基于PAC的水電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)

覃　芊

摘要：本文通過闡述新一代PLC—PAC(可編程自動控制器)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建水電機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)研究和分析了該監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信和基于LabVIEW的軟件模塊化設(shè)計(jì)，展示基于PAC技術(shù)的火電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的具有獨(dú)特的靈活性和可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：水電機(jī)組PAC LabVIEW自動控制

1.前言

隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展與電力技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備越來越精密、輕巧，自動化程度越來越高。為了保證水電站大型設(shè)備的安全可靠性與經(jīng)濟(jì)性，許多設(shè)備配置了先進(jìn)的監(jiān)控、監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)不斷地改善設(shè)備檢修方式。為了提高其安全可靠性和技術(shù)的靈活性，我們引入新一代的PLC技術(shù)PAC(可編程自動控制器)。PAC systems代表了控制工業(yè)領(lǐng)域的革命，它的意義在與自動控制的集成，而不是將各部件簡單的集成。

2.PAc及其技術(shù)特點(diǎn)

PAC(Programmable Automation controller)即可編程自動控制器的簡稱。在PAC技術(shù)上，NI(Nitional Instruments)公司的產(chǎn)品得到廣泛的接受和應(yīng)用。NI的PAC平臺基于NI LabVIEW技術(shù)，開發(fā)定制的測控系統(tǒng)可將其部署到可靠的運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式平臺或嵌入到芯片中。PAC被設(shè)計(jì)來滿足：圖形化：使控制系統(tǒng)圖形化和具有HMI；測量：豐富的I／O開發(fā)可以高速數(shù)據(jù)采集，視覺和運(yùn)動；平臺：使用LabVIEW，可以運(yùn)行各種平臺的代碼，包括PC，嵌入式控制器，F(xiàn)PGA芯片和手持PDA；通訊：利用OPC和SQL等這樣的工具可以輕松傳輸數(shù)據(jù)給企業(yè)。

PLC演變到可以使用模擬I／O，網(wǎng)絡(luò)通訊，和新的編程標(biāo)準(zhǔn)如IEC61131—3的階段，然而，工程師所開發(fā)的工業(yè)應(yīng)用80％是使用數(shù)字I／O，少量模擬I／O和簡單的編程技巧。但是如果工程師要開其他20％的應(yīng)用就必須突破PLC的限制，這些20％的用戶考慮使用PC來進(jìn)行工業(yè)控制，這樣能得到無比的靈活性和高效的軟件和硬件然而，基于PC的工業(yè)控制有以下弱點(diǎn)：

穩(wěn)定性——通用的操作系統(tǒng)常常不夠穩(wěn)定并且生產(chǎn)、控制會受到系統(tǒng)崩潰和無法預(yù)料的重啟的影響。

可靠性——由于磁性硬盤的旋轉(zhuǎn)和有電源這樣的兼顧程度不到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不見，PC容易發(fā)生故障。

不熟悉的編程環(huán)境——當(dāng)系統(tǒng)停止時(shí)，工程的操作人員需要恢復(fù)系統(tǒng)。對于梯形邏輯，操作人員能人工啟動一個(gè)線圈或者補(bǔ)充代碼來快速恢復(fù)一個(gè)系統(tǒng)，但對于PC系統(tǒng)，操作人員需要學(xué)習(xí)新工具。

PAC融合PLC和Pc的優(yōu)點(diǎn)，不但具有很強(qiáng)的軟件編程能力(software capabilities)，而且有很強(qiáng)的硬件性能和靈活性(ruggednessand reliabilty)，因此，基于PAC的水電機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)具有巨大的優(yōu)越性。

PAC與PC、PLC關(guān)系示意圖：

3.水電機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)

3.1可控制系統(tǒng)的功能要求

A.對水電站的運(yùn)行參數(shù)(機(jī)組開度、轉(zhuǎn)速、流量、進(jìn)氣壓強(qiáng)、溫度、振動、擺度、定轉(zhuǎn)子電壓電流、無功功率)

B.在中央控制室中顯示監(jiān)測參數(shù)的圖表、進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和實(shí)現(xiàn)操作管理。

c.對出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行自動報(bào)警與事件記錄及相應(yīng)的反饋控制。

3.2水電機(jī)組PAC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域中，有基于多種PC機(jī)總線的PC-DAO數(shù)據(jù)采集卡，也有基于VXI總線的各種數(shù)據(jù)采集模塊。但是在GPIB、PC-DAQ和VXI三種虛擬儀器體系中，GPIB實(shí)質(zhì)上是通過計(jì)算機(jī)對傳統(tǒng)儀器功能的擴(kuò)展與延伸；PC-DAQ直接利用了標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)總線，沒有儀器所需要的總線性能；而一次構(gòu)建VXI系統(tǒng)需要較大的資金投入。我們選擇PXI作為數(shù)據(jù)采集的工具，PXI是1997~NI公司推出的一種全新的開放性和模塊化儀器總線規(guī)范，它將Compact PCI的集成式觸發(fā)功能與Windows操作系統(tǒng)結(jié)合在一起。在保PXI總線與Compact PCI模塊結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上，增加了系統(tǒng)參考時(shí)鐘與觸發(fā)器總線等，加之熟悉的Windows環(huán)境使得PXI系統(tǒng)更適合構(gòu)建工業(yè)自動化測控系統(tǒng)?；赑XI總線規(guī)范構(gòu)建的系統(tǒng)將PC機(jī)的性價(jià)比優(yōu)勢和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展結(jié)合起來。成為一種新型的虛擬儀器系統(tǒng)，PXI除了具有VXI基本相同的性能外，還具有開發(fā)周期短、價(jià)格低、易于組建便攜式自動測量系統(tǒng)的特點(diǎn)。

3.3軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)選擇NI公司的LavVIEW 7 Express作為開發(fā)工具，它采用圖形化編程方案，也稱為G語言，LavVIEW提供了豐富的函數(shù)及子程序：從基本的數(shù)學(xué)函數(shù)到高級分析庫，包括信號處理、窗函數(shù)、濾波器設(shè)計(jì)、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、曲線擬合、傅立葉變換、小波分析等。通過這些函數(shù)及子程序庫，可以實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的軟件化，設(shè)計(jì)出符合技術(shù)要求的水電機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)。

LabVIEW開發(fā)環(huán)境由前面板和流程圖兩部分組成。前面板是人機(jī)交互的圖形用戶接口集，成了多種常用的控制對象，如開關(guān)按鈕、示波器、指示器、定時(shí)器等。它相當(dāng)于實(shí)際儀器的操作面板。設(shè)計(jì)時(shí)只需從控件庫中選取所需的控件并為它們設(shè)計(jì)合理的屬性(例如尺寸和量程等)和具體放置位置。前面板的合理設(shè)計(jì)有助于核電監(jiān)測系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)并方便操作。因此前面板應(yīng)設(shè)置多段開關(guān)以實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)處理方法。

流程圖則是圖形的圖形化代碼，主要由前面板上控制的圖標(biāo)，函數(shù)圖標(biāo)和連線組成。設(shè)計(jì)時(shí)從函數(shù)庫中選出所需要的函數(shù)圖標(biāo)，并按照數(shù)據(jù)在程序中傳遞的順序?qū)D標(biāo)連起來。

3.4系統(tǒng)工作原理

基于PAC的水電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)依據(jù)虛擬儀器的強(qiáng)大功能，對被測參數(shù)，按實(shí)際需要，對系統(tǒng)內(nèi)的資源進(jìn)行合理分配，即把系統(tǒng)看作在計(jì)算機(jī)控制下的具有多種功能的設(shè)備、儀表的集成，其操作面板即為各種設(shè)備儀器、儀表的“虛擬面板”的集成。也就是說，整個(gè)系統(tǒng)在虛擬儀器軟件的作用下，不僅實(shí)現(xiàn)單一測控的功能，更重要的是實(shí)現(xiàn)檢測控制功能的組合，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的支持下，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的測量和控制。在下圖所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)控制器由代機(jī)擔(dān)任，通過MXI-3總線光纜，實(shí)現(xiàn)對PXI-SCXI的控制，由各種參數(shù)測量的現(xiàn)場傳感器和變送器把信號接入PXI-SCXI內(nèi)的數(shù)據(jù)采集板。操作人員根據(jù)測控任務(wù)要求，配置硬件和軟件，組織各種監(jiān)測和控制。

4.結(jié)語

以計(jì)算機(jī)位主控單元，依據(jù)PAC可編程自動控制的核心思想，以LabVIEW為開發(fā)平臺設(shè)計(jì)的水電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)，充分發(fā)揮了虛擬儀器的優(yōu)勢，系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)測量、顯示、分析，還可以網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。由于系統(tǒng)采用了虛擬儀器技術(shù)的思想，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有廣泛的適用性，再加上系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用的模塊化、組態(tài)思想，使得系統(tǒng)可以根據(jù)不同需要，很方便地配置成用戶所需要地模式，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的擴(kuò)展。因此，系統(tǒng)具有優(yōu)良的開放性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，是水電機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展方向。