对提高调配水经济效益和加快水利现代化水平具有重要意义。 。 本课题以延寿县加信小水电站为研究对象。首先简要地叙述了国内外小水电站自动化及 闸门监控系统的发展情况，及应用到小水电站闸门监控系统中的一些先进技术：集散控制、 现场总线和可编程序控制器( p l c ) 等：在此基础上提出了结台单片机和分布式控制系统优 势的闸门监控系统总体方案，并分析了此监控系统的组成和功能。 整个控制系统的设计可以分为两部分：上位机系统殴计和f 位机系统设计。f 位机采用 a t 8 9 c 5 2 单片机作为系统的控制核心，设计了采样电路、a d 转换电路及r s 4 8 5 通信电路 等硬件电路，通过继电器控制电机的正、反转与停，从而控制闸的起、落和停。r 位机软 件设计中，利用c 5 l 语言作为开发单片机的控制软件，开发了闸fj 自动凋甘及通信等群序。 上1 ：i 7 ：机控制管理系统有主窗口模块、闸门监控系统模块、历史数据奄洵模块、报警模块等部 分组成，利用v b 语言开发，主要完成与下位机系统通信的任务。 本文的重点是通过对闸站水位运行控制方式的分析，针对水位调肖是一个非线性、人滞 后、时变的系统，并且难以建立精确的数学模型，传统控制方法对它难以奏效的现状，提出 逛_ j 模糊控制应用于滞后性、时变性的水位控制；在本研究中，将模糊控制理论应f l j 丁水位 的控制，利用m a t l a b 强大的功能对水位模糊控制进行了仿真，结果表明，系统鲁棒性、 稳定性好，超调量小，调节时间短，控制效果理想，达到了预期的目标。 关键词：小水电站；闸门监控自动化；单片机；v i s u a lb a s i c ：模糊控制 v a b s t r a c t r e s e a r c ho ng a t ea u t o m o n i t o rs y s t e mo ft h ed i v e r t i o n t y p es m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nw a t e rr e s o u r c ei n d u s t r y ，s l u i c e a u t o m a t i cm o n i t o rs y s t e mi sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n o l dg a t ea u t o m o n i t o rs y s t e mh a s p o o rr e l i a b i l i t ya n dl o wm e a s u r i n ga c c u r a c y b a s e do nt h er e s e a r c h e so fd o m e s t i ca n df o r e i g n ， t h ep a p e rs t u d yt h eg a t em o n i t o rs y s t e mw h i c ha d a p t st ot h er e q u i r e m e n to fo u rc o u n t r y , t h e s i g n i f i c a n c ef o ri n c r e a s i n gb e n e f i ta n dq u i c k e n i n gm o d e md e g r e eo fr e s o u r c ei n d u s t r yi sd i s c u s s e d t h i sp a p e rt a k e sj i a x i nh y d r o p o w e rs t a t i o ni ny a n s h o uc o u n t r yf o re x a m p l e ，f i r s t l y ，b r i e f l y i n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to fs m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o na n dg a t em o n i t o rs y s t e mi nd o m e s t i ca n d f o r e i g n ，a n dt h em a i na d v a n c e dt e c h n o l o g i e su s e di ng a t ea u t o m a t i cm o n i t o rs y s t e ma r ed i s c u s s e d i n c l u d e dd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，f i e l d b u sa n dp r o g r a m m i n gl o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) e t co nt h e b a s i so ft h e s ea n a l y z e ，c o m b i n e dw i t ht h ea d v a n t a g e so fs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra n d d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e do nt h eg a t ea u t o m a t i cm o n i t o rs y s t e m ，a n dt h ed e s i g n p r i n c i p l eo f t h es y s t e mw i t hf u n c t i o n a la n a l y z i n ga r eb r o u g h tf o r w a r d t h ew h o l es y s t e mh a st w op a r t s ：h o s tc o m p u t e rd e s i g na n dl o w e rs y s t e md e s i g ni nt h el o w e r s y s t e m ，a t 8 9 c 5 2i su s e da st h ec o r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，s a m p l i n gc i r c u i t ，a dc i r c u i t ，r s 4 8 5 c o m m u n i c a t i o nc i r c u i te t ca r ed e s i g n e d t h o u g ht h er e l a y sc o n t r o lp o s i t i v e ，n e g a t i v et u ma n ds t o p o ft h em o t or t oc o n t r o lu p ，d o w na n ds t o po ft h eg a t e i nt h el o w e rs y s t e ms o f t w a r ed e s i g n ，t h e c o n t r o ls o f to fm c uu s e sc 5 1 l a n g u a g e ，d e v e l o p i n gg a t es e l f - r e g u l a t i o np r o g r a m a n d c o m m u n i c a t i o np r o g r a m t h eh o s tc o m p u t e rs y s t e mi n c l u d e s ：m a i nm o d u l e ，g a t em o n i t o rs y s t e m m o d u l e ，h i s t o r i c a ld a t aq u e r ym o d u l ea n dw a r n i n gm o d u l et h eh o s tc o m p u t e rs y s t e mi sd e v e l o p e d b yv i s u a lb a s i cl a n g u a g e ，a n df i n i s h e st h em a i nt a s kw h i c hi su s e dt oc o m m u n i c a t ew i t ht h el o w e r c o m p u t e rs y s t e m b ya n a l y z i n gt h em e t h o do fc a n a lw a t e r l e v e lc o n t r o l ，t h e p a p e ra n a l y z e sc o n t r o l l i n g c h a r a c t e r i s t i co fc a n a lw a t e rl e v e ls y s t e mi sn o n l i n e a r , t i m e v a r y i n ga n dt i m e l a g g i n g i ti sd i f f i c u l t t oe s t a b l i s ht h ep r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e l s ot h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d sc a nn o tw o r ko u ti t w o u l db es u c c e s s f u lt oa p p l yf u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi nc a n a lw a t e rl e v e l a tt h es a m et i m e ，a p p l i e d s o f t w a r em a t l a bi su s e dt os i m u l a t et h ew a t e rc o n t r o l l e r t h es i m u l a t i o nt e s tr e s u l t ss h o wt h a t t h es y s t e mi ss t a b l e ，l e s sr e g u l a t i n gt i m ea n dl e s so v e r s h o o tt h a nb yt h et r a d i t i o n a lm e t h o d ，a n dt h e r e s u l ti ss a t i s f i e d ，a n di ta c h i e v e st h ee x p e c tr e s u l t v i 东北农业大学工学硕上学位论文 k e y w o r d s ：s m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n ；g a t em o n i t o ra u t o m a t i o n ；m c u ；v i s u a lb a s i c ：f u z z yc o n t r o l c a n d i d a r e ：f uw e j s p e c i a l i t y ：e l e c t r i f i c a t i o na n da u t o m a t i o no f a g r i c u l t u r e s u p e r v i s o r ：p r o f , z , h a oy u l i n v i i 研究生学位论文独创声明和使用授权书 i i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含未获得 ( 渲! 垫丝直基丝霞璺挂型壹明丝：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：傍耘 日期：即年占月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名：彳蓼番玺 日期：二审年石月9 日 导师 签名：卷赵j 5 衣日期：五矽年石月护同 1 引言 1 1 研究的目的和意义 我国是水能资源十分丰富的国家，据水利部水电局2 0 0 4 年3 月对全国水能资源进行的 复商估算全国水能资源( 不含台湾、港、澳地区) 技术可开发量为5 r 3 7 亿千瓦，其中小水 电资源为1 2 8 亿千瓦( 何怎成，2 0 0 5 ) 。但目前小水电开发程度仍很低，仅一i 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再生能源在电力 结构调整和农村能源结构调整中具有重要的地位( 吕项羽，2 0 0 5 ) 。“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，提出要开展小水电现代化建设，用5 年或 稍妖一点时间，使5 0 的农村水电站和电网采用现代化技术，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) ( 程夏蕾等，2 0 0 5 ) 。 要合理的利用水资源，离不开对水资源的有效调度。在我国的一些大江，犬河、湖泊上， 已经建立了一套有效的水资源调度系统，但在，一人的中小江河、湖泊、水电站上，水资源调 度系统并术建立。对这些中小江河、湖泊、水电站的水资源调度和监控，我国水资游的合理 利川，和解决我国将来的水资源短缺问题具有更为重要的战略意义( 千烨等，2 0 0 5 ) 。随着 自动控制、通信及计算机技术的不断发展，把遥测遥控、通信及计算机技术应用丁闸| j 及水 位等参量的自动测量、计算、控制和调节，是水闸监控系统的主要内容和目的。 鉴于水资源在我国国民经济、人民群众生活中的重要性，对用来调度这些水资源的闸fj 、 水位数据进行全天候监控是完全必要的( 李文国，2 0 0 3 ) 。 首先，可以实时跟踪、监控江河闸i j 开度、水位高度的数据，为合理调度水资源提供第 一手数据资料。根据闸门上、下游水位高度其水位差及水位变化率和水资源调度的具体需 求，确定出当前闸门的具体控制方案。因此。通过闸门自动监控系统，可以及时掌握闸位、 水位的实时数据，为水资源调度提供第一手资料。 其次，闸门自动监控系统在泄洪抗灾、水利发电等方面具有不可替代的作用。 闸i j 作为水利系统最基层的1 ：程之一在防洪抗灾中扮演了重要角色，除了满足水利部fj 的用水需求外，在防洪、保护l ：农业生产和人民生命财产安全以及环境保护锋诸多方面都发 挥了巨大的积极作用。为了进一步提高水电站的综合利用效益，尽可能减少洪涝灾害的损失， 提高调度管理的决策水平，建立闸fj 综合自动化监控系统是必不可少的且具有一定的现实意 义。 最后，采用闸fj 微机监控可以为我们节省大量的人力、物力、财力。过去在水资源调度 中，手工操作既费时义费力，而且达不到良好的控制效果，使用微机监控后，我们可以在远 离现场的控制室里对闸门水位的各项数据进行实时记录，最终实现对闸门的实时控制。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 1 2 1 水电站自动化的发展历程 水电站自动化技术是从2 0 世纪才开始发展起来的。至四十年代，几乎都是土机与控制 一体的直接控制。五十年代则是引进了远方控制技术，可以从远处对设备进行控制，具有监 视、控制、保护主机的功能。那时还大多采用电磁式、机械式继电器采取将继电器装在控 制赢中的方法。八十年代则广泛采取晶体管和半导体电子技术，控制同路向电子化、小型化、 无触点化方向发展，集中化技术被普遍应用。由于遥测装置的信号传输技术的发展和数字技 术的支持出现了远距离集中监控。进而可以实现大范围控制。 到了七十年代，计算机技术不论是在硬件的集成度、可靠度、经济性和综合技术指标， 还是在软件西己置的丰富程度和适应性等方面均已发展至较高的水平，在发达国家的水电站自 动化中得到了酱遍的麻用，当时主要用于实现运行的监督控制平【i 对设备的直接控制，且已形 成比较完整的系统，并取得显著的效益。1 9 7 4 年美国人古力水电站实现闭环控制是水电站自 动化发展史的一个重要里程碑。七十年代后期，在电网调度自动化系统发展的同时，自动化 技术在水电站的应用得到了进一步的发展，有代表性的如加拿大魁北克水电局所属水电站， 法国罗纳河水电站群。 进入八十年代，随着微电子技术、计算机技术、数据通信技术和自动控制理论的迅猛发 展，以微处理器为核心的微型计算机被麻_ l ；i 到许多行业，传统的顺序控制器，如继电器控制 逻辑、二极管矩阵逻辑以及硬件接线的数字逻辑愈来愈多地被前者所替代。微机技术在水电 站自动控制系统中已占压倒优势，计算机技术、控制技术、通讯技术和c r t 技术已成为水电 站自动控制系统的重要部分( 颜成贵，2 0 0 0 ) 。 九十年代，计算机技术进一步发展。著名的摩尔定律可以作为硬件制造技术迅猛发展势 头的一个标志，芯片上的晶体管数目每两年会增加一倍。与此同时，软件产业也蒸蒸日上， 各种鹿用软件应运而生，充斥于生产生活的各个角落。计算机丈量应用于大，中型水电站自 动控制系统，在价格和技术上已不存在任何问题。 网络技术也是在这一时期得到发展并普及。在这之前我们并不知道网络是什么，但是现 在在任何一个行业里都会听到网络这一名词，水电行业也不例外。随着网络和计算机通信技 术的快速发展，网络在水电站监控和自动化系统中得到成功的应用。通过网络实现数据快速 传送、远方监视和操作，以及远程故障排除，节省了时间和经费，因此利用网络已经成为目 前水电站自动化的一个发展方向。 2 1 世纪，计算机监控系统开始向开放式分布系统迈进。因特网技术的发展和成熟赋予 了现代水电站综合自动化新的内涵。它不仅要实现水电站的过程自动控制、报表的自动生成 和打印等基本功能更主要的是体现其高速的网络功能，通过高速网络节点的信息传递交换， 2 实现资源共享。充分利用网络资源，开发出符合水电站特征的应用软件，以达到现代水电站 所追求的目标。 1 2 2 国外发展概况 从7 0 年代起，计算机监控在国外一些水电厂上取得了实质性的进展，出现了用计算机 控制的水电厂。晟初，由于计算机比较贵，全厂只用一台计算机实现对主要f ：况的监视平“操 作，通常不实现闭环调。声控制。后来，随着计算机性能改善和价格卜降出现了采用多台小 型计算机实现闭环调节控制的水电厂，其代表是美国总装机容量达6 1 5 0 m w 的大占力水电 厂。随着高性能微机的出现，微机在水电厂监控系统中得到普遍的应h ；i 。就国家来说。美国、 法国、日本和加拿大等国在这方面是比较领先的( 王定一，2 0 0 1 ；邱彬如，2 0 0 6 ) 。 ( 1 ) 法国 法国的水电资源开发比较好，大部分资源已得到利用。水电厂基本实现了无经常值班人 员，较人的水电厂采刚在家值班的方式。很多河流上的梯级水电厂实现了集中控制。法国水 电厂的特点是。装机容簟不太大，很多是径流式电厂需要实现的控制功能比较简单，一般 只需在电厂设自动控制装置或一台计算机即可实现监控。只有在梯级控制中心、一些容最较 大的水电厂和抽水蓄能电厂才设置较为复杂的计算机监控系统。法国梯级水电厂的联合调度 搞得比较好，取得了显著的经济效益。 ( 2 ) 日本 日本在水电厂计算机监控方面也搞得比较好。日本的水电厂大都是无人值班的。日本水 电厂的特点是，除抽水蓄能电厂外容量都比较小，而且有不少电厂只装一台机组。除抽水 蓄能电厂外，电厂一般不设带处理功能的计算机系统，而仅设些用微机构成的自动控制装 置。电厂的监控操作都是在远离电厂的地区控制所内实现的，地区控制所内设有规模较人的 计算机系统。它通过远动装置与电厂的远方终端连接。从而实现监控。 ( 3 ) 美国 美国地域辽阔，有许多大河水电资源开发也比较好，已经建成许多大小不等的水电厂 和大型抽水蓄能电厂，如装机容量高达6 1 5 0 m w 的大古力水电厂，2 1 0 0 m w 的巴斯康提抽水 蓄能电厂。这些丈型水电厂均采用庞大的功能复杂的计算机监控系统，采用的技术在世界上 是领先的。甲在7 0 年代末，大古力水电厂就装设了由几十台小型机构成的计算机监控系统， 采h j 了分层分布系统。这个监控系统的性能和指标在当时是最先进的，对后来水电厂计算机 监控系统产生了深远的影响。 ( 4 ) 加拿人 加拿大水电资源丰富，开发的比较好。水电装机容量在世界上处于前列。它的特点是水 电厂装机容量一般都比较大，气候环境条件恶劣，人口密度低，技术人员相对来说比较缺乏， 因此，要求水电厂有较高的自动化水平所以水电厂。特别是新建的水电厂，多设置了计算 机监控系统。著名的有邱吉尔瀑布水电厂( 5 2 2 5 m w ) 、拉格朗梯级水电厂( 8 个电厂，总装 机1 5 2 6 3 m w ) 等。 3 国外研制水电厂计算机监控系统有许多公司，其中比较著名的有加拿大的c a e 公司、 瑞十的a b b 公司、德国的西门子公司、法国的a l s t o m 公司、日本的日立公司和东芝公司、 美国的贝利公司、奥地利的依林( e l i n ) 公司等。他们都推出自己的系列产晶，在世界各地 得到了，“泛的廊用。我国也引进了它们的部分产品。 1 2 3 国内发展概况 我国也已经开始重视实现水电站计算机控制。最早安设计算机的是新安江水电站和溪流 河水电站，前者主要用丁监视，后者曾实现过计算机闭环控制。八十年代起许多水电站安设 计算机，它们是浑江梯级水电站、永定河梯级水电站、富春江水电站、葛洲坝水电站、鲁布 革水电站等。 我国的水电站计算机监控系统在经历了“六五”的试点，“七五”的推广( 已经取得了明显 的经济效益，现在已经进入成熟发展阶段) 。已有2 0 多座水电站基本上建成了计算机监控系 统，实现了不同程度的计算机监控和经济运行。进入9 0 年代后期，国内已经出现了一批以 微机为基础的自动化装置，如南瑞、许继等厂家研制生产的线路保护、变压器主保护、变压 器后背保护、发电机保护、微机自动准同期等装置，为水电站综合自动化系统的设计提供了 必要的设备保障。目前，国内水电站纷纷投资进行以计算机监控为基础的综合自动化系统l ： 程的更新改造。 水电站综合臼动化技术在人中型水电站中的麻h j 相当普遍，而在小型水电站中的席川并 不多。9 0 年代中后期，小型水电站才开始尝试采川这项技术。就j “东省目前使州现状来看 从1 9 9 5 年至今，包括清远在内的整个粤北地区，已建的小水电站约有l5 1 座其中单机容 量超过1 0 0 0 k w 的电站有3 5 座；单机容量低于1 0 0 0 k w 的电站有1 1 6 座。所有已建电站中 采用计算机监控技术的仅有4 座，所占比例还不到3 。可以说，在小型水电站中，该技术 的应h l 进展相当缓慢。其原因为( 梁谦，2 0 0 0 年) ： ( 1 ) 资金短缺与设备投资人的矛盾 农村小水电人多分布于山区地带，经济条件相对落后，许多小型水电站的建设属丁地方 扶贫项目，不仅投资短缺。且资金来源也非常有限。实现计算机综合自动化，电站必然要有 大笔投资，而用户往往无力承担。究其原因，一是计算机综合自动化装置属于高科技产品， 因受多种因素影响，而导致综合价格偏高：二是现阶段计算机综合自动化在小水电中的应用 不多，取得成功的运行经验还较少，故常常是即使采用了计算机监控系统，仍然还保留一套 简化的常规控制保护系统作为各j = i j ，致使二次设备重复投资增加；三是计算机系统要求电 站具有高质颦和先进的主辅设备，因而设备投资也随之增加；四是当今的计算机技术发展很 快，计算机系统的软件换代周期人大缩短，由此带来投运后的费用增加 ( 2 ) 机组自动化技术还不很成熟 小型水电站中的变压器保护技术的研究开发比较早，应用也较成熟：而实现小水电站计 算机综合自动化的另一核心部分一水轮机自动化，比前一部分更为复杂和繁琐技术开发起 步也较晚，因而应用不很成熟。为此。一些电站采取了电气设备测量保护微机化和水轮机自 4 动控制常规化相结合的方式。在这种局部计算机到全计算机化的过渡过程中，还存在着一些 需要解决的问题，如常规系统与计算机监控系统的接口，常规监控与计算机监控的协调常 规操作与计算机系统的配合等问题。 基丁以上特点，在中国这样一个人口众多、经济基础薄弱的发展中国家，小水电自动化 技术要求简单、可靠、实用( 程夏蕾等，2 0 0 3 ) 。 1 ) 结构简单，操作简单，维护方便。由于小水电位于偏僻的农村电站运行人员大多 数知识水平比较低。如果自动化系统太复杂，他们难以接受。结构太复杂，不便于维护，操 作复杂容易误动作。因此，人们期待的是结构简洁，操作简单的小水电自动控制系统。 2 ) 动作可靠，强调自动化元件的可靠性。小水电实现自动化的目的之一就是提高电站 运行的可韶性。一套动作可靠的自控系统就显得很重要。自动控制系统除了土机和传输网络 要求有较高的可靠性外，测量和执行元件的可靠性也很重要。“头脑发达，西肢不灵”楚上世 纪中国小水电自动化普遍存在的一个问题。 3 ) 功能实用，减少投资，优化运行。小水电要么在系统中的地位不十分重要，要么供 电对象的级别比较低，主要是生活用电，因此自动化功能和配置可适当简化，只要满足允许 要求即可。小水电实现自动化的另一目的就是提高效益，增强小水电的市场竞争力。优化运 行是提高水电站经济效益的有效方法，因此。在小水电自动化系统中增加优化运行功能很有 必要。 2 0 0 3 年4 月2 8 日水利部颁发了农村水电技术现代化指导意见，要求“总装机5 m w 及 以上的水电厂，应采用全开放、分层分布式计算机监控系统；调速器，励磁装置和厂内油、 水、气、直流系统，闸门等设备的监测控制应采_ f f j 微机控制系统，计算机监控系统与设备控 制单元之阃的数据通讯可通过现场总线、串行通信或i 0 等方式进行：总线机5 m w 以卜的 水电厂，可采用集中与分散相结合的计算机监控系统。直流系统应和计算机监控系统通信。 调速器可采_ i j 微机调速器或油压操作器。厂内的油、水、气等设备的监测控制可采用简易的 继电器自动控制装置。“惭建水电厂都要按无人值班( 少人值守) 进行设计和建设。2 0 世纪 9 0 年代以前建设的水电厂，要按总体目标要求做出更新改造规划，在2 0 1 0 年前全部实现无 人值班( 少入值守) 。”该意晃的提出为今后一段时间小水电行业技术发展指明了方向， 表明小水电自动化技术具有更j “阔的发展天地( 彭兵，2 0 0 4 年) 。 1 2 4 水电站监控系统的发展趋势 随着计算机技术的发展水电站计算机监控技术同样也在迅速发展，新的系统结构、控 制装置、软件等不断涌现。使得水电站计算机监控技术主要朝着网络化、智能化、人性化、 软件组态化、控制无入化方向发展( 李生民，2 0 0 2 年) 。 ( 1 ) 网络化 i ) 数据共享。水电站计算机监控系统是由上位机、现地控制单元等计算机装置织成， 这些计算机均能独立运行，完成各自的控制功能，但要让这些计算机协调f ：作，充分挖掘出 计算机监控系统的潜能，就必须通过网络数据交换实现数据共享，更好地对籀个电站各个 设备进行协调控制，实现电站的优化运行。 2 ) 装置共享。水电站计算机监控系统采_ j 网络后，可以共享计算机硬件设备、装置， 以减少控制系统的设备投资，并维护工作量。 3 ) 调度自动化。要对水电站进行自动调度，除水电站内部计算机及装置组成网络外， 水电站计算机监控系统应与调度自动化系统网络连接，进行数据交换。通过网络通信，调度 计算机将调度命令送至计算机监控系统，水电站计算机监控系统将电站各设备运行参数、状 态传输到调度计算机，并按调度的命令进行调峰、调荷运行。网络化是实现水电站调度自动 化的必要前提。 ( 2 ) 智能化 水电站计算机监控系统智能化，主要体现在对监控系统的自动诊断，对运行人员进行操 作指导。对事故、故障处理进行的指导。 ( 3 ) 软件组态化 软件组态化也是水电站计算机监控系统的发展方向之一，是一种模块化的软r ：，它具有 实时数据库、动画显示、上r 线设置、状态设置、各种实时趋势图和历史趋势图、各种输入 输出接口等功能。 组态软件实际上是利用组态语言，通过控制算法构成的软件程序，而不需要_ 【 j 一条条语 句或者指令来编写程序。从本质上讲组态软件是一种可重用的软件，是将原有可重片j 的程序 整合成新的程序。事实上，组态软件就是为适应这种需要而开发的。对r 不同的应用对象， 只需要改变数据实体即可。从目前发展的情况看，组态软件在水电站监控系统中的使h 是必 然的。它的便捷性，实用性已得到水电站监控系统开发和应用人员的青睐。 ( 4 ) 控制无人化 现在工业发达国家，无论是大型水电站还是小型水电站，许多电站都在实行无人值守， 或称为一人操作电站，即只需一个值班员就可以进行电站的开停机控制、运行操作。控制无 人化的最大优点就是极大地减少了电站的运行人员。减少了电站的运行费用等。 1 3 本文主要研究内容 本课题是以黑龙江省延寿县加信水电站为研究对象，对小水电站闸j j 监控系统自动控制 功能进行研究与设计。本文的主要1 ：作有： ( 1 ) 进行闸门控制系统总体方案的制定： ( 2 ) 进行闸门控制系统的硬件设计和软件设计； ( 3 ) 进行闸门控制系统的上位机设计： ( 4 ) 选择闸i j 控制系统的控制算法： ( 5 ) 实验室进行模拟实验和调试。 6 2 系统总体方案设计 加信水电站位丁- 黑龙江省延寿县加信乡境内，引亮珠河水经i k m 引渠到水电站厂房发 电。在引水渠入口，有一进水闸门，现由入r ：控制。当系统发电时，厂房1 ：作人员根据进水 池水位通过电话与闸站处值班人员联系，闸站值班员根据指令，对闸fj 进行人一i ：手动调：转- 。 关于闸门的开度，工作人员只是凭借经验进行手动调节，通常都需要反复调节才能达到需要。 这种现状不仅工作强度大，工作效率不高，并且增加了人工费用，同时由于人：水闸的调话 使水电站的水位变化具有严重的滞后作用，对水电站的运行产生不利影响。本文在现有设施 基础上。对控制系统进行了改进，用计算机自动监控系统代替原闸门的人：1 ：控制系统。 2 1 闸门控制方式 在所有闸门控制装置中，闸门的操作要么采用机电方式，要么采用可编程控制器( p l c ) 式的电子控制方式。参考有关资料，先后出现在闸门升降控制领域的控制技术有：手动控制、 继电器接触器式控制、p l c 控制等。 2 1 1 手动控制模式 这种电动闸门控制方式非常简单，有的甚至仅靠一把闸刀加一个转换手柄控制。在实际 操作中，闸门的开启高度也多凭肉眼估计。这样，不但电机本身因未装任何保护装置容易受 到事故伤害，而且闸门开度也会因操作人员的不同而有较大误差，达不到期望。 2 1 2 机电控制闸门方式 机电控制方式的基本原理相似于手动控制，区别在于用机电设备来代替手动控制在准 确性上优于手动控制。如图2 1 所示。 闸门的开关利用按钮s b l s b 3 控制，控制按钮的种类有开闸按钮、关闸按钮、停l 运行 按钮。闸f j 的开启高度由行程开关s q o s q n 的常闭接点决定，行程开关按一定间隔布置，从 。剑闸门全开高度依次递增布置多个，操作时要求将闸门开( 关) 到多少，便把相麻高度的 小闸刀q s 开关投上，然后再按下开( 关) 闸按钮即可，在系统无故障的情况下。闸门将自 行开( 关) 到位。此外还有闸门j 二作情况指示灯，如停止运行指示灯e l l 、开闸运行指示灯 e l 2 、关阿运行指示灯e l 3 、闸门位置情况指示灯l e d o , 一l e d ，上述多个指示灯，分别指示 闸门开度和闸门运行情况，使值班人员一目了然，便于随时掌握情况，随时处理。 7 圈2 - 1 机电控制原理图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f e l e e t r o m e c h a n i c a lc o n t r o l 2 1 3p l c 闸门控制方式 改造的继电器逻辑控制方式，机组自动启动并切换到j r 作状态，以完成闸fj 操作。但若 把一个或几个类似的部件加进继电器逻辑电路中，则设备将因继电器数量多而变得复杂，同 时控制系统的整体可靠性将有所下降。此外，对闸fj 按顺序动作这样的简单控制形式，常常 优先考虑机电控制系统，因为它能欧期可靠地运行，而且查找故障用不着高技巧。但机电控 制系统- 日安装，相对来说就咧定不变了。 有些按顺序动作的闸门在提升或卜j 降过程后紧接着停顿一段时间，或者闸fj 的开度由预 定的水库水倚决定。这就是大家熟知的级联控制。对，丁这样的控制系统，应该可以修改启闭 时间和间歇周期，预定水位也可通过重新设置或调整水位传感器而改变。这神情况原有的机 电控制无法解决，就可引进p l c 控制来解决这一问题。 p l c 是一种基丁1 ：业电气控制特点而设计的白动化控制产品，以其功能强、接口方便、 编稃简单、模块化结构、体积小，特别是其自身的高可靠性和适应工业恶劣环境的能力，在 自动控制领域中得广泛应用。 ( 1 ) p l c 运行方式 p l c 逻辑控制一般位于现地控制级，可按控制曲线操作，也可将经验控制曲线编程预先 输入p l c ，存入相应的模块中。闸门控制系统就可按照某一控制曲线运行，p l c 控制系统能 在运行经验的基础上对程序加以修正，这样设计就可做到将以往事件的信息存贮起来，并相 应地修止未来的运行。 ( 2 ) p l c 控制在闸门升降中的功能 p l c 在自动控制系统中应具有的功能是根据闸门运动时对电气控制的要求及电动机操 作要达到的自动化程度来确定的，根据闸1 j 运行方式和电动机的控制程度。p l c 在自动控制 系统中应完成以卜任务：采集外部各设备的状态信号及模拟信号，如油泵、阀fj 位置、上f 游水位等信号；根据优化原理，控制阀门和油泵的启停；若外界出现故障，p l c 接通报警装 置等。 8 同时，p l c 是现场监控单元的主要部件，现场监控单元经光电隔离输入、模仆采集现场 传感信号、现场执行机构的各种状态信号及现场的操作盘闸门控制信号。控制部件根据上位 机传送过来的控制信号及闸门位置检测的信号，经控制逻辑处理，发出闸门的启闭信号并送 到执行机构执行，控制回路具有多极连锁保护。现场输入信号有上、卜- 限位信号输出信号 有卷扬机启闭信号。上位机采集现场各种信息，发出闸门启闭指令。传送到现场单元监控 件发出控制信号，达到闸门控制之目的。为保证系统运行的可靠性，要求有完善的保护措施。 如闸门上、下限位的行程开关连锁在控制回路中，以防越限，同时监控程序对闸门的 滞、 拒动均有判别和保护措施，适合电源波动较人的场合。 以上的常用闸f j 控制模式，在原理上都有各自的优点与特点，同时也存在不足：如继电 器接触器控制系统，只能完成简单的升降动作，操作过程中的实时性差，有时不能准确定 位，容易导致升降的错误操作；如果仍然沿用p l c 控制技术，意味着必须在程序中预先输入 相当多条水位( 过闸流链) 与闸门开度的关系曲线。这许多图片式得曲线将会占用存储器的 许多空间。 总的来说，以上各操作模式大多偏重丁对闸fj 简单的升降动作的控制研究，而在闸f j 的 准确定伉上研究较少。针对以上问题，所以论文研究力求建立一套操作方便、控制准确、精 度高的闸fj 开度控制系统。 2 2 整体方案设计 本文研究的闸门自动化监控系统采用了分层分布式结构，对进水闸fj 进行远程监控与现 场监控。闸i j 监控系统结构框图如图2 - 2 所示，它由以f 两部分组成： ( 1 ) 闸门监控中心 闸门监控中心由主计算机，人机接口设备和外甬设备组成。采用t 控机作为主计算机， 配有专用功能键盘和语音装置，实现对闸门的全面监控。闸门监控中心主要完成数据处理、 安全监视、远方控制以及自动化管理等功能，具体为： f ) 定期查询和收集现场监控单元上传的运行过程实时信息，生成现场实时数据库和历 史记录| 鍪f 表。 2 ) 实时更新c r t 显示的i ：况画面的参数；实时显示和闸i l j 相关的事件；有故障时，系 统通过电铃、语音、画面显示报警，给出事故处理指示。 3 ) 操作员可通过键盘和鼠标对闸门进行远方控制，即：闸门启闭控制；闸门预置开度 设定 4 ) 系统生成的运行日志、操作记录、运行状态等各种报表均可通过c r t 显示或打印出 来。 9 闸门监控中心( 计算机) 王 现场总线。，总线， j 水位传感器e j 闸门开度 i r v _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ - _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ 一 微处理器 图2 - 2 闸门监控系统结构框图 f i g 2 2f r a m eg r a p h i co f t h eg a t e sm o n i t o rs y s t e m ( 2 ) 现场控制单元 住加信小水电站现有状况基础上进行政造，将3 个水位传感器分别装设在进水闸门前、 后和压力前池处，除此之外闸fj 监控系统的现场控制单元的设备还有闸广j 开度微处理器等。 现场监控单元采刚现场总线技术。闸fj 开度微处理器具有数字计算和数字通信能力，所 以采用4 8 5 总线作为现场总线，将多个智能微处理器连接成网络系统，按规定的通信协议， 在位于砚场的职能微处理器与闸门监控中心之间实现数据传输与信息交换，在现场形成全分 布式自动控制系统。 现场监控单元可在现场通过闸门开度微处理系统和水位传感器完成预置闸门开度、报警 ( 开度上限、水位上下限) 值并显示闸门实际开度、报警状态和上、下游水位高度等功能。 2 3 微处理器的选择 闸| j 控制系统所处环境十分恶劣。特别是现场控制单元，环境潮湿，电磁干扰较人。冈 此，系统选用何种微控制器就显尤为重要。可供选择的测控装置有3 种：i ：业控制计算机( 简 称l ：控机) 、p l c ( 可编程序控制器) 和单片机。 ：丁= 控机的功能强大，有相当强的通信功能和人机接口功能在工业控制和测量中得到了 r 泛的应用，但是价格高，体积较大，便携能力差，故不能满足要求。 p l c 是在i ：业控制中广泛使_ l 的控制产品，它具有使用方便，体积适中，功能强大，可 靠性高等优点，但价格相对也很昂贵，并且体积不适州丁该产品，并且灵活性差因此也不 选用( 徐立中，1 9 9 6 ；李树雄。2 0 0 3 ) 。 单片机全称为单片微型计算机( s i n g l e - c h i p - m i c r oc o m p u t e r ) 。它在一个芯片上集成了 1 0 系统总体方案设计 c p u 、r o m 、r a m 、计数器，定时器、多个i o 接口，从而在一个芯片上构成了一台计算机， 具有集成度高，体积小，重量轻的特点。由其组成的微控制系统具有较少的外部引线，因而 有较强的抗干扰能力。同时，单片机具有很强的数据处理能力，体现在运算速度和运算精度 上，能够满足闸门控制的实时性和准确性要求。单片杌拥有丰富的外部信号处理资源。如果 能充分利用单片机本身具有的硬件资源，只需要加少量的辅助电路。就能够构成一个完整的 系统，应用灵活方便，硬件结构简单，性价比高，可靠性易于保证的全数字式控制系统。 自1 9 7 1 年美国i n t e l 公司研制出第一片单片机m c s - 4 以来，单片机技术在与其它科 学技术的融合中不断发展，已经成为一门应用厂泛的成熟技术，应_ h j 领域涉及j 业控制、通 讯，交通、消费电子产品、办公自动化等领域。 在我国，单片机的应用开发已走过二十个春秋。在各个 程应用领域，单片机席川都拥 有大批的l ：程技术人员他们巧妙地将单片机引入自己熟悉的工程技术领域，解决了许多技 术难题，使我国的单片机应用达到了一个新的水平。 综上所述，以单片机作为闸l j 监控系统的核心控制部件是必要而可行的。 2 4 闸门监控系统的功能 为了可靠完成闸门的启闭，其监控系统应具备以下功能： ( i ) 闸的升降定位 1 ) 闸门的正常静水启门和关闭闸门； 2 ) 根据上、下游水位及所要确定的。f 游水位或过闸流量确定闸门开度： 3 ) 根据开度数值，准确升降闸门。 ( 2 ) 闸f j 运行参数及状态信号的采集和处理 1 ) 水位数据的采集和处理：包括进水闸门闸前水位、闸厉水能，压力前池水傍数据的 采集和处理； 2 ) 闸门位移数据的采集和处理：包括闸门的运动状态是上升还是下降，闸门是否越限， 闸1 j 是否到位等； ( 3 ) 闸门监控系统的计算判断功能 闸门监控系统应对采集来的数据进行计算，并将结果和设定值进行比较，从而刿断闸fj 是否准确到位或出现故障及事故，做出相应处理，并上报中控室，向e f t 人员报警，同时作 历史纪录。 ( 4 ) 闸门监控系统的保护功能 当闸门出现以下情况时，控制系统应向上位机发出报警