控制設(shè)備核心技術(shù)研究在水電站檢修工作中的應(yīng)用

劉兆林

摘要:文章從水電站檢修管理的角度分析了水電站中用到的控制設(shè)備核心技術(shù)研究的可行性,從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)論述了研究的方法,便于有針對(duì)性地解決水電站生產(chǎn)、檢修過(guò)程中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題,從維護(hù)管理的角度找到了控制設(shè)備核心部分研究的關(guān)鍵,同時(shí)還修復(fù)了發(fā)變組后備保護(hù)裝置,破解了監(jiān)控組態(tài)軟件程序修復(fù)難題,修復(fù)后裝置試驗(yàn)結(jié)果符合要求,運(yùn)行正常。

關(guān)鍵詞:水電站;控制設(shè)備;核心技術(shù);檢修管理

中圖分類號(hào):TV734文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)22-0027-03

隨著電力系統(tǒng)向著高度智能的方向高速發(fā)展,在一個(gè)系統(tǒng)中已經(jīng)很難找出一臺(tái)純手動(dòng)操作的設(shè)備了,這一切都?xì)w功于設(shè)備控制部分的高速發(fā)展?？刂圃O(shè)備包括核心部分與執(zhí)行操作部分,其核心部分是控制設(shè)備的神經(jīng)中樞。核心技術(shù)是設(shè)備生產(chǎn)廠家的核心競(jìng)爭(zhēng)力,一般來(lái)說(shuō)對(duì)于用戶與安裝調(diào)試單位是保密的。

水電站內(nèi)主要控制設(shè)備主要包括:自動(dòng)化監(jiān)控(DCS系統(tǒng));水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)(前置);調(diào)速器控制;勵(lì)磁控制;電力自動(dòng)化設(shè)備及繼電保護(hù)裝置等。相對(duì)于水電站管理單位來(lái)講,對(duì)這些控制設(shè)備的核心技術(shù)大都感覺(jué)高深莫測(cè),對(duì)設(shè)備的調(diào)試也僅限于“加入模擬正常運(yùn)行的信號(hào)測(cè)量其輸出是否準(zhǔn)確”,并未對(duì)核心技術(shù)進(jìn)行深入的研究,一旦出現(xiàn)故障,只有依賴于設(shè)備廠家進(jìn)行處理。這樣不僅增加了設(shè)備修理的時(shí)間,更增加了停工停產(chǎn)造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失,甚至可能產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),論述了如何對(duì)控制設(shè)備的核心技術(shù)進(jìn)行研究以便掌握具體的快速處理方法。

一、核心技術(shù)研究的主要意義

1.伴隨著高端智能裝置的發(fā)展,控制設(shè)備的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈,控制設(shè)備廠家將投標(biāo)策略逐漸轉(zhuǎn)向低中標(biāo)高售服。因其核心技術(shù)只掌握在生產(chǎn)廠家手中,所以設(shè)備損壞后返修服務(wù)價(jià)格不菲。據(jù)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前控制設(shè)備的維護(hù)、修理費(fèi)用在電站的總維護(hù)費(fèi)用中約占3成以上,研究核心技術(shù)可降低電站的維護(hù)、修理費(fèi)用,大幅提高生產(chǎn)效率。

2.控制設(shè)備因其價(jià)格不菲,使用單位一般無(wú)備件,一旦損壞返廠維修會(huì)造成修理工期的拖延,直接影響到電站發(fā)電量。研究核心技術(shù)可以將修理工期降至極低。

3.研究核心技術(shù)在系統(tǒng)、設(shè)備改造中能發(fā)揮至關(guān)重要的作用,同時(shí)可以提升技術(shù)人員的技能水平。

二、核心技術(shù)研究的思路與方法

按照使用的核心器件不同可將控制設(shè)備分為三類:

1.以PLC做為核心器件的控制系統(tǒng),通常作為重要的控制流程用,一般用于機(jī)組流程控制、調(diào)速器控制、勵(lì)磁控制等,硬件回路相對(duì)簡(jiǎn)單,絕大部分廠家也會(huì)給出硬件的圖紙。此類控制設(shè)備應(yīng)將PLC軟件作為研究重點(diǎn)。各不同型號(hào)的PLC其程序千差萬(wàn)別,加密形勢(shì)多種多樣,在設(shè)備采購(gòu)時(shí)應(yīng)確定各設(shè)備廠家所用PLC生產(chǎn)廠家與型號(hào)為統(tǒng)一指定型號(hào),這樣對(duì)于后續(xù)的研究會(huì)帶來(lái)很多便利,PLC選型時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用質(zhì)量可靠,信譽(yù)度高的設(shè)備廠家。

2.以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心的設(shè)備,主要作為人機(jī)對(duì)話用,接收運(yùn)行人員發(fā)出的指令,同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)在顯示屏上顯示。工控機(jī)的硬件設(shè)備基本等同于PC機(jī),另外還增加了模擬量或開(kāi)關(guān)量的采集電路。應(yīng)用軟件一般為計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言編寫(xiě)的組態(tài)軟件,一般設(shè)計(jì)有序列號(hào)認(rèn)證程序,初次安裝或更換網(wǎng)卡、硬盤(pán)等硬件后需要生產(chǎn)廠家提供新的序列號(hào),重新輸入序列號(hào)方可再次使用。對(duì)于一般組態(tài)軟件的加密程序,可以用IDA Pro等靜態(tài)調(diào)試軟件對(duì)主程序進(jìn)行反匯編,去除其加密部分。

3.當(dāng)前水電站多使用以單片微型計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱單片機(jī))、FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)或DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)為核心的嵌入式系統(tǒng)。此系統(tǒng)技術(shù)比較成熟,復(fù)雜程度也最高。首先可以根據(jù)設(shè)備的PCB(Printed circuit board印刷電路板)繪制出電路原理圖,分析硬件的各芯片、元器件功能,根據(jù)嵌入式系統(tǒng)工作原理與硬件來(lái)研究軟件。

三、研究實(shí)例

(一)剪斷銷(xiāo)信號(hào)裝置

由某技術(shù)開(kāi)發(fā)公司生產(chǎn)的剪斷銷(xiāo)信號(hào)裝置,作為水輪機(jī)導(dǎo)葉重要的監(jiān)控設(shè)備,其主要功能是在水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)葉若不能正常開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)報(bào)警,24路開(kāi)關(guān)量輸入,1路報(bào)警輸出。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)剪斷銷(xiāo)動(dòng)作后無(wú)報(bào)警輸出。根據(jù)設(shè)備的電路板與外部接線用Protel Dxp 2004繪制出電路原理圖,其原理框圖如圖1所示:

1.該裝置包含的器件及功能:AT89S52:MCS-51單片機(jī),內(nèi)置8K字節(jié)flashROM(程序存儲(chǔ)器),256字節(jié)RAM(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器),做為剪斷銷(xiāo)信號(hào)裝置的核心控制器件。

TLP521-4:4路光電耦合器,對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行隔離。

PCF8574P:Remote 8-bit I/O expander for I2C-bus,基于I2C總線的8位遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展口芯片。I2C總線是一種標(biāo)準(zhǔn)的串行擴(kuò)展總線,由時(shí)鐘線SCL與數(shù)據(jù)線SDA組成。

J1:輸出繼電器。

M12864:LCD顯示屏,128*64像素。

X485:485通訊芯片,TTL電平轉(zhuǎn)換485電平。

2.工作原理:本裝置有24路開(kāi)關(guān)量輸入經(jīng)過(guò)6片TLP521-4光耦隔離,將信號(hào)輸入到PCF8574P,本裝置共有3片PCF8574P,每片可輸入8路開(kāi)關(guān)量,經(jīng)I2C總線的SDA(Serial Data Line串行數(shù)據(jù)線)與SCL(Serial Clock Line 串行時(shí)鐘線)接入AT89S52的P1.5、P1.6口。AT89S52儲(chǔ)存著廠家編寫(xiě)的控制程序,依次讀取24路輸入信號(hào),如果輸入開(kāi)關(guān)量動(dòng)作,則對(duì)輸入信號(hào)判斷后輸出驅(qū)動(dòng)J1遠(yuǎn)程報(bào)警,運(yùn)行人員根據(jù)液晶顯示屏M12864的顯示確定哪一路出現(xiàn)故障,同時(shí)輸出驅(qū)動(dòng)U3(X485)與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

3.故障分析:AT89S52的P2.0口驅(qū)動(dòng)輸出繼電器,因此判斷故障的原因可能是P2.0口損壞。用TOP2005(單片機(jī)讀寫(xiě)裝置)檢測(cè)后確認(rèn)是AT89S52的P2.0口損壞。故障修復(fù)的方法是更換AT89S52芯片,重新編制程序。

4.程序設(shè)計(jì):剪斷銷(xiāo)信號(hào)裝置采用AT89S52作為設(shè)備的核心器件,存儲(chǔ)著對(duì)剪斷銷(xiāo)信號(hào)的讀取判斷程序、輸出顯示程序、輸出驅(qū)動(dòng)程序等,AT89S52作為8位單片機(jī),不含I2C驅(qū)動(dòng),需要在程序中實(shí)現(xiàn)與PCF8574P接口程序,即I2C總線程序。

重新設(shè)計(jì)的程序分為3部分:主程序、16路信號(hào)巡檢子程序、LCD顯示子程序。采用單片機(jī)匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。

(1)主程序見(jiàn)圖2:主程序?qū)崿F(xiàn)將16路信號(hào)實(shí)時(shí)循環(huán)讀入AT89S52中,如正常運(yùn)行無(wú)報(bào)警,顯示主畫(huà)面;一旦檢測(cè)到有報(bào)警,LCD顯示‘報(bào)警,報(bào)警燈閃爍,輸出繼電器動(dòng)作;按鈕S按下進(jìn)入報(bào)警查詢畫(huà)面,LCD上顯示16路信號(hào),有報(bào)警的回路顯示黑點(diǎn);S1按鍵按下軟件復(fù)位。另外主程序中還增加了防抖動(dòng)功能,輸入信號(hào)如果不斷抖動(dòng),則判斷為有報(bào)警輸入,會(huì)一直輸出報(bào)警,此功能用來(lái)保護(hù)輸出繼電器,防止繼電器高速抖動(dòng)。

(2)16路信號(hào)巡檢子程序:巡檢指的是通過(guò)I2C總線將輸入的16路開(kāi)關(guān)量的位置讀入AT89S52。

(3)LCD顯示子程序是將16路信號(hào)巡檢檢測(cè)到的內(nèi)容在LCD上顯示。顯示程序包括主畫(huà)面顯示、報(bào)警顯示、報(bào)警查詢?nèi)齻€(gè)畫(huà)面。

(4)因?yàn)殡娬緹o(wú)485通訊要求,本次設(shè)計(jì)省去了485通訊模塊,提高了AT89S52的效率。

總結(jié):首先分析清楚硬件電路,明確各部件功能、各器件的作用,然后根據(jù)硬件用Protel等電子繪圖軟件繪制出電子電路圖,確定損壞的器件。如果損壞的期間需要進(jìn)行程序輸入,則首先繪制軟件流程圖,將軟件要實(shí)現(xiàn)的功能用流程圖表示出來(lái),用匯編語(yǔ)言編制軟件,也可以用C51等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行軟件編制。最后用讀寫(xiě)器將程序輸入芯片中,本文用到的讀寫(xiě)器是TOP2005,修復(fù)后裝置運(yùn)行至今良好無(wú)異常。因?yàn)橛布b置是經(jīng)過(guò)運(yùn)行考驗(yàn)的,其設(shè)計(jì)是可靠的,因此在研究過(guò)程中,我們只需要做到:分析各芯片作用,確定損壞的部件,確定是否需要編制程序,最后進(jìn)行程序編制。這種修復(fù)一般不需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)試,除首次檢修需要花費(fèi)部分時(shí)間進(jìn)行電子電路圖繪制、流程編寫(xiě)外,其后的檢修可一勞永逸。

(二)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

本水電站勵(lì)磁方式采用機(jī)端自并勵(lì)微機(jī)勵(lì)磁,勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用雙微機(jī)自動(dòng)切換,勵(lì)磁調(diào)節(jié)器核心器件是單片機(jī)+大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD,由某自動(dòng)化設(shè)備廠生產(chǎn)。電站#2水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中,無(wú)功功率調(diào)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)出現(xiàn)紊亂,嚴(yán)重的一次造成了機(jī)組事故停機(jī)。通過(guò)一步步排除,確定問(wèn)題來(lái)自勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,根據(jù)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器電路板,用Protel Dxp 2004繪制出電路原理圖,其原理框圖如圖3所示:

1.器件介紹:

MAX7128S:大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷LD,軟件的編程方法與PLC類似;

80C196:16位單片機(jī),內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器,需要外接程序存儲(chǔ)器;

AT29C010A:128K字節(jié)E2PROM,即電可擦除只讀程序存儲(chǔ)器;

62256:數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM,掉電不保存,類似于PC中的內(nèi)存;

8051:8位單片機(jī),實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話,輸入按鍵指令,輸出至LCD顯示,485通訊。

根據(jù)原理圖分析:調(diào)節(jié)紊亂是軟件的原因造成,可判斷硬件正常?？梢赃M(jìn)行編程的器件有MAX7128S與AT29C010A,前者只是實(shí)現(xiàn)邏輯電平的轉(zhuǎn)換與邏輯運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁調(diào)節(jié)功能的程序存儲(chǔ)在AT29C010A中。造成調(diào)節(jié)過(guò)程出現(xiàn)紊亂的原因是由于在帶電過(guò)程中竄入了高頻干擾信號(hào),改變了E2PROM中的程序內(nèi)容。

通常情況下高頻干擾致使程序紊亂,可使用看門(mén)狗程序自動(dòng)復(fù)位;嚴(yán)重的情況下,斷電復(fù)位可使程序恢復(fù)到初始狀態(tài);極度嚴(yán)重情況會(huì)改變E2PROM中的程序內(nèi)容。E2PROM是不帶MCU(Micro Controller Unit 微控制單元)的程序存儲(chǔ)器,無(wú)法對(duì)程序進(jìn)行加密,用程序讀寫(xiě)器可直接讀出程序的機(jī)器代碼。用TOP2005從#1機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的AT89S52中讀出程序的機(jī)器代碼,寫(xiě)入#2機(jī)組調(diào)節(jié)器E2PROM芯片中,投入運(yùn)行后工作正常。

2.總結(jié):勵(lì)磁裝置的核心技術(shù)無(wú)疑就是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,該自動(dòng)化設(shè)備廠生產(chǎn)的調(diào)節(jié)器采用了嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù),整體設(shè)計(jì)層次分明,各功能區(qū)域劃分明確。主調(diào)節(jié)程序存于E2PROM中給我們創(chuàng)造了可以自動(dòng)修復(fù)的條件,如果MCU與程序存儲(chǔ)器在一個(gè)芯片內(nèi),生產(chǎn)廠家會(huì)對(duì)程序進(jìn)行加密,這樣就增加了修復(fù)的難度。修復(fù)故障后,勵(lì)磁裝置靜態(tài)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)均符合要求,運(yùn)行至今,工作正常。

四、結(jié)語(yǔ)

作者所在的水電站控制設(shè)備維護(hù)工作量大且費(fèi)用高,在以往檢修維護(hù)管理中,一旦設(shè)備出現(xiàn)故障或需要技改則必須依賴于設(shè)備廠家,通過(guò)對(duì)控制設(shè)備的深入研究,從維護(hù)管理的角度找到了控制設(shè)備核心部分研究的關(guān)鍵。同時(shí)還修復(fù)了發(fā)變組后備保護(hù)裝置,破解了監(jiān)控組態(tài)軟件程序修復(fù)難題,修復(fù)后裝置試驗(yàn)結(jié)果符合要求,運(yùn)行正常。

參考文獻(xiàn)

[1]何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

[2]王幸之,等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2000.

[3]段鋼.加密與解密[M].電子工業(yè)出版社,2008.

[4]張潤(rùn)和.電力電子技術(shù)及應(yīng)用[M].北京大學(xué)出版社,2008.