1 引言

    目前，我国许多小型水轮机组的启停及运行监控自动化程度不高，很多情况下离不开人的参与，导致机组运行可靠性差，工作效率低，这种状况显然不符合水电厂发展的趋势。鉴于此，本文设计了小型水轮机组自动化装置，利用先进的LonWorks现场总线技术，通过较高程度的软硬件模块化设计，极大的提高小型水轮机组的自动化控制程度。

2 LonWorks现场总线技术

    LonWorks现场总线技术的主要特点如下：

（1）神经元芯片

    单个控制节点的处理采用神经元芯片（NeruonChip），其芯片内有3个8位CPU，片内固化了LonTalk通信协议，其中2个8位处理器用于执行通信协议，而第3个处理器用于执行结点的监控功能。

（2）LonTalk协议

    LonTalk协议遵循由国际标准化组织ISO定义的开放系统互连OSI模型，协议提供了OSI参考模型所定义的全部7层服务。它可以使简短的控制信号在各种媒体之间非常可靠地传输。

（3）编程语言

    LonWorks现场总线采用高级的编程语言，即NeuroC,它以标准的ANSI C语言为基础，支持神经元芯片的实时调度，同时加入了通信、定时器、分布数据对象和I/O等功能。

3 小型水轮机组自动化装置

3.1 装置实现的功能

    （1）完成水轮发电机组自动正常开停机

    （2）水轮发电机组运行监测。

    （3）检测和显示设备故障状态：

    1）冷却水中断故障；

    2）剪断销折断故障；

    3）调速器故障；

    4）上导轴瓦温度偏高；

    5）下轴瓦温度偏高；

    6）推力轴瓦温度偏高；

    7）定子铁芯温度偏高；

    8）油槽油位异常；

    9）电气二次断线。

    （4）检测和显示设备事故主状态，根据不同事故状态，执行相应的紧急停机或非常紧急停机操作。

紧急停机：

    1）上导轴承温度过热；

    2）下导轴承温度过热；

    3）推力轴承温度过热；

    4）定子铁芯温度过热；

    5）电气事故；

    6）油压事故。

    非常紧急停机：

    机组过速（140%）。

    （5）手动/自动切换功能。

    （6）功能设置开关：可根据现场的工作要求，增加或减少相应的控制功能。

    （7）网络通信功能：通过增加通信模块，实现与上位PC机的通信，及接入工业局域网。

3.2 装置的硬件开发

    由以上列出的各项控制功能可知，自动控制一台小型水轮机组所需的基本输入和输出点数是：

    1）DI通道：30路；

    2）DO通道：30路；

    3）AI通道：4路。

    而一块标准的LonWorks节点只拥有11个独立I/O通道，为满足控制的要求，普通的解决方式是增加LonWorks节点数。但是过多的节点会导致安装上的麻烦，维护的不方便，成本价格的提高，显然不是最佳的方案。

    我们的解决方式是通过增加外围电路来对其11个独立I/O口进行I/O扩展，实现的基础是LonWorks节点的11个独立I/O通道可通过软件配置为不同的工作方式，外围电路的实现是依据各个I/O通道的工作方式，外围电路的实现是依据各个I/O通道的工作方式来设计的。

    （1）数字量通道的扩展如表1所示。

    （2）模拟量通道的设计

    采用TLC2543型AD芯片，是12位开关电容逐次逼近式模数转换器，在AD转换结果串行输出的同时，串行输入下次AD转换位控制字。

    将I/O的工作模式定义为neurowire主模式，即I/O对象与外转设备实行双工同步数据传输，一次最多可以传递255位数据，具体I/O通道的配置如表2所示。

    通过以上的I/O设计，本小型水轮机组自动化装置的标准配置是：4块Lon节点（其中1块作为模拟量采集的节点），1块电源，1块显示屏，1块接线端子板。

整个装置I/O通道及电气规范如下：

    1）装置的供电电源：220V交流。

    2）+24V和+5V的直流电源输出。

    3）I/O通道（标准）

    数字输入通道：48路，0~+5V电压信号；

    数字输出通道：45路，0~+24V电压信号；

    可自定义数字输入/输出通道：9路，输出为0~+24V电压信号，输入为0~+5V电压信号；

    AI通道：11路，0~+5V电压信号或4~20mA的电流信号。

    4）I/O通道的扩展。根据现场系统的要求，增加相应的lon节点。

3.3 装置软件开发

3.3.1 软件模块化设计

    整个控制流程划分为7个独立的功能模块，即将水轮发电机组的运行过程分为7种不同的工作状态来控制，具体分为：

    1）系统运行状态检测；

    2）设备工作状态循环检测；

    3）正常开机流程；

    4）正常关机流程；

    5）紧急停机流程；

    6）非常紧急停机流程；

    7）主阀操作流程。

    软件的工作方式为：主流程循环扫描各个预置事件，当探测到某个事件触发，既调用相应的功能模块执行，执行结束后，重新返回主流程进行循环扫描，其中设备工作状态的循环检测独立于各种工作状态，每隔3s（用户可自定义）执行一次。

3.3.2 各个节点间通信设计

    由LonWorks的节点组成的局域控制网络，其通信方式分为：

    显示形报文通信（explicit messages）

    通信的数据包和长度以由用户定义，主要用于较大的数据量传输，软件的编制过程较为复杂，需要用户自己填写报文签头，节点网络地址等帧头。

    网络变量通信（implicit messages）

    网络变量通信方式采用了面向对象的设计方法，使网络通信的设计简化成为参数设置，不但节省了大量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性。

    作为小型水轮机组的自控装置，各节点间的通信量较小但频繁，考虑到通信的可靠性，采用网络变量的通信方式是最佳的选择。

    网络变量的定义方法示例如下：

    在1#节点定义的输出/输入网络变量：

    发出（output）的8bit的设备控制字，每1位代表控制某一个设备的关闭/启动。

    接受（input）的1bit的信息字，代有某一外部事件是否触发。

    network output unsigned short control_equip1=0x0;

    network input SNVT_lev_disc nv_1_danger=OFF;

    2#节点定义相对的输出/输入网络变量：

    network out input unsigned short control_equip2=0x0;//接受控制字

    network output SNVT_lev_disc nv_2_danger+OFF;//发出信息字

    在LonWorker开发软件中可将2个节点中定义的输出/输入网络变量进行自由绑定：

    网络变量经过绑定后，即可实现节点间的通信，当某一输出网络变量的值发生变化时，相应的输入网络变量的值立刻跟随发生同样的变化，实时响应很快。

4 结束语

    各个水电厂的现场情况不同，小型水轮机组自动化装置不可能有通用产品，尤其是老厂改造，本文介绍的基于Lon技术的自控装置，软硬件模块化程度较高，能适应不同场合应用，不会过多改变原有的系统。