控制设备核心技术研究在水电站检修工作中的应用

刘兆林

摘要:文章从水电站检修管理的角度分析了水电站中用到的控制设备核心技术研究的可行性,从实际应用的角度出发论述了研究的方法,便于有针对性地解决水电站生产、检修过程中出现的实际问题,从维护管理的角度找到了控制设备核心部分研究的关键,同时还修复了发变组后备保护装置,破解了监控组态软件程序修复难题,修复后装置试验结果符合要求,运行正常。

关键词:水电站;控制设备;核心技术;检修管理

中图分类号:TV734文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)22-0027-03

随着电力系统向着高度智能的方向高速发展,在一个系统中已经很难找出一台纯手动操作的设备了,这一切都归功于设备控制部分的高速发展。控制设备包括核心部分与执行操作部分,其核心部分是控制设备的神经中枢。核心技术是设备生产厂家的核心竞争力,一般来说对于用户与安装调试单位是保密的。

水电站内主要控制设备主要包括:自动化监控(DCS系统);水轮机、发电机运行状态监测(前置);调速器控制;励磁控制;电力自动化设备及继电保护装置等。相对于水电站管理单位来讲,对这些控制设备的核心技术大都感觉高深莫测,对设备的调试也仅限于“加入模拟正常运行的信号测量其输出是否准确”,并未对核心技术进行深入的研究,一旦出现故障,只有依赖于设备厂家进行处理。这样不仅增加了设备修理的时间,更增加了停工停产造成的巨大经济损失,甚至可能产生严重的安全隐患。本文从实际应用出发,论述了如何对控制设备的核心技术进行研究以便掌握具体的快速处理方法。

一、核心技术研究的主要意义

1.伴随着高端智能装置的发展,控制设备的市场竞争越来越激烈,控制设备厂家将投标策略逐渐转向低中标高售服。因其核心技术只掌握在生产厂家手中,所以设备损坏后返修服务价格不菲。据统计当前控制设备的维护、修理费用在电站的总维护费用中约占3成以上,研究核心技术可降低电站的维护、修理费用,大幅提高生产效率。

2.控制设备因其价格不菲,使用单位一般无备件,一旦损坏返厂维修会造成修理工期的拖延,直接影响到电站发电量。研究核心技术可以将修理工期降至极低。

3.研究核心技术在系统、设备改造中能发挥至关重要的作用,同时可以提升技术人员的技能水平。

二、核心技术研究的思路与方法

按照使用的核心器件不同可将控制设备分为三类:

1.以PLC做为核心器件的控制系统,通常作为重要的控制流程用,一般用于机组流程控制、调速器控制、励磁控制等,硬件回路相对简单,绝大部分厂家也会给出硬件的图纸。此类控制设备应将PLC软件作为研究重点。各不同型号的PLC其程序千差万别,加密形势多种多样,在设备采购时应确定各设备厂家所用PLC生产厂家与型号为统一指定型号,这样对于后续的研究会带来很多便利,PLC选型时应优先选用质量可靠,信誉度高的设备厂家。

2.以工业控制计算机为核心的设备,主要作为人机对话用,接收运行人员发出的指令,同时将采集到的数据在显示屏上显示。工控机的硬件设备基本等同于PC机,另外还增加了模拟量或开关量的采集电路。应用软件一般为计算机编程语言编写的组态软件,一般设计有序列号认证程序,初次安装或更换网卡、硬盘等硬件后需要生产厂家提供新的序列号,重新输入序列号方可再次使用。对于一般组态软件的加密程序,可以用IDA Pro等静态调试软件对主程序进行反汇编,去除其加密部分。

3.当前水电站多使用以单片微型计算机(简称单片机)、FPGA(现场可编程门阵列)或DSP(数字信号处理器)为核心的嵌入式系统。此系统技术比较成熟,复杂程度也最高。首先可以根据设备的PCB(Printed circuit board印刷电路板)绘制出电路原理图,分析硬件的各芯片、元器件功能,根据嵌入式系统工作原理与硬件来研究软件。

三、研究实例

(一)剪断销信号装置

由某技术开发公司生产的剪断销信号装置,作为水轮机导叶重要的监控设备,其主要功能是在水轮机运转时导叶若不能正常开启、关闭时报警,24路开关量输入,1路报警输出。在设备运行过程中发现剪断销动作后无报警输出。根据设备的电路板与外部接线用Protel Dxp 2004绘制出电路原理图,其原理框图如图1所示:

1.该装置包含的器件及功能:AT89S52:MCS-51单片机,内置8K字节flashROM(程序存储器),256字节RAM(数据存储器),做为剪断销信号装置的核心控制器件。

TLP521-4:4路光电耦合器,对输入信号进行隔离。

PCF8574P:Remote 8-bit I/O expander for I2C-bus,基于I2C总线的8位远程I/O扩展口芯片。I2C总线是一种标准的串行扩展总线,由时钟线SCL与数据线SDA组成。

J1:输出继电器。

M12864:LCD显示屏,128*64像素。

X485:485通讯芯片,TTL电平转换485电平。

2.工作原理:本装置有24路开关量输入经过6片TLP521-4光耦隔离,将信号输入到PCF8574P,本装置共有3片PCF8574P,每片可输入8路开关量,经I2C总线的SDA(Serial Data Line串行数据线)与SCL(Serial Clock Line 串行时钟线)接入AT89S52的P1.5、P1.6口。AT89S52储存着厂家编写的控制程序,依次读取24路输入信号,如果输入开关量动作,则对输入信号判断后输出驱动J1远程报警,运行人员根据液晶显示屏M12864的显示确定哪一路出现故障,同时输出驱动U3(X485)与上位机进行通讯。

3.故障分析:AT89S52的P2.0口驱动输出继电器,因此判断故障的原因可能是P2.0口损坏。用TOP2005(单片机读写装置)检测后确认是AT89S52的P2.0口损坏。故障修复的方法是更换AT89S52芯片,重新编制程序。

4.程序设计:剪断销信号装置采用AT89S52作为设备的核心器件,存储着对剪断销信号的读取判断程序、输出显示程序、输出驱动程序等,AT89S52作为8位单片机,不含I2C驱动,需要在程序中实现与PCF8574P接口程序,即I2C总线程序。

重新设计的程序分为3部分:主程序、16路信号巡检子程序、LCD显示子程序。采用单片机汇编语言编写。

(1)主程序见图2:主程序实现将16路信号实时循环读入AT89S52中,如正常运行无报警,显示主画面;一旦检测到有报警,LCD显示‘报警,报警灯闪烁,输出继电器动作;按钮S按下进入报警查询画面,LCD上显示16路信号,有报警的回路显示黑点;S1按键按下软件复位。另外主程序中还增加了防抖动功能,输入信号如果不断抖动,则判断为有报警输入,会一直输出报警,此功能用来保护输出继电器,防止继电器高速抖动。

(2)16路信号巡检子程序:巡检指的是通过I2C总线将输入的16路开关量的位置读入AT89S52。

(3)LCD显示子程序是将16路信号巡检检测到的内容在LCD上显示。显示程序包括主画面显示、报警显示、报警查询三个画面。

(4)因为电站无485通讯要求,本次设计省去了485通讯模块,提高了AT89S52的效率。

总结:首先分析清楚硬件电路,明确各部件功能、各器件的作用,然后根据硬件用Protel等电子绘图软件绘制出电子电路图,确定损坏的器件。如果损坏的期间需要进行程序输入,则首先绘制软件流程图,将软件要实现的功能用流程图表示出来,用汇编语言编制软件,也可以用C51等高级语言进行软件编制。最后用读写器将程序输入芯片中,本文用到的读写器是TOP2005,修复后装置运行至今良好无异常。因为硬件装置是经过运行考验的,其设计是可靠的,因此在研究过程中,我们只需要做到:分析各芯片作用,确定损坏的部件,确定是否需要编制程序,最后进行程序编制。这种修复一般不需要进行反复调试,除首次检修需要花费部分时间进行电子电路图绘制、流程编写外,其后的检修可一劳永逸。

(二)励磁调节器

本水电站励磁方式采用机端自并励微机励磁,励磁调节器采用双微机自动切换,励磁调节器核心器件是单片机+大规模可编程逻辑器件CPLD,由某自动化设备厂生产。电站#2水轮发电机组在运行过程中,无功功率调节、电压调节出现紊乱,严重的一次造成了机组事故停机。通过一步步排除,确定问题来自励磁调节器,根据励磁调节器电路板,用Protel Dxp 2004绘制出电路原理图,其原理框图如图3所示:

1.器件介绍:

MAX7128S:大规模可编程逻辑器件PLD,软件的编程方法与PLC类似;

80C196:16位单片机,内部无程序存储器,需要外接程序存储器;

AT29C010A:128K字节E2PROM,即电可擦除只读程序存储器;

62256:数据存储器RAM,掉电不保存,类似于PC中的内存;

8051:8位单片机,实现人机对话,输入按键指令,输出至LCD显示,485通讯。

根据原理图分析:调节紊乱是软件的原因造成,可判断硬件正常。可以进行编程的器件有MAX7128S与AT29C010A,前者只是实现逻辑电平的转换与逻辑运算,实现励磁调节功能的程序存储在AT29C010A中。造成调节过程出现紊乱的原因是由于在带电过程中窜入了高频干扰信号,改变了E2PROM中的程序内容。

通常情况下高频干扰致使程序紊乱,可使用看门狗程序自动复位;严重的情况下,断电复位可使程序恢复到初始状态;极度严重情况会改变E2PROM中的程序内容。E2PROM是不带MCU(Micro Controller Unit 微控制单元)的程序存储器,无法对程序进行加密,用程序读写器可直接读出程序的机器代码。用TOP2005从#1机组励磁调节器的AT89S52中读出程序的机器代码,写入#2机组调节器E2PROM芯片中,投入运行后工作正常。

2.总结:励磁装置的核心技术无疑就是励磁调节器,该自动化设备厂生产的调节器采用了嵌入式开发技术,整体设计层次分明,各功能区域划分明确。主调节程序存于E2PROM中给我们创造了可以自动修复的条件,如果MCU与程序存储器在一个芯片内,生产厂家会对程序进行加密,这样就增加了修复的难度。修复故障后,励磁装置静态、动态试验均符合要求,运行至今,工作正常。

四、结语

作者所在的水电站控制设备维护工作量大且费用高,在以往检修维护管理中,一旦设备出现故障或需要技改则必须依赖于设备厂家,通过对控制设备的深入研究,从维护管理的角度找到了控制设备核心部分研究的关键。同时还修复了发变组后备保护装置,破解了监控组态软件程序修复难题,修复后装置试验结果符合要求,运行正常。

参考文献

[1]何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京航空航天大学出版社,2001.

[2]王幸之,等.单片机应用系统抗干扰技术[M].北京:航空航天大学出版社,2000.

[3]段钢.加密与解密[M].电子工业出版社,2008.

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