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电器电子毕业设计论文
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毕业设计196小型水电站计算机监控系统,电器电子毕业设计论文
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攀枝花学院毕业设计（论文） 小型水电站计算机监控系统 学生 姓名： 学生学号： 200320520047 院（系）： 电气信息工程学院 年级专业： 03级应用电子技术 (2)班 指导教师： 助理指导教师： 二六年六月nts攀枝花学院 本 科毕业设计（论文） 摘要 I 摘 要 本课题分析了国内外小型水电站计算机监控系统的发展状况，特别是国内小型水电站的监控系统的现状，针对国内小水电的特点，研制开发了一种新型的小型水电站监控系统。该系统应用相对独立的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。系统由下位机监控装置和上位 PC 机嵌入式系统可视化编程软件构成。下位机监控装置采用分布式结构的模块化设计，以 Motorola 的16 位 Flash 型 MCU 作为处理器，结合必要的外部电路实现装置的模拟量输入功能、测量功能、开关量输入功能、控制输出功能 、就地设置和显示功能以及通讯功能等。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 Visual Basic 6.0 结合大型商用数据库 SQLServer 7.0 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 RS232 通讯接口或者 USB通讯接口将控制程序下载到下位机装置的FLASH页中，下位机装置则按照下发的程序流程执行相应的测量、检测和控制功能，可重复擦写的 FLASH 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 置的一机多用。根据三背河水电站提供的开机、关机操作票和日常监测流程内容进行系统功能的验证，经实验证明该系统能达到预期的效果。 关键 监控系统，模块化设计，嵌入式系统 nts攀枝花学院专科毕业设计（论文） ABSTRACT II ABSTRACT This paper analyzes the development of the computer supervisory & control system which is used in small hydropower stations on abroad and at home. Based on the status quo of the small hydropower station at home, a new supervisory & control system is developed for small hydropower station. Device and software are included. Device acts as a unit for a generator set and software provides friendly interface to monitor and control assistant devices. Device is distributed designed and made up of microprocessor and periphery electro-circuits. Motorola HC12 MCU acts as Core and analog measure module, switch status monitor module, relay control module, LCD display module and communication module are included in periphery electro-circuits. Software is developed by Visual Basic 6.0 and database is developed by SQL Server 7.0. With the software, device can operate with the procedure step by step which is solidified by communication between PC and device. USB and RS232 communication interfaces are available in device which makes communication easy. The computer supervisory & control system is tested by Sanbeihe hydropower station handbook and achieves good result. Keywords supervisory & control system, module design, embedded systemnts攀枝花学院专科毕业设计（论文） 目 录 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 引 言 . 1 1 绪 论 . 2 1.1小型水电站监控系统研究的意义 . 2 1.2水电站计算机控制 现状及发展 . 3 1.2.1 水电站计算机控制技术的发展 . 3 1.2.2 水电站计算机监控技术的现状 . 3 1.3本课题的研究内容 . 5 2 水电站计算机监控的典型结构及发展趋势 . 6 2.1水电站计算机监控系统的组成 . 6 2. 2典型的水电站计算机控制结构形式 . 6 2.3水电站监控系统的发展趋势 . 7 3 系统的总体电路结构与分析 . 9 3 1硬件电路的总体设计 . 9 3.1.1 总体电路构成 . 9 3.1. 2 主要芯片选择 . 10 3.2关键器件的连接 . 12 3.2.1 CPU 与 X25043 的连接 . 12 3.2.2 CPU 与 PSD 芯片之间电路的设计 . 13 3.3 CPU及其外围电路的设计 . 14 3.3.1 测量用的数据采集及 A/D 转换 . 14 3.3.2 数据通讯方式 . 14 3.3.3 数据存储器的选择 . 14 3.3.4 数据显示方式 . 15 3.3.5 复位电路 . 15 3.3.6 系统的工作电源 . 15 4 水电站计算机监控系统软件设计 . 16 4.1系统软件的总体设计说明 . 16 4. 2主监控装置的软件设计 . 16 4.2.1 主监控装置的主程序 . 16 4.2.2 软件定时处理程序 . 17 4.3副监控装置软件程序设计 . 18 4.3.1 副监控装置的主程序 . 18 4.3.2 通讯程序 . 19 nts攀枝花学院专科毕业设计（论文） 目 录 5 机组现地控制单元的设计与研究 . 20 5.1概述 . 20 5. 2机组自动程序控制的要求 . 20 5.2.1 机组的工作状态 . 20 5.3机组控制单元的 PLC实现 . 21 5.3.1 PLC 实现机组控制单元的硬件设计 . 22 5.3.2 PLC 机组控制单元的软件设计 . 24 5. 4机组控制程序的特殊功能实现 . 28 5.4.1 机组故障闪光报警程序的设计 . 28 5.4.2 机组快速闸门控制程序的设计 . 29 6 水轮机调速器的模糊控制 . 31 6.1概 述 . 31 6.1.1 常规 PID 调节规律 . 31 6.1.2 模糊控制 . 31 6. 2水轮机调节系统数学模型 . 32 6. 3水轮机模糊 PID 控制系统 . 34 6.3.1 模糊控制系统的组成 . 34 6.3.2 模糊参数自适应 PID 控制系统 . 35 6. 4仿真结果及分析 . 36 6. 4. 1 水轮机调速器的仿真 . 36 6.4.2 控制性能仿真比较 . 36 6.4.3 鲁棒性仿真试验 . 37 结 论 . 38 参 考 文 献 . 39 致 谢 . 40 nts攀枝花学院专科毕业设计（论文） 引 言 1 引 言 我国小水电资源非常丰富，全国近 1 2 的地域、 1 3 的县和 1 4 的人口主要靠中小水电供电。但多数小水电站沿袭几十年来的一贯模式，采用常规设备与技术，自动化程度低下，元器件繁多，体积庞大，操作复杂，维护困难，发挥不了应有的生产效益。特别是农村小型水电站 (AC400V、 630kW及以下低压机组 )为降低造价，水 轮机操作器和发电机励磁设备十分简易，自动化程度相当低，运行成本高。随着新技术、新材料、新工艺在传统小水电站的应用，特别是自动化技术在小水电站的推广应用，发现原有的水轮发电机组配套的操作器、励磁设备存在与自动控制不匹配的问题，如果采用微机型的调速器和励磁系统，往往价格很高，不适合在农村小水电站中推广。本着“经济实用、安全可靠”的原则，不断设计、改进、完善小水电站新型配套设备，包括： TC 型 (弹簧蓄能型 )水轮机操作器、 HU 液压控制柜 (氮气罐储能 )和新型防雷与抗干扰装置，这些新型设备与电站自动化系统配套使用，可以降 低系统造价，提高系统的可靠性，更好地发挥自动控制性能，特别适用于经济与技术相对落后广大农村小水电站。 计算机监控技术是水电站综合自动化技术的基础，它的发展和应用，对提高水电站的自动化水平起到了关键性的作用。由于该技术的实施需要一定的技术和资金的支持，目前大中型水电站已普遍采用了该项技术，而小型水电站对该项技术的应用则刚刚起步。 有关水电站综合自动化的研究成果，据查阅的 57 篇论文中，涉及到小型水电站的仅有 5篇。而我国是水力资源比较丰富的国家，其中小型水电站的装机容量占到水电站总装机容量的 50%以上。因此 如何针对小型水电站的特点，研究开发合适的，既经济又实用的计算机监控系统，从而提高电能质量、降低成本，是一项具有现实意义的课题。nts攀枝花 学院专科毕业设计（论文） 1 绪论 2 1 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 8700 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 28.6% ,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。“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年或稍长一点时间，使 5096 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 2O10 年前全部实现无人值班 (少人值守 )。 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。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己经是发展的必然趋势阁。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己经并网发电，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 PLC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nts攀枝花 学院专科毕业设计（论文） 1 绪论 3 新型水电站系统，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 高自动化水平，实现无人值班有重大的意义。 1.2 水电站计算机控制现状及发展 水电站计算机监控系统是水电站综合自动化系统的基础，是采用计算机技术、微机保护技术以及通信技术，对电站进行保护、测量、监控、报警和数据远方交换的综合性自动化系统。水电站计算机监控系统的基础，首先是设备控制自动化， 然后是监控和计算机监控系统。控制自动化包括常规自动化控制和计算机控制，监控包括继电器监控和计算机监控。 1.2.1 水电站计算机控制技术的发展 水电站自动化技术是从 20 世纪初才发展起来的，此前的水电站控制是采用人工手动操作的方式来控制的。到四十年代，几乎所有水电站都采用了主机和控制一体化的直接控制方式；五十年代引入了远方控制技术，可以从远处对主机进行监测、控制、保护；六十年代，由于采用了半导体技术，控制回路向电子化、小型化、无触点化方向发展。美国首先将计算机应用到水电站，实现了水电站中控室的集中监控；七十年代 后期，集散型监控系统 (DCS)开始出台。从八十年代中期开始，计算机技术的发展突飞猛进，以计算机技术、控制技术、通讯技术为核心的“ 3C”技术已经成为水电站监控系统的主要特征；进入九十年代，随着计算机和网络技术的发展，计算机监控系统开始向开放式分布系统迈进； 21世纪，随着因特网技术的发展与成熟，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、报表的自动生成与打印等基本功能，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，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，是现代水电站所追求的目标。 1.2.2 水电站计算机监控技术的现状 随着计算机技术的发展，计算机的性能日趋完善而价格日益下降，计算机已深入到水电站自动化的各个领域。首先主要用于监视电台工况和各种离线计算，后来逐渐发展，进入电站的控制领域，从顺序控制到闭环调节控制，所实现的功能越来越复杂。计算机不仅能监视全水电站的运行，而且还可以构成控制调节装置 (这里的计算机主要是微处理机 )来取代常规的用布线逻辑电路构成的机组基本控制装置，如调速器、励磁装置、同期并列装置等。近年来，计算机在水电站上的应用已超越了电能 生产的范围，在水情测报、水工建筑的监测等方面也出现了计算机监控系统。因此可见水电站的计算机监控将不容置疑地成为水电站自动nts攀枝花 学院专科毕业设计（论文） 1 绪论 4 化发展的主要方向。 国外发展概况 发达国家己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。 法国电力系统运行的水力发电设施约有 500 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 50%的发电设施发电量不足 5000KW，并 且无人操作。早在 1988 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“ TELLEX”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，国外产品的板面按键操作比较复杂，需要工作人员的操作水平较高，这与我国现场操作人员素质较低的现状不适应。加之国外产品昂贵的价格，所以难于适应我国的水电系统。 国内发展概况 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 (己经 取得了明显的经济效益，现在己经进入成熟发展阶段 )。已有 20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90 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、变压器后备保护、发电机保护、微机自动准同期等基础自动化装置，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工程的更新改造。 湖南华方电力科技有限公司生产的 FS300 系列水电站综合自动化装置包括 :FS313机组综合测量单元 (完成机组电气量及温度量的测量 )； FS310 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，各种事件记录等大量信息上报给上位机。接收并执行上位机的各种指令 )； FS312 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。 我国对水电站自动监控装置的研制起步比较晚，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装置。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nts攀枝花 学院专科毕业设计（论文） 1 绪论 5 甸等电站己经实现了“无人值班” (少人值守 )。 目前，国内外研制和开发的水电站自动监控装置己经有许多了，但是，它们大多数是面对大、中型水电站或新建设的中、小型水电站而设计的，功能虽然完全，却大多采用新的辅助机械，复杂而又昂贵，而且采用集中机柜式的接线方式。对于那些较早建造的老水电站，尤其是 位于偏远、贫困地区里的小水电站，由于值班人员素质低下、经济困难，无法承担和应用。 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 PC机嵌入式系统可视化编程软件构成。 本文通过对小型水电站自动化及计算机监控系统的发展进行了分析和概述，在此基础上设计出了具有较高性价比的某小型水电站计算机监控系统的设计方案 ，实现了水轮发电机组的自动程序控制、上下位机的数据交换和水电站报表的管理。同时在对水轮机调速器的设计进行分析研究的基础上，提出了采用模糊自适应 PTD的控制算法的思路，并结合水轮机的数学模型进行仿真研究，仿真结果达到了预计的效果，为设计新型的智能调速器打下良好的基础。本课题对水轮发电机组计算机控制作硬件设计与算法设计，对机组微机保护、监控，主要完成以下工作 : 硬件部分，具有机组保护、监控和通信等主要功能的电路图设计、 绘制。主要完成水轮发电机组现场控制单元。 对水轮发电机组进行模 糊 PID算法设计。 对单片机、工控机内实现主要功能的程序进行编制。受到条件的限制，本课题目前没有应用到实际工程中，为说明水轮发电机组模糊 PID 算法的控制品质，取某电站水轮发电机组的参数，采用 MATLAB 语言在不同工况下仿真，并与常规 PID控制作性能比较。 nts攀枝花学院专科毕业设计（论文） 2 水电站计算机监控的典型结构及发展趋势 6 2 水电站计算机监控的典型结构及发展趋势 2.1 水电站计算机监控系统的组成 水电站计算机监控系统组成形式有很多种，但基本上可以从以下两个方面来分类 : 从计算机在水电站中所起的作用及常规设备的配置程度来看，水电站以计算机为基础的监控系统可 分为三种 : 以常规自动化装置为基础计算机为辅助的监控系统 (CASC) 计算机和常规自动化装置双重化配置的监控系统 (CCSC) 以计算机为基础的监控系统 (CBSC ) 。 从监控系统的模式来划分，计算机监控系统可分为四种 : 集中监控系统； 按功能分散的分布式系统； 按被控对象分散的分布式系统； 全分布式系统。 2. 2 典型的水电站计算机控制结构形式 典型的控制系统一般由测控系统和过程对象两大部分组成。测控系统中的工业控制计算机是按照工业生产过程控制的特点和要求而设计的计算机。它包括硬件和软件两部分，其硬件由主机、外部设备、通讯设备等组成；软件分为系统软件和应用软件两部分。除工业控制机外，测控系统中还有过程输入输出设备、过程参数测量变送器件、执行机构等装置。计算机控制系统的形式与它所控制的过程对象的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的控制要求，应选择不同的控制系统。计算机 控制系统大体可以分为以下几种典型形式。 操作指导型控制系统。在该控制系统中，计算机小直接参与控制，而是通过对过程运行参数数据的采集和处理为操作人员提供反映生产过程工况的各种数据，并根据一定的控制算法给出操作指导信息。操作人员根据计算机的输出信息 (如 CRT 显示图形或打印机的输出等 )去改变调节装置的设定值或直接操作执行机构而完成改变、调整过程运行状态的控制任务。 直接数字控制系统（ Direct Digital Control,简称 DDC）该系统中计 算nts攀枝花学院专科毕业设计（论文） 2 水电站计算机监控的典型结构及发展趋势 7 机首先通过模拟量输入输出通道 (AI)和开关量输入通道 (DI)实时采集过程运行数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后将控制输出通过模拟量输出通道(AO)和开关量输出通道 (DO)直接作用于过程对象。 DDC控制属闭环控制系统，是计算机在工业控制过程中较普遍的一种应用方式。 监督控制系统 (Supervisory Computer Control, SCC)。该系统通常采用两级计算机，其中 DDC级计算机 (称为第一级 )直接与过程对象相连，并直接承担控制任务； SCC级计算机 (称为第 一级 )则根据反映过程对象工况的数据和数学模型，通过一定的计算给 DDC级计算机提供各种控制信息，比如最佳的被控参数希望值等。 集散控制系统 (Distributed Control System，简称 DCS ) 。 DCS系统采用分散控制、集中调度、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从下到上分为设备级、分散过程控制级、集中调度监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制，具有较高的可靠性和可维护性。 现场总线控制系统 (Field bus Control System，简称 FCS ) 。 FCS系统是继集散控制系统之后出现的新一代分布式控制系统，它是一种全数字化、全分散式、可互操作和开放式互联网络控制系统，是当前正在蓬勃发展的控制系统，它的结构模式为工作站和现场总线智能仪表两层结构。目前，在计算机控制技术中，应用最为广泛的是集散控制系统和现场总线控制系统。 2.3 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、控制无人化方向发展。 a.网络化 (1)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组成，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工作，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，更好地对整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用网络后，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，和维护工作量。 (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nts攀枝花学院专科毕业设计（论文） 2 水电站计算机监控的典型结构及发展趋势 8 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。 b.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。 c.软件组态化 软件组态化是水电站计算机监控系统的发展方向之一，是一种模块化的软件，它 具有实时数据库、动画显示、上下限设置、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，通过控制算法构成件程序，而不需要用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，是将原有可重用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。对于不同的应用对象，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用是必然的，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。 d.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。 nts攀枝花学院专科毕业设计（论文） 3 系统的总体电路结构与分析 9 3 系统的总体电路结构与分析 3 1 硬件电路的总体设计 随着对水电站保护、控制、测量、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，水电站智能监控仪表将逐步实现高集成度、全功能化。 3.1.1 总体电路构成 在本课题中考虑到系统的复杂性，将监控装置分为主、副监 控装置，均以INTEL196KC 单片机为核心，配以一些适当的外围电路来完成各种功能，主要模块有 :A/D 转换、按键、开入量检测、控制输出、通讯、看门狗电路、数据存储单元、显示、时钟等。根据数据处理和合理分配硬件资源的要求，两个监控装置的分工如下 : (1)主监控装置将主要完成交、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 (FFT )、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。 (2)副监控装置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、通讯、显示、按键处理等功能。 主监控装置硬件电路的结构参看图 3. 1 硬件电路框图。 副监控装置硬件电路的结构参看图 3. 2硬件电路框图。 nts攀枝花学院专科毕业设计（论文） 3 系统的总体电路结构与分析 10 图 3.1主监控装置硬件电路框图 图 3.2 副监控装置硬件电路框图 3.1. 2 主要芯片选择 1、 CPU的选择 出于实用性稳定和开发周期短的原因，在本装置中采用的 CPU芯片为 80C196,它是高性能的 CHMOSI6 位单片机， CHMOS 芯片耗电少，它除了 8096BH 已包含的外设 (时钟发生器、 I/0 口、 A/D转换器卜、 PWM、串行口、定时 /计数器、监视定时器、高速输入 /输出器等 )外，被嵌入的外设还主要有 :外设事物服务器 PTS、事件处理器阵列 EPA、使用灵活的 A/D转换器、波形发生器等等。 80C196 的状态周期由振荡器信号 2 分频后获得，而 8096 的状态周期是振荡周期的 3 倍，因此采用相同频率的晶振工作时， 80C196的操作速度至少比 8096高 1/3。 80C196的速度比 8096 高的另一个因素是，前者的大部分指令执行状态周期数比后者少。这就能够从硬件上缩短快速傅立叶变换的运算时间，加 快电量测量的实时性。 2、 PSD芯片的应用 如果采用以往的设计方法，要应用大量的单片机外围芯片与 CPU 配合，会使电路结构复杂、布线繁琐。为此本装置中应用了 WSI公司的可编程单片机外围芯片 PSD913F2，省去了通常在单片机外加的一些程序存储器、 SRAM、地址锁存器、PLD和 I/O口等外围器件。 PSD913F2 可编程微控制器 (MCU)外围器件的闪速 (FLASH)存储器和可编程逻辑具有在系统可编程特性 (IN-SYSTEM-PROGRAMMABILITY,ISP),这有助于实现嵌入式设计的简单而灵活的设计解决方 案。芯片主要功能模块包括 :1 兆位的主闪nts攀枝花学院专科毕业设计（论文） 3 系统的总体电路结构与分析 11 速存储器、 256K位的次闪速存储器、超过 3000 门的闪速可编程逻辑、 SRAM、可配置的 I/0端口以及可编程的电源逻辑管理。同时， PSD913F2还包括 JTAG串行编程接口。它允许在系统编程整个器件。此特性减少了开发时间，简化了制造流程，并大大降低了现场升级的费用。 PSD 芯片的突出优点是 :减少模板空间、降低功耗和成本、简化模板设计。由于印刷电路板上要求较少的布线，而且 PSD器件比分立元件设计的适应性更强，所以降低了设计风险。同时，具有 10 万次的擦除 /写入和 10 年的数据保存 期。 3、传感器的选择 传感器是实现测量和控制的首要环节，是测量系统的关键部件，如果没有传感器对原始信号进行准确可靠的采样和转换，那么一切的测量和控制都将是不可靠的。因此要求所选传感器有高的准确度和灵敏度，以保证仪表的测量和控制的可信度。由于本装置用于发电机组出口端子上各种电气参数的测量，提供测量用的 PT、 CT二次侧电压为 75V、电流为 5A。可是 A/D转换芯片的模拟量输入要求电压为 -10v +10v 标准电压，所以需要传感器将 75V 电压和 5A 电流变换到-10v +10v 内。并且在工程实践中，为了防止各类干扰 (强电或强电磁 )、电网电压对测量回路的损害，不影响系统的正常运行，需要根据具体情况，对系统中的信号输入通道采用必要的隔离，以保证系统的可靠运行。因此，本装置要选用带有电量隔离的传感器，以保证模拟量高压侧与低压侧彼此隔离，使之输入和输出之间没有直接连接，采用隔离型电量传感器具有以下特点 : 能保护系统元件不
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