基于单片机的中小型水闸控制系统
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第1章 绪论
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1.1中小型水电站的发展
1.中国水电事业的发展中国是一个水利资源蕴藏十分丰富的国家。三级地形造成中国众多河流具有水电开发的潜力。据统计，中国河流水能资源蕴藏量6.76亿kW，年发电量59200亿kWh；可能开发水能资源的装机容量3.78亿kW，年发电量19200亿kWh。不论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，中国在世界各国中均居第一位。中国河流众多，水系庞大而复杂。从北到南主要有黑龙江水系、松花江水系、鸭绿江水系、辽河水系、海滦河水系、黄河水系、淮河水系、长江水系、珠江水系、东南沿海及岛屿水系等；西南有澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等国际河流水系；西北有额尔齐斯河、伊犁河水系，还有塔里木河及新疆、甘肃、内蒙、青海等内陆水系。众多水系构成中国水力资源蛛网密布的格局。
新中国成立以来，政府高度重视水电开发。截止2002年底，水利系统累计建成水电装机容量达3586万千瓦，占全国水电总装机容量的42.4%，年发电量1134亿千瓦时，占全国水电总发电量的41.8%。
虽然国家大力投资建设了一批重点水电项目，中国水电事业有了长足进步，但是水电事业的发展还远远不能满足国民经济发展的需要，不能满足人民的生活需求。特别对于边远山区，电力供应不足已制约了当地经济的发展和人民生活水平的提高。因此，国家不惜花大力气进行农网改造工程和农村电气化工程。“十五”期间将建成农村电气化县400个。农网改造二期工程也于2002年5月顺利展开。
2.西部大开发中中小水电站的发展
二十世纪末，国家提出西部大开发战略，要求重视生态环境保护，走可持续发展的
道路。水电是清洁且不随使用而枯竭的能源，而煤炭则是高度污染的有限能源。优化火电、优先发展水电是中国最重要的能源与环境战略。如果用我国可开发水电替代部分煤电，一方面可以节省大量珍稀矿物能源，另一方面则可免除14亿t左右的二氧化碳等温室气体的排放。其中小水电的贡献是免除2.4亿t左右的二氧化碳、140万二氧化硫等温室气体及大量粉尘污水的排放，为我国社会经济的可持续发展开拓出更大的环境空间。
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陡坡开荒、森工企业过度采伐和农村居民烧柴是造成森林植被破坏的重要因素。近年来，农民烧柴问题一直没有解决。2001年全国农村居民实际消耗薪柴1.71亿吨，约2.28亿立方米。目前农村居民生活用能消耗成为森林资源消耗的主要方面，是造成森林植被破坏的重要因素，不仅造成中西部地区生态恶化和长期贫困落后，而且对东部地区的防洪减灾、生态安全和社会经济发展构成威胁。为了西部大开发中人、经济、环境协调发展，为了我国国民经济持续高速增长，为了边远山区、革命老区和少数民族地区的人民生活水平得到提高，我们需要大力发展中小水电站。
我国小水电资源极其丰富，可开发量约1.3亿千瓦，居世界首位。同时，小水电资源的一大宝贵优势是其分布上的广泛性，它分布于1600多个县，超过2／3的国土面积，又主要分布在长江上中游、黄河上中游和珠江上游的退耕还林区、天然林保护区、自然保护区和水土流失重点防治区，其区位分布与主要靠烧柴做饭、取暖的农村居民的区位分布基本一致。
水利部多次召开了各方面专家座谈会，出席会议的科学院院士、工程院院士和有关方面的领导与专家一致认为，实施小水电代燃料生态保护工程是解决山区丘陵地区农民生活燃料和农村能源的有效途径。我国小水电资源非常丰富，可开发资源量及其区位分布可以满足大部分山区丘陵地区2800万户、1亿人口的农村居民生活燃料和农村能源的需要。
在国家政府大力推动下，中小水电站建设有了长足发展。2003年，水利部相关人员深入湖南、四川等10多个省（区、市）调查研究，组织编制了《全国小水电代燃料生态保护工程规划纲要》。这标志着随着国力的增强，农村居民的生活燃料问题将得到彻底解决。到2002年底，小水电装机达到3104万千瓦，占中国水电装机的37.1％，约占世界小水电已开发量的1／3，年发电量1037亿千瓦时。中小水电站的发展极大地推动了我国经济的发展，促进了人民生活水平的提高。
3.国际小水电的发展和中国小水电在国际上的地位
目前，国际上对小水电开发越来越感兴趣，并出现了发达国家比发展中国家更重视，大电网覆盖区比边远地区还开发得多的新局面。在加拿大首都渥太华市内还建了几座小水电站，其中最近的一座离国会大厦才几百米。出现这种局面的原因是小水电在保护环境方面有更大的优势。有人推测，由于环境方面的原因，到2050年世界上以油、煤为燃料的火电将不再存在。同时，大水电由于大型水电工程的某些负效应而被称为虽是可再生能源，但不是可持续发展的能源，越来越难再被批准兴建。所谓可持续性发展是指今天对资源的开发利用不会影响到明天社会经济的发展，因此，将来电网中应是以包括小水电、风电和太阳光发电在内的可持续发展的能源，而这些能源都是可以分散开发的。当前除了风电及太阳光发电外，国际社会特别看好小水电。不少国家都出台了优惠政策，包括简化审批手续、免缴资源费、减免小水电企业税收，加强小水电技术研究、优先保证投资者的利益等一系列措施，给小水电开发以特别的优先权，一些发达国家虽然拥有相当大容量的电网，但由于环境问题，现在也回过头来开发所占比重很小的小水电。
2000年5月，在维也纳召开的国际小水电网第六届年会上，全体委员建议在中国建立一个联合国工业发展组织的国际小水电中心，由工发组织的咨询机构升格为法律框架内的直属机构，并由工发组织能源司司长古尔康克（C.Gurknk）先生与国际小水电网主席程回洲先生签署了建立联合国工发组织国际小水电中心的建议书。按照建议书的要求，工发组织和中国常驻联合国工发组织代表团近半年的努力，达成了协议。联合国工发组织国际小水电中心于2000年12月在杭州成立，这是我国改革开放二十年来的一项重要成果。联合国工发组织国际小水电中心的成立是中国政府遵循邓小平先生倡导，发动中国人民建设小水电又一光辉成果，是世界小水电发展史上的一座新的里程碑。
1.2自动化技术在水电站中的应用
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1.水电站自动化的发展历程
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水电站自动化技术是从本世纪才开始发展起来的。至四十年代，几乎主机与控制一体的直接控制。五十年代则是引进了远方控制技术，可以从远处对设备进行控制，具有监视、控制、保护主机的功能。那时还大多采用电磁式、机械式继电器，采取将继电器装在控制盘中的方法。六十年代则广泛采取晶体管和半导体电子技术，控制回路向电子化、小型化、无触点化方向发展，集中化技术被普遍应用。由于遥测装置的信号传输技术的发展和数字技术的支持，出现了远距离集中监控，进而可以实现大范围控制。
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到了七十年代，计算机技术不论是在硬件的集成度、可靠度、经济性和综合技术指标，还是在软件配置的丰富程度和适应性等方面均已发展至较高的水平，在发达国家的水电站自动化中得到了普遍的应用，当时主要用于实现运行的监督控制和对设备的直接控制，且已形成比较完整的系统，并取得显著的效益。1974年美国大古力水电站实现闭环控制是水电站自动化发展史的一个重要里程碑。七十年代后期，在电网调度自动化系统发展的同时，自动化技术在水电站的应用得到了进一步的发展，有代表性的如加拿大魁北克水电局所属水电站，法国罗纳河水电站群。
进入八十年代，随着微电子技术、计算机技术、数据通信技术和自动控制理论的迅猛发展，以微处理器为核心的微型计算机被应用到许多行业，传统的顺序控制器，如继电器控制逻辑、二极管矩阵逻辑以及硬件接线的数字逻辑愈来愈多地被前者所替代。微机技术在水电站自动控制系统中已占压倒优势，计算机技术、控制技术、通讯技术和CRT技术已成为水电站自动控制系统的重要部分。
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九十年代，计算机技术进一步发展。著名的摩尔定律可以作为硬件制造技术迅猛发展势头的一个标志，芯片上的晶体管数目每两年会增加一倍。与此同时，软件产业也蒸蒸日上，各种应用软件应运而生，充斥于生产生活的各个角落。计算机大量应用于水电站自动控制系统，在价格和技术上已不存在任何问题。
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网络技术也是在这一时期得到发展并普及。在这之前我们并不知道网络是什么，但是现在在任何一个行业里都会听到网络这一名词。水电行业也不例外。随着网络和计算机通信技术的快速发展，网络在水电站监控和自动化系统中得到成功的应用。通过网络实现数据快速传送、远方监视和操作，以及远程故障排除，节省了时间和经费，因此利用网络已经成为未来水电站自动化的一个发展方向。
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2.近年来水电站控制系统中采用的新技术、新理念随着水电站自动控制系统硬件设备不断升级，设计人员更多考虑水电站运行的可靠性，采取了很多措施。
（1）采用双主机冗余、网络冗余。水电厂实现“无人值班”(少人值守)后，由于现场值班人员减少，每值往往只有两人，当现场设备出现故障时，消缺人员一般要等较长时间才能抵达现场，因此对于自动控制系统的可靠性要求更高，要求有较高的冗余度，在系统降阶运行时不影响电站的安全。
为了满足要求，水电站自动控制系统的硬件采用多层次的冗余措施，如通讯服务器、网络交换机、网络通道、主控级UPS、LCU的数据采集与控制器、CPU模块、通讯模块、I/O通道、现地总线、机箱电源、机柜电源等，全部可以实现冗余配置，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。故障部件由消缺人员及时处理。
（2）采用分层分布式、集散控制系统。从1959年3月在美国德克萨斯州Texaco炼油厂投入运行的第一套计算机控制系统，一直到七十年代中期以前，各个计算机控制系统均为集中式的体系结构。集中控制系统的主要特点是由单一的计算机完成控制系统的所有功能和对所有被控对象实施控制。集中式控制系统的优点是结构简单、清晰、集中式的数据库很容易管理，并容易保证数据一致性。但其缺点也很多：由于功能集中在一台计算机上，使得软件系统十分庞大，系统软件可靠性下降，造成系统运行中时有故障发生；系统的可扩性差；所有的功能、所有的处理集中在一台计算机上，大大增加计算机失效或故障对整个系统造成的危害性。
随着计算机应用的不断深入，系统功能越来越复杂，系统规模也越来越庞大，集中式控制系统已越来越无法满足应用需求了。人们迫切需要一种新的系统体系，分散故障风险，提高自动控制系统的可靠性。针对集中式控制系统存在的种种问题，人们开始寻求解决方案，逐渐形成了DCS设计的基本原则：每台计算机的处理尽量单一化；用计算机网络解决系统的扩充与升级的问题。事实上，被控制过程本身具有层次性和可分割性，上述原则符合被控制过程自身的内在规律，因此在1975年由Honeywell公司率先推出基于上述设想的DCS后，很快地得到了广泛的承认和普遍的应用，其后有许多家公司如美国的Foxboro、日本的横河（Yokogawa）、Westinghouse、Fisher Rosement、Leeds&Norhrup（现在属于英国MCS）、Taylor（现在属于瑞士ABB）、Moore、德国的Siemens、加拿大的Bailey等纷纷推出各自的DCS。经过短短的二十几年，目前DCS已成为计算机控制系统的主流产品。
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