单片机在中、小水电站闸门监控系统中的应用-论文.pdf

I．．皇子蕴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．单片机在中、小水电站闸门监控系统中的应用辽宁职业学院李云阳【摘要】本文着重研究了以单片机为核心，对中、小水电站的闸门系统实现自动控制的方法，并对闸门控制系统的硬件和软件进行了设计。该控制系统具备对闸门及拦污栅运行状态的监视能力和对闸门快速平稳启闭的控制能力，并给出了提高闸门控制系统抗干扰能力的软、硬件措施。【关键词】闸门控制系统；单片机；抗干扰1．综述将式(3一1)离散化，并写成差分方程形电磁干扰，传感器到控制表之间的传输线务必我国小水电资源十分丰富，发展经济实用式使用屏蔽电缆。的小水电自动化技术很有必要，但是中、_，j、水u()：kp{LP()专+J知j∑=0P()+()一e(一·1)】J}5．闸门控制系统硬件设计电站运行的可靠性需要得到保障。因此，进行5．1闸门开度控制回路通道设计中、小水电站闸门控制系统的自动化研究就有(3—2)在单片机控制系统中，：／o通道是连接单很大的实际意义。令K为积分系数：片机和控制对象的重要组成部分。：／o通道的2．闸门控制系统的功能和结构KI：=—K——p—．T——主要任务是将检测单元采集的数据转化为单片2．1系统体系结构的选择：机可以接收的信息形式送入单片机。单片机按中小水电站的闸门控制系统作为水力发K。为微分系数：某种算法计算后，将计算结果以数字量或转化电机组的后备保护设备，要求其动作可靠、迅为模拟量输出，以控制执行机构动作。I／o通K。：速。因此其监控系统应具有良好的通讯网络、道起NcPu和被控对象之间的信息传送和变换控制算法和灵敏的感应元件。针对以上要求，式(3—2)变为：的桥梁作用。：／o通道可分为模拟量输入、输闸门控制系统宜纳入水电厂管理控制系统的三出通道、数字量输入、输出通道。u=Ke()+，∑e(，)+K。[e()一e(-I)]层结构、两层网络的管控一体化总线型结构体系。这样的体系结构实现了负责底层生产控制(3—3)并度和管理的现场总线系统与上层的决策管理系统上式即是位置式PID控制算法的表达式的结合，保证了控制与管理的相互渗透与相互采用增量式P：D控制算法。考虑第k—1次采样时沟通。刻有：2．2微型计算机的选择“(k-I)：，P(一1)+艺e()+(一1)一e(一2)】闸门控制系统所处环境十分恶劣，系统)-0圈5-I闸门开度控制回路通道逻辑框图选用何种微机控制器就显尤为重要。单片机将(3-4)CPU、ROM、RAM、寄存器阵列、模拟和数字输用(3—3)减去(3-4)，并化简得：雹————————￡———————一入输出接口、定时器、计数器都集成在一块芯au(k)=k)-etk一1+e()+k[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)】l初始化、自检1片上，应用开发在各个工程应用领域，综上以(3-5)1．～，．一单片机作为闸门控制系统的核心控制部件是必式(3—5)即为增量式PID控制算法的表达要而可行的。式，累加误差对控制量计算结果的影响小，而{开中断2．3闸门控制系统的功能且容易通过加权处理来获得较好的控制效果。——■■■为了可靠完成闸门的启闭，其控制系统应3．2PID数字控制器的参数整定ri_—水—位—————————]j具备以下功能：闸门控制功能、闸门运行参数扩充临界比例度法整定T、Kp、Ti和Td的}、闸位数据采集l．。．，．．，．．+．，．．__J：及状态信号的采集和处理、闸门控制系统的计步骤如下：算判断功能、闸门控制系统的保护功能、人机(1)选择一个合适的采样周期T，控制器作联系功能、通信功能。纯比例控制；2．4系统总体结构图(2)调整Kp的值，使系统出现临界振荡，闸门控制系统的总体结构图如图2一l所记下临界振荡周期Ts和临界振荡增益Ks,Y示。(3)选择合适的控制度。控制度是指数字厂-]控制器的控制效果与模拟控制器的控制效果相比较的评价指标。通常用下式表示。图6_1主程序流程图删度。一。5，2．状态显示及异常报警通道设计闸门控制系统除了能控制闸门的启闭以通常，控制度为1．O5时，数字控制器和外，还能采集闸前水位信息，反映拦污栅阻塞模拟控制器的控制效果相当。当控制度为2．0信息。为了保证闸门动作的可靠性，又设置了时，数字控制器比模拟控制器的控制质量差一异常报警通道。本次设计中，状态显示及异常倍。报警功能涉及模拟量输入i1路，开关量输入34．闸门控制系统的传感器路，开关量输出22路。4．I闸门开度仪5．3人机联系界面设计闸门开度仪包括闸位传感器和闸位显示闸门控制系统除了在中控室集中控制部分仪表。闸位传感器安装在闸室内卷扬机被动轮设有人机联系界面以外，还应在现地控制单元轴端，采用齿轮传动。闸位传感器采R00425绝设立操作控制平台，以便于操作人员通过显示对型光电编码器，安装于钢丝绳收紧器GPS500屏了解闸门运行状况，并在必要时通过按钮进圈2—1闸门控制系统总体结构图内，GPS500装在启闭机闸门上方，钢丝绳活动行人工干预。3．PID控制算法端直接连接闸门。采用这种钢丝绳收紧器，直5．4通信接口设计3．I离散PID控制算法的推导接测量闸门开度，精度比较高。在闸门控制系统中，单片机需要从闸门系统是采样控制系统，其控制器是数字4．2超声波水位仪的工作原理及安装要求开度仪获取闸门实际开度信息，需要从上位控制器，所采用的算法应当是离散PID控制算安装传感器时，应使传感器发出的声波垂机获取闸门开度设定值。当闸门运行出现异常法。直于被测物体，使传感器能接收到较多的物体时，单片机还应当将异常信号上传给上位机。在模拟控制系统中，PID控制算法的表达反射回来的声波，使测量更精确。在被测物体因为现地控制单元离中控室上位机比较远，所式为：与传感器之间不能存在任何物体。其次，水面以采用RS-485通讯协议。又因为8031的串行口波动会对采集精度产生影响，可采用数字滤波采用TTL电平，而Rs一485采用士12V电平，所以u，，砉+J(3以及加装导管的方法加以抑制。另外，为防止它们之间的连接需要经过接口进行电平转换。一18一电予-I|抖 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．皇子燕一l基于ARM的嵌入式系统硬件设计研究中国船舶重工集团公司第七一五研究所王旭东【摘要】随着电子信息技术的发展，以及数控系统的普及应用，我国工业生产中的各项管理环节得到了有力的技术支撑，取得了实质性的进步。目前，国内应用在饭金加工等行业的数控系统的操作标准较以往有了很大的提升，这就需要采用新式工艺对其进行改善，满足各项操作要求。基于此，基于ARM的嵌入武系统硬件的设计与研究内容受到相关领域的广泛关注，并以来该设计内容打开了数控系统构建的格局，促进相关行业的快速发展。本文就基于ARM的嵌入式系统硬件设计内容进行阐述，并将相关的研究成果呈现出来，以期为实践提供有益的借鉴。【关键词】ARM；嵌入式系统；硬件设计研究一、前言控装置(系统)、驱动装置(系统)、输入／ARM是微处理器的代名词，ARM体系结构从研究了数控系统中所能用到的各类控制接输出系统及程序，其中驱动系统还包括主轴驱构建伊始至今发生了较大的变化，且仍在不断口，将接口控制逻辑语言做了进一步的改换更动、逻辑控制、位置控制三项内容，分别对应的探索之中。一段时期以来，ARM的变革制约新。并且，通过将这些研究成果进行整合与设机床设备中的主轴电机、逻辑数据控制与进给着嵌入式系统的整体设计内容的革新。目前，计，实现了嵌入式数控系统硬件平台的总体设电机部分“]。另外，通过系统检测环节的处理传统的八位单片机已经暴露了本身资源有限的计内容。将该方案付诸实践应用以后，系统通为数控装置系统提供必要的反馈结果，以备数发展劣势，越加不适应日渐复杂的实际应用需过了稳定性测评，符合实际生产操作的要求。据输出或进入下一个数控循环系统中进行操作求，而随着三十二位处理器价格的不断萎缩，经仔细测试与研究而知，基于ARM的嵌入式系处理。采取更高性能的三十二位处理器作为嵌入式系统硬件设计具备可行性，针对该内容的研究有(二)嵌入式系统硬件平台设计统的核心成为更加合理的选择。一定的实践价值。从整个系统的实际功能来看，嵌入式系统(二)ARM接口设计二、基于ARM的嵌入式系统硬件平台的整硬件平台的设计是系统运作的物质基础，而软ARM接口设计的内容主要包含了显示器接体方案设计件系统则是系统装置的灵魂。嵌入式系统硬口、太网接口及USB接口等，通过各类接口的对于数控系统的方案设计过程来说，该件平台的设计原则要遵循系统的实用性与稳定设计来实现嵌入式系统的功能对接。项设计内容要能够符合整体数控操作系统的要性，而且要与软件系统互相兼容，共同维护整(三)针对嵌入式系统硬件平台测试过程求，才能称之为完善的设计方案。数控装置实个系统的正常运转。现今，我国在某些重点行的研究质上是通过计算机技术的支撑来搭建的操作业采用的嵌入式系统硬件设备的性能极高，不长久以来，我国相关领域对于嵌入式数控控制硬件平台。在传统的数控系统构造的基础仅采用了高性能多处理器装备，还运用了高速系统硬件平台的研究成果为社会生产实践提供上，基于ARM的嵌入式数控系统硬件平台的功工业现场总线的硬件结构，进而令整体嵌入式了诸多有利的帮助，令生产实践更加现代化，能有了较大的改善，为实际生产工作带来了诸系统的性能更加完善。实现了自动化系统与智能装置的有序运转。多便利。三、基于ARM的嵌入式系统硬件的设计细从对嵌入式系统硬件平台的测试及研究过程而(一)嵌入式系统硬件架构概述节内容研究知，开发一个集嵌入式控制、高效数据采集和近年来，随着我国传统制造行业改革进程现阶段，我国专家学者对于数控系统内容网络通信于一体的综合系统平台，能够在一定的不断推进，数控机床设备的应用对于实际生的探究一直在继续，因其对社会生产实践具有程度上提升生产效率J。另外，通过提供友好产能效至关重要，提高了生产单位的综合生产极大的研究价值。随着电子计算机技术及网络的人机操作界面的硬件平台，对于提高智能嵌效率，保障了各项生产管理环节的有序进行。信息技术的迅猛发展，嵌入式数控系统的硬件入式系统可靠性、组网灵活性具有绝佳的现实可见，自动化的数控系统及相关设备的应用给设计内容也进行了多次的改革，使得升级后的意义。’社会创造出了更多的价值。通常情况下，数控硬件系统更能够符合现代工农业生产对技术领四、结束语机床系统是由多个装置与程序所组成，该系统域的要求。通过对数控系统的运作机理进行研究，实际上是经多个子系统整合而成，包括有数(一)ARM及数控系统运行并结合国内外在实践过程中常用的数控系统硬RS一485是一种基于差分信号传送的串行通讯链产生的干扰是计算机控制系统的主要干扰源。提高了现场设备的互操作性、可扩展性和运行路层协议，它解决了RS-232协议传输距离太近电源部分应尽可能靠近电源引进口。供电系统的灵活性。介绍了一些传统的抗干扰措施，而(15m)的缺陷，是工业上广泛采用的较长距离的配线应尽量采用粗导线。电源后面的一段布且阐述并使用了一些抗干扰的新技术。数据通讯链路层协议。线，应采用扭绞线，扭绞螺距要小。如果导线6．闸门控制系统软件设计太粗，无法扭绞，应使布线距离缩到最小。交参考文献6．1主程序设计流线(指低通滤波器到稳压电源的连线)、直[1]中水力资源概述【O冲国农村水电及电气化信息主程序模块流程图如图6一l所示。闸门控流稳压电源线、逻辑信号线、模拟信号线、继网．2002．9．22制系统上电以后首先执行初始化和自检。初始电器等感性负载的驱动线、非稳压的直流线均[2]国外小水电的新近发展[o．中国农村水电及电气化化包括标志位和变量的初始化、中断初始化、应分开布线。信息网，http：／／wx,~,v．shp．~OITIlcn接口芯片初始化、各程序模块的初始化。自检(2)开关量输入／输出抗干扰【3】大坝安全监测自动化网络系统的现状及发展趋势包括对R0M、RAM和显示装置的检查。开关量输入信号可以采用软件重复检测的[z]．北京木联能工程科技有限公司6．2数据采集模块程序设计方法抗干扰。两次检测相隔一段时间。如果两[4]程夏蕾，潘大庆，俞振凯．经济实用的小水电自动化技闸门控制系统的数据采集主要包括对拦次检测结果相同，则认为取得了真正的开关信术Ⅱ】．小水~g2oo3，4：23-25污栅栅前、栅后水位的数据采集，对闸门位置号，否则继续等待。【5]D．贝尔利【法】．Alspa8000-P320分布武控制系统Ⅱ】．水的数据采集，对启门电机的定子电压、定子电开关量输出的软件抗干扰主要采用重复输利水电快报，1999，3：29-31流、定子线圈的温度的数据采集。数据采集模出的办法。在条件允许的情况下，输出周期尽[6】桂少武．ECRH负高压脉冲电源系统的电磁兼容性研块按所采集的数据性质不同可分为模拟量数据可能短，这样能及时防止误动作。究Ⅱ】．电子电力技术~．002，2：17—19采集程序和开关量数据采集程序。8．结论王高鹏．大中型水闸运行工况综合遥测遥控系统Ⅱ】．水6．3控制模块程序设计本系统针对闸门控制系统的运行特点，采利水电科技进展，1999，5：24．27闸门控制系统的控制程序模块主要实现闸取改进的PID控制算法，保证了闸门快速平稳【B]王利学．溪洛渡水电站前期金属结构设计Ⅱ】．水电站设门的启闭操作。同时在闸门动作时，控制程运行。采用单片机作为CPU，充分利用了单片计，2003，2：47．49序模块还要对闸门的运行状况进行监视，一旦机体积小、抗干扰能力强的优点，保证了闸门[9]王平地．新颖实用的小水电站拦污栅脏堵报警装置羽．闸门动作出现异常状况，控制程序应当采取相控制系统的可靠性及经济性要求。恰当使用了电世界。1998，12：23-24应措施处理并上报上位机。一些新型传感器，传感器作为监控系统与被控[1oJ王义军，王冰．小水电调度自动化系统设计Ⅱ]．电工技7．闸门控制系统抗干扰措施对象接触的底层元件，有着异常重要的作用。术。2002。11：25．27抗千扰的硬件措施：闸门控制系统采用了三层结构、两层网络的管(1)电源的抗干扰措施控一体化结构，提高了系统的可靠性同时方便作者简介：李云陌(1981-)，男，工学硕士，讲由电源供电线路引入的干扰和电源自身了水电厂的运营管理。采用了现场工业总线，师，研究方向：自动控制。电子tl|冉一19—