西门子模块6ES7516-3UN00-0AB0

本文以DSP为信息处理单元，将电子天平与红外干燥箱融为一体，设计了一种水分测定电子天平。这种仪器具有水分测定与质量称量两种计量功能。采用时间优控制与PID控制相结合的控制策略来对烘箱的温度进行实时控制，既可以发挥时间优控制快速消除大偏差的优点，又能发挥PID控制精度高、超调小的优点，从而使静态、动态性能指标较为理想，同时又达到了准确、快速测定的目的。

水分是决定产品质量和工艺的基本参数，水分含的准确测定是产品质量的重要保证。目前诸多行业水分测定标准方法（仲裁依据）是烘干失重法，即将重量为W1，的试样按规定时间和温度烘干，烘干后失重设为W∞，则含水率为：

该方法直接测出水分蒸发量，称直接法，又称经典法。该方法需要使用分析天平和电烘箱，操作繁琐，而且由于电烘箱的温度波动较大，容易损坏样品。
本文以DSP为信息处理单元，将电子天平与红外干燥箱融为一体，并将时间优控制和PID控制相结合，设计了一种基于DSP的新型水分测定电子天平，采用时间优控制和PID控制相结合的控制策略对烘箱温度进行实时控制，这样既可发挥时间优控制快速消除大偏差的优点，又能发挥PID控制精度高、超调小的优点。
1 测试机理与结构设计
本文采用TMS320LF2407A的DSP作为信息处理单元，设计了一种基于DSP的新型水分测定电子天平，如图1所示。

电磁力平衡传感器将被测质量转换成电信号输出至放大电路，变成0～5V直流电压信号，经A/D转换送DSP处理，显示、打印或语音输出测量结果。
红外干燥箱内的热敏元件通过测温电路和A/D转换随时向DSP提供温度测量信息。DSP根据键盘设定温度和烘箱内实测温度进行PWM控制，通过可控硅调功电路实现。
1.1红外辐射干燥机理
红外辐射烘干法的干燥机理仍基于经典法，用电阻式烘箱，试样中水分的蒸发主要靠热传导，失水速度慢，测量效率低。而红外法、微波法的加热方式可直接从物质内部加热，大大缩短了烘干时间，而且还具有清洁、无附件、安装方便等优点，因此在烘干加热领域得到了广泛的应用。
由于微波加热方式一般功率较大，难以控制，而且可能导致辐射泄漏，因此本文设计的新型水分快速测定电子天平采用了红外辐射加热方式加速样品烘干。
1.2质量称量原理
水分测定电子天平质量称量范围为0～300g，感量为0.001g。称重前，杠杆平衡，遮光板处于零位，加待称重物后，杠杆失去平衡，带动遮光板偏离零位，零位检测差分光电二极管输出的差分电压信号不为零；该信号经放大送入PID调节电路；PID调节信号送入动圈的驱动电路，改变动圈中的电流，使得杠杆向平衡方向运动；同时，差分光电二极管的输出信号减小，但由于PID调节环节的存在，调节信号继续增大，直到杠杆回到平衡位置，遮光板回到零位。质量称量信号经放大、滤波、A/D转换后送人DSP信息处理单元进行后续处理。
2红外干燥箱的温度检测与控制
2.1温控器原理
本系统选用MAXIM公司生产的自带温度补偿的K型热电偶串行模/数转换器MAX6675为测量电路，选用双向可控硅为控制元件，以DSP芯片TMS320LF2407为中心，设计了一套温控器电路。
主电路由双向可控硅BCR50GM控制，其开关电流为50A，通过实际调试，确定了控制电路参数，如图2所示。
MAX6675将热电偶输出的mV信号直接转换成数字信号送给DSP， MAX6675可对冷端温度进行补偿。
DSP送出PWM控制信号驱动光电耦合器MOC3061，以控制可控硅BCR50GM的导通与截止，使电阻炉的温度能够稳定在给定点附近。
通过测量温度与设定温度比较来调节DSP输出脉冲信号的占空比，进一步控制卤素红外灯平均导通功率，从而达到调节温度的目的。
2.2温度控制方法

PID控制是一种技术成熟、应用广泛的控制方法，其结构简单，参数整定方便，而且对大多数过程均有较好的控制效果，因而本系统采用了PID算法控制加热舱温度。
对于采用调压调功方式的温度控制，PID算式应当采用位置算式，即：
u（k）=u（k-1）+△u（k） （2）
式中：

u（k）为k时刻的输入量；
u（k-1）为k-1时刻的输入量；
△u（k）为输入调节量；
Kp，K1，KD分别为比例系数、积分系数、微分系数；
e（k）为当前时刻的温度与温度设定值差；
e（k-1）为上次采样时刻的温度与温度设定值差；
e（k-2）为再上次之差。
温度变化是一个缓慢的过程，若单纯采用PID控制，温度超调量大，调节时间长，从通电加热到温度恒定至少需要20min，控制效率低，能源浪费大，设备损坏率高。
时间优控制使系统从一个初始状态转到另一个状态所经历的过渡时间短。这种类型的优切换系统，也称为开关控制（Bang-Bang）系统。即：

可以规定一阈值ε，当偏差大于ε时，实行时间优控制，而在阈值以内，实行PID控制。这样，既可以发挥Bang-Bang控制快速消除大偏差的优点，又能发挥PID控制精度高，超调小的优点，从而使温度控制过程的静态、动态性能指标较为理想。
2.3参数整定
由于温度变化速度较慢，本系统选择采样时间TS为5ms，其余调节参数均在PID仿真基础上参考ZEGLER-NICHLE整定方法经实验确定。

由于控制电路输出脉冲信号的临界电压为1.66V，对应数字量为AAH（十进制数为170），所以将该电压值作为系统进入控制过程时u（k-1）值。
3 性能测试
本系统经过反复温控试验以及连续运行的可靠性试验，终确定了PID算法的参数。当系统施加给定升温时，在20～80℃范围内大动态超调小于土2℃，稳态误差小于±0.2℃，系统运行状态良好。其典型响应曲线如图3所示。

4 结论
本文提出了一种基于时间优-PID控温水分测定电子天平，有效地避免了经典方法水分测定的重复性，大大提高了测量速度，为水分测定标准方法的发展开辟了新的途径。这种一仪多用的新型天平简化了水分测定与质量称量的操作，有利于提高实验室分析测试的工作效率，减少设备投资，因而具有广阔的应用前景

介绍几种适用于中小型水电站计算机监控系统网络结构设计方案。根据水电站的具体情况选择性价比优越的综合自动化系统方案。仅供狼友参考。还有什么好的方案可共同探讨。 
 关键词：中小型水电站 计算机监控系统网络结构 设计
 为了适应电力工业发展的需要，进一步提高设备安全运行及自动水平，改变我国电厂运行管理用人多，效率低的落后局面，水电站值班方式的改革势在必行，使水电站运行管理达到无人值班（少人值守）的水平。
 　　水电站计算机监控系统设计应掌握以下几个设计原则：
 　　● 按照全厂综合自动化以计算机监控为主、常规控制为辅的指导思想进行总体设计和系统配置，使计算机在水电站的应用达到一个新的水平；
 　　● 对于梯级电站，在梯级电站计算机监控系统之间进行通讯，应从安全性和经济性的角度实现部分梯级调度的能力；
 　　● 系统高度可靠、高度冗余，其本身的局部故障不会影响现场设备的正常运行;
 　　● 系统配置和设备选型应符合计算机发展迅速的特点，充分利用计算机领域的**技术；
 　　● 全分布开放式系统，既便于功能和硬件的扩充，又能充分保护用户的投资。分布式数据库及软件模块化、结构化的设计，使系统更能适应功能的增加和规模的扩充；
 　　● 实时性好，抗干扰能力强；
 　　● 友好的人机接口功能，操作方便。
 　　目前大多数设计院和计算机监控生产厂家，对水电站综合自动化系统都是按分层分布开放式无人值班（少人值守）的运行方式设计，整个系统在物理上分为两层：电站主控层和现地控制层。
 　　电站控制层即上位机系统主要用于综合自动化的组态、维护、水电站运行的监视、操作、信息管理、远动和优化控制。其主要设备配置各种工作站、通信网络设备、打印设备、UPS、GPS对时设备、语音报警、模拟返回屏、操作控制台等。
 　　现地控制层由一系列水电站综合自动化装置组成，包括机组现地控制单元、开关站及公用现地控制单元、微机保护测控单元、辅机控制单元等。
 　　用户可根据水电站的实际情况，进行经济技术比较，选用性能价格比优越的方案。下面浅谈几种中小型水电站计算机监控系统网络结构设计方案。
 　　
 　　图1 集散式综合自动化网络结构图

    一、集散式组网结构
 　　该网络结构是基于RS485/Modbus等现场总线联接的实时通讯网络，如图1所示。其特点就是所有监控功能在一台主机上运行，简单、可靠、造价低、投资少。适用于对监控系统要求不高的小型水电站综合自动化系统。
 　　二、分层分布式组网结构
 　　该网络结构基于以太网联接的实时通讯网络，如图2、3、4所示。
 　　1、图2为采用一体化工控机上以太网方式，为全开放、分层、分布式结构，PLC、保护、励磁、调速器、辅机等设备通过一体化工作站与上位机系统通信。这种设计一般在现地设备的配置上，考虑在工控机故障时仍可独立运行。即所有现地单元均可以各自独立运行。每个单元都是由工业控制微机和可编程控制器（PLC）及各个专用功能装置或设备构成，并可以设计成具有各自独立的现地操作、监控功能。该系统功能丰富、人机界面友好、可靠性更高，，但是投资较高，适用于中型水电站综合自动化系统。
 　　2、图3为采用PLC直接连接以太网的全开放、分层、分布式网络结构，保护、励磁调速器、辅机等设备通过PLC与上位机系统通信，采用工业级触摸屏作为人机界面，系统可靠性极高、，设备直接上网便于网络控制和管理，系统响应速度大大提高。适用于通信协议较少，对监控系统要求较高在中型水电站综合自动化系统。
 　　3、图4为采用PLC直接连接以太网的全开放、分层、分布式网络结构，与图3比较，该方案中保护、励磁、调速器、直流系统等装置通过通讯管理机与上位机系统通信，减轻PLC通信负担。该设计方案考虑到各PLC生产厂家在直接上网哪个（以太网）上并不是支持所有产品，而且价格较高，因此我们可以考虑另外一种现地设备上网配置方案，就是通过多串口通讯转换装置（通讯管理机）将PLC和其他现场总线设备接入以太网络系统。我们可以在每一个LCU设置一台通讯转换装置，也可以全厂集中设备一台通讯转换装置。该方案的特点是成本较低、性能可靠、系统响应速度快。适用于通信协议复杂，协议数较多而PLC通信接口数较少，对监控系统要求较高的中型水电站综合自动化系统。
 　　
 　　图2 一体化工控机组网方式

　　图3 PLC 组网方式一

　   图4 PLC 组网方式二

三、冗余组网方式
 　　水电站实现“无人值班”（少人值守）后，由于现场值班人员减少，每值班往往只有两人，当现场设备出现故障时，维护人员一般要等待较长时间才能抵到现场，因此对于监控系统可靠性要求极高在中型水电站，可以采用图5所示的基于以太网联接的冗余组网方式。
 　　该组网方式的硬件要求可根据要求采用多层次的冗余措施，如数据服务器、操作员工作站、通讯服务器、网络交换机、网络通道、UPS、现地总线、机箱电源、机柜电源等，都可以实现冗余配置，并可对PLC扩充双CPU、双电源、I/O模块热插拔等功能，系统要求由软件实现冗余设备的检测与故障诊断，实现冗余部件的无扰动切换，确保系统中某一部件的故障不影响系统的正常运行。故障部件稍后可由维护人员及时处理。该方案系统功能极为丰富，可靠性极高，适用于对监控系统要求极高的中大型水电站综合自动化系统。
 　　
 　　图5 冗余组网方式