摘 要： 介紹了佛子嶺水電站監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能及其特點(diǎn)，佛子嶺水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)滿足了電站按“無(wú)人值班”(少人值守)模式運(yùn)行管理的需要，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)方通信的功能。系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計(jì)，代表了國(guó)內(nèi)水電站監(jiān)控系統(tǒng)的主流設(shè)計(jì)趨勢(shì)。并且在保證可靠性的前提下，充分滿足水電站各方面信號(hào)實(shí)時(shí)性的要求。
關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；無(wú)人值守；分層分布；佛子嶺水電站
佛子嶺水電站建成于1954年，共裝有8臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量6.1萬(wàn)千瓦，在安徽電網(wǎng)中主要擔(dān)任調(diào)峰和事故備用。其中的6#和7#發(fā)電機(jī)組在上世紀(jì)80年代投入運(yùn)行，主要是SIEMENS S7-200系統(tǒng)，并且無(wú)上位機(jī)監(jiān)控，自動(dòng)化程度較差，運(yùn)行維護(hù)需要投入的人力物力多。遂與合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院合作，改造6#和7#機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。
電站按“無(wú)人值班”(少人值守)集控中心遠(yuǎn)方監(jiān)控設(shè)計(jì)原則下，采用德國(guó)SIEMENS 公司的S7-300PLC為基礎(chǔ)的監(jiān)控方式。系統(tǒng)采用Advantech工控機(jī)、德國(guó)SIEMENS公司的S7-300 PLC和WinCC/KingView組態(tài)軟件，為用戶提供可靠、穩(wěn)定和先進(jìn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控解決方案。
1 水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層、分布、開(kāi)放的模式，主要由監(jiān)控管理層(中央監(jiān)控室)、現(xiàn)地控制層、保護(hù)室三部分構(gòu)成。通信協(xié)議選用TCP/IP協(xié)議，所有工控機(jī)均選用Windows XP系統(tǒng)。
水電站計(jì)算機(jī)發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
(1)監(jiān)控管理層(中央控制室)
中央監(jiān)控室層負(fù)責(zé)對(duì)所有工藝狀況的集中監(jiān)視和協(xié)調(diào)控制，并分析、記錄和顯示被控工藝段的主要生產(chǎn)工藝的流程以及相關(guān)生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)及參數(shù)所處狀態(tài)等，以實(shí)現(xiàn)水電廠生產(chǎn)過(guò)程的綜合控制。中央監(jiān)控室配置兩臺(tái)工控機(jī)，采用一用一備的原則，如果其中一臺(tái)出現(xiàn)故障，另外一臺(tái)可以確保系統(tǒng)正常工作。中央控制器的工控機(jī)上采用KingView組態(tài)軟件，在KingView上監(jiān)控整個(gè)水電站的生產(chǎn)過(guò)程、運(yùn)行狀況以及報(bào)警處理。
投入運(yùn)行后，KingView是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集處理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，監(jiān)控組態(tài)軟件與各種控制、檢測(cè)設(shè)備(如PLC、智能儀表等)共同構(gòu)成快速響應(yīng)控制中心。運(yùn)行人員可以隨時(shí)查看機(jī)組運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及流程畫(huà)面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫(huà)面；系統(tǒng)自動(dòng)記錄并保存各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具有報(bào)警功能并能及時(shí)得到并處理各種報(bào)警過(guò)程；在需要時(shí)，可人為干預(yù)工作過(guò)程，修改水電生產(chǎn)參數(shù)和狀態(tài)。同時(shí)也大大加強(qiáng)了監(jiān)控系統(tǒng)控制級(jí)與現(xiàn)地級(jí)的信息交互性。
(2)現(xiàn)地控制層
現(xiàn)地控制層直接控制工藝流程，包括一些重要的生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行，獨(dú)立完成控制和數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)地控制層采用分布方式，即現(xiàn)地控制層依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分成一個(gè)小單元，每個(gè)單元建立一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的LCU。在該水電站監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)分為6#和7#兩個(gè)機(jī)組，對(duì)每臺(tái)機(jī)組設(shè)立一個(gè)LCU，另外一些輔助系統(tǒng)(如油系統(tǒng)、水系統(tǒng)和氣系統(tǒng)等)也單獨(dú)設(shè)立一個(gè)LCU。
每一個(gè)LCU的結(jié)構(gòu)模式如圖2所示。這種模式通過(guò)工控機(jī)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和底層通信等功能。但是這種模式也存在一個(gè)缺點(diǎn)，就是當(dāng)工控機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致LCU單元與中央控制室失去聯(lián)系。解決的辦法就是采用冗余的方式，在系統(tǒng)中備用一臺(tái)完全相同的工控機(jī)。
由圖1可知：
①發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控采用SIEMENS S7-300PLC作為控制器，主要監(jiān)控水輪機(jī)等發(fā)電設(shè)備的開(kāi)機(jī)和停機(jī)過(guò)程，并控制同期裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)同期上網(wǎng)。
②現(xiàn)場(chǎng)同樣為每臺(tái)機(jī)組配置一臺(tái)工控機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)上采用WinCC組態(tài)軟件，工控機(jī)作為現(xiàn)地人機(jī)聯(lián)系接口，可顯示開(kāi)停機(jī)流程、數(shù)據(jù)庫(kù)一覽表等畫(huà)面。
③發(fā)電機(jī)定子溫度等模擬量由18路溫度巡檢表檢測(cè)并通過(guò)485總線傳送給現(xiàn)場(chǎng)控制層的工控機(jī)，在組態(tài)軟件WinCC上顯示出來(lái)。
④其他一些輔助系統(tǒng)，則采用SIEMENS的S7-200系統(tǒng)，數(shù)據(jù)同樣傳送上位機(jī)中的組態(tài)軟件WinCC。
(3)保護(hù)室
保護(hù)室只配置一臺(tái)工控機(jī)，工控機(jī)上采用組態(tài)軟件WinCC，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，并且在出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行及時(shí)的緊急處理。
2 水電站的通信網(wǎng)絡(luò)
(1)OPC技術(shù)(監(jiān)控管理層與現(xiàn)地控制層之間的通信)
由于采用分布控制、集中監(jiān)視，所以中央監(jiān)控室一般與控制現(xiàn)場(chǎng)之間距離較遠(yuǎn)。為了保證通信的質(zhì)量、保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及監(jiān)控的及時(shí)性，在中央控制室之間采用光纖作為介質(zhì)。
在本項(xiàng)目中，控制室與現(xiàn)場(chǎng)之間的通信主要是Windows程序間的通信，即控制室KingView軟件與現(xiàn)場(chǎng)WinCC軟件之間的通信。由于距離遠(yuǎn)，信息量大，且要求的速度性、可靠性高，這就對(duì)通信質(zhì)量提出了較高的要求。
對(duì)象鏈接與嵌入技術(shù)(OPC)，由于通信穩(wěn)定，信號(hào)傳輸速度快，適于大批量數(shù)據(jù)交換，已經(jīng)成為新的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)。OPC技術(shù)的本質(zhì)是Microsoft的COM/DCOM技術(shù)，COM為基于Window的程序提供統(tǒng)一的、可擴(kuò)充的通信協(xié)議；DCOM是COM在分布式計(jì)算領(lǐng)域的擴(kuò)展，使COM支持在局域網(wǎng)上不同計(jì)算機(jī)的對(duì)象之間的通信[1]。因此選用OPC通信標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)中央控制室與現(xiàn)地控制層之間的數(shù)據(jù)傳輸。OPC通信結(jié)構(gòu)如圖3所示，在本系統(tǒng)中，將現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)上的WinCC作為服務(wù)器，采集現(xiàn)地控制層的數(shù)據(jù)；中央監(jiān)控室工控機(jī)上的KingView作為客戶，接收服務(wù)器(WinCC)傳來(lái)的數(shù)據(jù)并將控制信號(hào)傳輸給服務(wù)器(WinCC)來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
(2)現(xiàn)地控制層網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)地控制層采用Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)為現(xiàn)場(chǎng)總線。由于6#機(jī)組和7#機(jī)組以及各LCU之間距離很近，所以現(xiàn)場(chǎng)各工控機(jī)、PLC之間采用雙絞線為介質(zhì)，通過(guò)交換機(jī)組建一個(gè)局域網(wǎng)。
(3)保護(hù)室與現(xiàn)地控制層之間的通信
保護(hù)室是為了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)報(bào)警等狀況，需要到現(xiàn)場(chǎng)處理時(shí)，能夠迅速做出反應(yīng)，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度以及可控性要求不高。而且由于離現(xiàn)場(chǎng)不遠(yuǎn)，所以用一根雙絞線直接將保護(hù)室的工控機(jī)連到現(xiàn)場(chǎng)的局域網(wǎng)中。
3 監(jiān)控系統(tǒng)功能與特點(diǎn)
(1)應(yīng)用了基于DCS的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件
應(yīng)用基于DCS的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控軟件(如S7-300的編程軟件)、KingView和WinCC組態(tài)軟件，使用戶輕松掌握計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)，極大地提高了運(yùn)行、維護(hù)人員對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的使用、維護(hù)和二次開(kāi)發(fā)的便利性，大大減輕了維護(hù)工作量；使系統(tǒng)不僅滿足目前的應(yīng)用需求，還可以根據(jù)將來(lái)的需求進(jìn)行擴(kuò)展；提高了系統(tǒng)的可用性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和可靠性。
(2)輔助系統(tǒng)設(shè)立獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)控制模塊
現(xiàn)場(chǎng)控制層設(shè)立獨(dú)立的輔助系統(tǒng)控制模塊。如油系統(tǒng)、氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，采用獨(dú)立的控制系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸給主系統(tǒng)。若中央控制系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，只會(huì)造成控制室內(nèi)無(wú)法顯示數(shù)據(jù)，但是不會(huì)影響到系統(tǒng)的正常工作；同時(shí)，若某獨(dú)立系統(tǒng)出錯(cuò)，也不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的可靠性。
(3)人機(jī)對(duì)話界面友好
在監(jiān)控管理層(中央控制室)中采用KingView，在現(xiàn)場(chǎng)控制層中采用WinCC組態(tài)軟件，監(jiān)控畫(huà)面直觀地表達(dá)出生產(chǎn)過(guò)程，能夠?qū)崟r(shí)地顯示數(shù)據(jù)，并且能實(shí)時(shí)多任務(wù)、使用靈活、功能多樣、運(yùn)行可靠。而且接口開(kāi)放，易于擴(kuò)展，二次開(kāi)發(fā)容易。另外，在依照現(xiàn)場(chǎng)工作人員要求多次修改畫(huà)面后，工作人員對(duì)畫(huà)面更加熟悉、親切、易于操作。
(4)與現(xiàn)場(chǎng)原有獨(dú)立的控制單元實(shí)現(xiàn)通信
由于水電站監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜性，很多控制單元，如調(diào)速器、水輪機(jī)的溫度等都是現(xiàn)場(chǎng)控制的，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)中央集中監(jiān)控，給運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)了極大的不便。而本文的這套系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線以及OPC通信協(xié)議，與現(xiàn)場(chǎng)各獨(dú)立的控制單元都能實(shí)現(xiàn)通信，可以采集數(shù)據(jù)以及發(fā)出控制指令，從而可以在控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。
(5)通過(guò)104規(guī)約與升壓站進(jìn)行通信
水電站發(fā)電主要分為發(fā)電機(jī)組和升壓站兩個(gè)重要部分。本文系統(tǒng)主要是針對(duì)生產(chǎn)工藝，即對(duì)發(fā)電機(jī)組相關(guān)的監(jiān)控。但是為了讓工作人員更加方便地監(jiān)視整個(gè)水電站發(fā)電的工作狀況，本設(shè)計(jì)采用通過(guò)電力系統(tǒng)104規(guī)約與升壓站進(jìn)行通信，將升壓站的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在同一套監(jiān)控設(shè)備上，即同一臺(tái)工控機(jī)上。并將這些監(jiān)控畫(huà)面顯示在同一套監(jiān)控軟件中，這樣工作人員只需要操作一臺(tái)設(shè)備就可以監(jiān)視整個(gè)水電站發(fā)電的工作狀況，給工作人員的操作帶來(lái)了極大的便利。
(6)自診斷功能
現(xiàn)地控制單元配置了完備的硬件及軟件診斷功能。PLC具有自診斷功能，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)中的故障，以便采取措施并加以排除，從而提高了水電站監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，保證了電站設(shè)備的安全運(yùn)行。
本文提出的佛子嶺水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，解決了電站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的可視化及集中監(jiān)控問(wèn)題。系統(tǒng)在保證可靠安全的前提下，完全按照冗余化和開(kāi)放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)合理、功能完善。整個(gè)水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水電廠生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的綜合管理，從而達(dá)到保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善企業(yè)管理水平等目的。
參考文獻(xiàn)
[1] 顧紀(jì)銘.OPC技術(shù)在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].南京：河海大學(xué)計(jì)算機(jī)及信息工程學(xué)院，2007.