一種基于PCC 的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)劣在一定意義上代表著該水電站的自動(dòng)化控制水平，它直接影響機(jī)組的運(yùn)行安全、電能質(zhì)量以及生產(chǎn)效益等。

　　從目前水電站自動(dòng)化水平的發(fā)展需求看， 可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller） 在高速數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信以及系統(tǒng)擴(kuò)展等方面的能力已經(jīng)不能滿足要求， 而新一代的可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC（Programmable Computer Controller ）不僅擁有PLC 穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具備了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及通信能力、豐富的編程語言， 諸多優(yōu)點(diǎn)已使其能夠勝任大型的集散控制以及復(fù)雜的控制過程。

　　本文介紹的系統(tǒng)基于B&R 2005 系列PCC, 采用ANSI C 語言編制控制程序，同時(shí)以最小二乘法對(duì)機(jī)組模擬量進(jìn)行濾波，并基于幀驅(qū)動(dòng)器以及OPC Server 實(shí)現(xiàn)了PCC 控制系統(tǒng)同外部智能設(shè)備及上位機(jī)的通信，組成了一個(gè)較先進(jìn)的適用于中小型水電站的開放式監(jiān)控系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)監(jiān)控方式與組成結(jié)構(gòu)

　　以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控方式CBSC（Computer-Based Supervisory Control ）是目前國內(nèi)外水電廠普遍采用的計(jì)算機(jī)監(jiān)控方式。CBSC 模式的主要特點(diǎn)是電廠的主要監(jiān)控功能全部由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，大大簡化常規(guī)控制裝置，僅留一部分現(xiàn)地操作設(shè)備以備特殊情況，但由于位于監(jiān)控系統(tǒng)較底層的現(xiàn)地控制單元LCU（ Local Control Unit）一般都以PLC 作為其控制核心，在數(shù)據(jù)處理、通信上功能不夠強(qiáng)大，用戶如要擴(kuò)展或升級(jí)系統(tǒng)就需要相當(dāng)大的投入，而PCC 則依靠其豐富靈活的通信模塊成功解決了這一問題，使CBSC 監(jiān)控方式更加靈活有效。

　　結(jié)合廣西宜州拉浪水電站的實(shí)際情況，本系統(tǒng)基于B&R 2005 系列中型PCC 并以CBSC 方式設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制核心PCC 由一系列獨(dú)立封裝的盒式模塊組成，基本模塊包括電源模塊和CPU 模塊，擴(kuò)展模塊包括I /O 模塊、通信模塊等。

　　在該系統(tǒng)中，調(diào)速器、電量儀及溫度巡檢儀等智能設(shè)備能夠穩(wěn)定地同PCC 通信并將數(shù)據(jù)送入PCC,而PCC 則通過以太網(wǎng)（基于TCP / IP 協(xié)議）同上位機(jī)監(jiān)控終端通信，同時(shí)也將數(shù)據(jù)送至位于LCU 上的人機(jī)界面顯示。這種模式彌補(bǔ)了設(shè)備分散帶來的不足，使運(yùn)行人員可以在上位機(jī)或人機(jī)界面上監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)， 實(shí)現(xiàn)真正的集散式監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　2 現(xiàn)地控制單元程序設(shè)計(jì)

　　2.1 控制程序設(shè)計(jì)

　　2.1.1 任務(wù)層設(shè)計(jì)

　　PCC 的操作系統(tǒng)是一個(gè)分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使控制系統(tǒng)得以優(yōu)化，擁有更好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。在控制程序中，各個(gè)任務(wù)程序模塊依據(jù)其自身的重要性、實(shí)時(shí)性要求， 分別位于優(yōu)先級(jí)不同的任務(wù)層下，完成不同的功能。例如，事故故障處理直接影響水輪機(jī)組的安全運(yùn)行， 因此， 該模塊被置于任務(wù)層Cyclic #1 中； 而對(duì)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)不高的模塊如通信程序模塊，則被置于任務(wù)層Cyclic # 4中。

　　圖2 為控制程序各個(gè)任務(wù)程序模塊的任務(wù)層分布（括號(hào)內(nèi)時(shí)間分別表示不同任務(wù)層的循環(huán)時(shí)間）

　　2.1.2 模擬量處理程序設(shè)計(jì)

　　機(jī)組模擬量如壓力、溫度等對(duì)整個(gè)水輪機(jī)組的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，因此需要對(duì)模擬量進(jìn)行濾波以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。以PLC 為核心的控制系統(tǒng)對(duì)模擬量值的濾波一般是通過將模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)值進(jìn)行平均N 次得以實(shí)現(xiàn)，存在著可靠性差等缺點(diǎn)。該程序則基于最小二乘法對(duì)模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理， 并可根據(jù)傳感器特性的變化調(diào)整參數(shù)， 提高了數(shù)據(jù)的可靠性。最小二乘法即：選擇適當(dāng)?shù)腶, b, 使式（ 1） 中的ε最小。

　　因?yàn)?epsilon;是a, b 的函數(shù)， 用求極值的方法可知應(yīng)滿足：

　　解出a, b：

　　則：

　　式中Yi 為第i 個(gè)模擬量通道的數(shù)據(jù)處理結(jié)果；Xi為從傳感器讀取的第i 個(gè)模擬量通道的初始值；a i, bi 為對(duì)應(yīng)該通道的參數(shù)；n 為平均次數(shù)，程序中一般取20 次。

　　模擬量處理模塊部分程序如下：

　　2.2 通信程序設(shè)計(jì)

　　LCU 與外部設(shè)備如電量儀等的通信基于幀驅(qū)動(dòng)器。幀驅(qū)動(dòng)器是一種介于應(yīng)用程序和硬件接口之間的軟件工具箱，它使幀以字節(jié)流的形式進(jìn)行發(fā)送與接收，無需驅(qū)動(dòng)器對(duì)這些幀進(jìn)行操作。

　　a. 初始化。通信開始時(shí)，通過幀命令FRM_xopen（ enbale, device, mode） 初始化端口，其參數(shù)定義了接口設(shè)備、接口參數(shù)以及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)等。

　　b. 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。函數(shù)FRM_xopen（ ）初始化完成后返回緩沖區(qū)的地址及其長度，然后調(diào)用memcpy（ ）將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)， 并將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　數(shù)據(jù)接收的過程與發(fā)送基本相反，幀驅(qū)動(dòng)器首先調(diào)用FRM_read（ ）讀取1 幀數(shù)據(jù)并把它放在緩沖區(qū)中，然后由memcpy（ ） 讀出該緩沖區(qū)的內(nèi)容。

　　通信模塊部分程序如下：

　　3 上位機(jī)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

　　3.1 OPC 服務(wù)器

　　上位機(jī)監(jiān)控功能是借助OPC（OLE for ProcessControl）服務(wù)器為橋梁實(shí)現(xiàn)上位機(jī)組態(tài)軟件對(duì)機(jī)組數(shù)據(jù)信息的共享的。OPC 是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它為不同廠商的硬件設(shè)備、軟件和系統(tǒng)定義了公共的接口，使過程控制和工廠自動(dòng)化中的不同系統(tǒng)、設(shè)備和軟件之間能夠互相連接、通信、操作。監(jiān)控系統(tǒng)采用OPC協(xié)議與其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信的優(yōu)點(diǎn)在于：不管硬件設(shè)備是否使用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，制造商只需要提供1套OPC 服務(wù)器，就可以支持大部分的監(jiān)控等軟件，也不需要將自己的通信協(xié)議細(xì)節(jié)提供給軟件商。

　　OPC 服務(wù)器軟件主要分為OPC 服務(wù)器對(duì)象模塊、服務(wù)器界面模塊和OPC 驅(qū)動(dòng)程序模塊，3 個(gè)模塊通過同一塊主內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)共享數(shù)據(jù)，通過線程的同步和互斥等技術(shù)的使用， 可解決共享數(shù)據(jù)的保護(hù)問題。

　　在該系統(tǒng)中，上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后，系統(tǒng)自動(dòng)加載一個(gè)被B&R 稱之為“PVI”的系統(tǒng)模塊，同時(shí)PVI 啟動(dòng)同封裝在PCC 操作系統(tǒng)中的OPC 服務(wù)器的通信（在本系統(tǒng)中基于TCP / IP 協(xié)議）。PVI 的核心部分為“PVI manager”，在“PVI manager”中用戶可根據(jù)需要選擇性定義從OPC 服務(wù)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。B&RPVI 的基本構(gòu)成（ 見B & R 2005 User’s Manual,2004）如圖3 所示。

　　圖3 PVI 基本構(gòu)成

　　3.2 組態(tài)程序設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的組態(tài)程序采用北京亞控“組態(tài)王6.03”設(shè)計(jì)。“組態(tài)王6.03”有比較完善的報(bào)警和事件系統(tǒng)、報(bào)表系統(tǒng)及支持Windows 標(biāo)準(zhǔn)的Active X 控件， 同時(shí)全面支持OPC 標(biāo)準(zhǔn)， 可以通過PVI 很方便地實(shí)現(xiàn)同PCC OPC Server 的數(shù)據(jù)共享， 完成諸如開關(guān)量監(jiān)視記錄和事件順序記錄、事故追憶和故障錄波、自動(dòng)發(fā)電控制（AGC） 、自動(dòng)電壓控制（AVC）等監(jiān)控功能。

　　4 結(jié)語

　　本文結(jié)合發(fā)展迅速的PCC 技術(shù)，介紹了一種新型高效的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于B&R2005 系列PCC, 在以最小二乘法對(duì)機(jī)組模擬量進(jìn)行濾波的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的各種控制與保護(hù)功能，并基于幀驅(qū)動(dòng)器以及OPC Server 實(shí)現(xiàn)了PCC 控制系統(tǒng)同外部智能設(shè)備及上位機(jī)的通信， 組成了一個(gè)較先進(jìn)的適用于中小型水電站的開放式監(jiān)控系統(tǒng)。

　　該監(jiān)控系統(tǒng)自現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試完畢至今，已安全可靠地穩(wěn)定運(yùn)行了將近1 年。PCC 可能將會(huì)依靠其強(qiáng)大的性能逐漸取代PLC,，成為水電廠自動(dòng)化改造中不可或缺的一部分。