一種基于PCC 的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計

引言

　　水電站計算機監(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化控制水平，它直接影響機組的運行安全、電能質量以及生產效益等。

　　從目前水電站自動化水平的發(fā)展需求看， 可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller） 在高速數據處理、網絡通信以及系統(tǒng)擴展等方面的能力已經不能滿足要求， 而新一代的可編程計算機控制器PCC（Programmable Computer Controller ）不僅擁有PLC 穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，同時也具備了工業(yè)控制計算機強大的數據處理及通信能力、豐富的編程語言， 諸多優(yōu)點已使其能夠勝任大型的集散控制以及復雜的控制過程。

　　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，同時以最小二乘法對機組模擬量進行濾波，并基于幀驅動器以及OPC Server 實現了PCC 控制系統(tǒng)同外部智能設備及上位機的通信，組成了一個較先進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)控方式與組成結構

　　以計算機為基礎的監(jiān)控方式CBSC（Computer-Based Supervisory Control ）是目前國內外水電廠普遍采用的計算機監(jiān)控方式。CBSC 模式的主要特點是電廠的主要監(jiān)控功能全部由計算機實現，大大簡化常規(guī)控制裝置，僅留一部分現地操作設備以備特殊情況，但由于位于監(jiān)控系統(tǒng)較底層的現地控制單元LCU（ Local Control Unit）一般都以PLC 作為其控制核心，在數據處理、通信上功能不夠強大，用戶如要擴展或升級系統(tǒng)就需要相當大的投入，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。

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

　　在該系統(tǒng)中，調速器、電量儀及溫度巡檢儀等智能設備能夠穩(wěn)定地同PCC 通信并將數據送入PCC,而PCC 則通過以太網（基于TCP / IP 協(xié)議）同上位機監(jiān)控終端通信，同時也將數據送至位于LCU 上的人機界面顯示。這種模式彌補了設備分散帶來的不足，使運行人員可以在上位機或人機界面上監(jiān)控機組運行狀態(tài)， 實現真正的集散式監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)結構如圖1 所示。

　　圖1 系統(tǒng)結構

　　2 現地控制單元程序設計

　　2.1 控制程序設計

　　2.1.1 任務層設計

　　PCC 的操作系統(tǒng)是一個分時多任務操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使控制系統(tǒng)得以優(yōu)化，擁有更好的穩(wěn)定性和實時性。在控制程序中，各個任務程序模塊依據其自身的重要性、實時性要求， 分別位于優(yōu)先級不同的任務層下，完成不同的功能。例如，事故故障處理直接影響水輪機組的安全運行， 因此， 該模塊被置于任務層Cyclic #1 中； 而對實時性要求相對不高的模塊如通信程序模塊，則被置于任務層Cyclic # 4中。

　　圖2 為控制程序各個任務程序模塊的任務層分布（括號內時間分別表示不同任務層的循環(huán)時間）

　　2.1.2 模擬量處理程序設計

　　機組模擬量如壓力、溫度等對整個水輪機組的正常運行起著至關重要的作用，因此需要對模擬量進行濾波以保證數據的準確性。以PLC 為核心的控制系統(tǒng)對模擬量值的濾波一般是通過將模/ 數轉換器得到的數值進行平均N 次得以實現，存在著可靠性差等缺點。該程序則基于最小二乘法對模擬量數據進行擬合處理， 并可根據傳感器特性的變化調整參數， 提高了數據的可靠性。最小二乘法即：選擇適當的a, b, 使式（ 1） 中的ε最小。

　　因為ε是a, b 的函數， 用求極值的方法可知應滿足：

　　解出a, b：

　　則：

　　式中Yi 為第i 個模擬量通道的數據處理結果；Xi為從傳感器讀取的第i 個模擬量通道的初始值；a i, bi 為對應該通道的參數；n 為平均次數，程序中一般取20 次。

　　模擬量處理模塊部分程序如下：

　　2.2 通信程序設計

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

　　a. 初始化。通信開始時，通過幀命令FRM_xopen（ enbale, device, mode） 初始化端口，其參數定義了接口設備、接口參數以及數據傳輸狀態(tài)等。

　　b. 數據發(fā)送與接收。函數FRM_xopen（ ）初始化完成后返回緩沖區(qū)的地址及其長度，然后調用memcpy（ ）將數據寫入緩沖區(qū)， 并將數據發(fā)送出去。

　　數據接收的過程與發(fā)送基本相反，幀驅動器首先調用FRM_read（ ）讀取1 幀數據并把它放在緩沖區(qū)中，然后由memcpy（ ） 讀出該緩沖區(qū)的內容。

　　通信模塊部分程序如下：

　　3 上位機監(jiān)控實現

　　3.1 OPC 服務器

　　上位機監(jiān)控功能是借助OPC（OLE for ProcessControl）服務器為橋梁實現上位機組態(tài)軟件對機組數據信息的共享的。OPC 是一個工業(yè)標準，它為不同廠商的硬件設備、軟件和系統(tǒng)定義了公共的接口，使過程控制和工廠自動化中的不同系統(tǒng)、設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)議與其他現場設備通信的優(yōu)點在于：不管硬件設備是否使用標準的通信協(xié)議，制造商只需要提供1套OPC 服務器，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)議細節(jié)提供給軟件商。

　　OPC 服務器軟件主要分為OPC 服務器對象模塊、服務器界面模塊和OPC 驅動程序模塊，3 個模塊通過同一塊主內存數據區(qū)共享數據，通過線程的同步和互斥等技術的使用， 可解決共享數據的保護問題。

　　在該系統(tǒng)中，上位監(jiān)控計算機啟動后，系統(tǒng)自動加載一個被B&R 稱之為“PVI”的系統(tǒng)模塊，同時PVI 啟動同封裝在PCC 操作系統(tǒng)中的OPC 服務器的通信（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”中用戶可根據需要選擇性定義從OPC 服務器傳輸的數據。B&RPVI 的基本構成（ 見B & R 2005 User’s Manual,2004）如圖3 所示。

　　圖3 PVI 基本構成

　　3.2 組態(tài)程序設計

　　該系統(tǒng)的組態(tài)程序采用北京亞控“組態(tài)王6.03”設計。“組態(tài)王6.03”有比較完善的報警和事件系統(tǒng)、報表系統(tǒng)及支持Windows 標準的Active X 控件， 同時全面支持OPC 標準， 可以通過PVI 很方便地實現同PCC OPC Server 的數據共享， 完成諸如開關量監(jiān)視記錄和事件順序記錄、事故追憶和故障錄波、自動發(fā)電控制（AGC） 、自動電壓控制（AVC）等監(jiān)控功能。

　　4 結語

　　本文結合發(fā)展迅速的PCC 技術，介紹了一種新型高效的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于B&R2005 系列PCC, 在以最小二乘法對機組模擬量進行濾波的基礎上，實現了機組的各種控制與保護功能，并基于幀驅動器以及OPC Server 實現了PCC 控制系統(tǒng)同外部智能設備及上位機的通信， 組成了一個較先進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)自現場安裝調試完畢至今，已安全可靠地穩(wěn)定運行了將近1 年。PCC 可能將會依靠其強大的性能逐漸取代PLC,，成為水電廠自動化改造中不可或缺的一部分。