基于PLC的水電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在廣州蓄能水電廠的應(yīng)用

李昌俊

（廣州蓄能水電廠，廣東 從化 510950）

基于PLC的水電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在廣州蓄能水電廠的應(yīng)用

李昌俊

（廣州蓄能水電廠，廣東 從化 510950）

通過對水電機組的狀態(tài)監(jiān)測及診斷系統(tǒng)的原理及研究現(xiàn)狀進行了研究，以廣州蓄能水電廠的狀態(tài)監(jiān)測及診斷系統(tǒng)為例，從狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)項目的選擇、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、功能應(yīng)用等方面進行了分析，同時對該系統(tǒng)對機組檢修所起到的效果進行了探討。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；PLC

水電廠機組狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)為快速推廣應(yīng)用“無人值班、狀態(tài)檢修”的現(xiàn)代水電管理理念打下了有力的基礎(chǔ)，在世界范圍內(nèi)均得到了廣泛的應(yīng)用。本文通過廣州蓄能水電廠的狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)開發(fā)、應(yīng)用的案例，從狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)項目的選擇、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、功能應(yīng)用等方面進行分析，探索該系統(tǒng)在機組檢修中的應(yīng)用效果。

（一）機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理

水電廠機組狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)是利用計算機測控技術(shù)的發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)化遠程通信技術(shù)(Internet/Intranet)的發(fā)展，通過在水輪發(fā)電機組上建立一套機組狀態(tài)監(jiān)測與跟蹤分析系統(tǒng)，實現(xiàn)對主機(包括水輪機和發(fā)電機)的在線監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)上網(wǎng)，使得在計算機網(wǎng)絡(luò)可達到的范圍內(nèi)(包括各主管技術(shù)部門、中試所等)，都可有效地對機組狀態(tài)進行監(jiān)測分析。利用在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和處理結(jié)果，綜合MIS、SCADA、計算機監(jiān)控系統(tǒng)等信息和專家知識，進行故障分析及診斷(包括數(shù)據(jù)共享和遠方診斷)，實時掌握水輪發(fā)電機組健康狀況，為狀態(tài)檢修提供輔助決策，并實現(xiàn)與其它系統(tǒng)的信息共享。讀取相應(yīng)的自動診斷狀態(tài)報告，以盡早發(fā)現(xiàn)潛伏性故障，提出預(yù)警，避免發(fā)生嚴重事故，保證機組的安全、經(jīng)濟運行，提高經(jīng)濟效益和社會效益。同時促進實施水電廠“無人值班(少人值守)”的管理模式?？梢?，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的特點是一是開放式，極具靈活性和與其他系統(tǒng)的兼容性，二是智能化，提高分析、診斷的自主性，三是網(wǎng)絡(luò)型，基于Internet技術(shù)，實現(xiàn)資源共享，四是高可靠性，滿足長期在線監(jiān)測的目的。

（二）國內(nèi)外機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

根據(jù)日本的資料統(tǒng)計，以狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)為基礎(chǔ)的預(yù)測性檢修，可使每年的維修費用減少25%～50%，故障停機時間減少75%，其他國家也有類似的統(tǒng)計報道。

在國內(nèi)，各地區(qū)的大中小型水電站也建立了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。例如福建水口水電廠構(gòu)建的PSTA2003狀態(tài)檢測與診斷系統(tǒng)，由上下位機組成，是基于終端采集器和傳感器的數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)；云南漫灣水電站利用 1997~1998年機組自動化元件和監(jiān)控系統(tǒng)改造的機會，完成了初步的在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝，并于2007年采用第三方公司提供的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行升級；三峽左岸機組狀態(tài)監(jiān)測趨勢分析系統(tǒng)是基于 WEB瀏覽器建立的。桐柏抽水蓄能電站采用了奧地利VA TECH公司的DIATECH系統(tǒng)作為機組的在線狀態(tài)監(jiān)測和診斷系統(tǒng)。

可以看出，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的常規(guī)建立方式一是通過在水輪機和發(fā)電機上設(shè)置一套完全獨立的監(jiān)測系統(tǒng)對現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)進行補充完善，二是利用電廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)升級的機會進行改造將狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)融合到監(jiān)控系統(tǒng)中。

但是這也帶來了兩個問題。一是采用第三方公司的獨立監(jiān)測系統(tǒng)需要購買整套系統(tǒng)，在機組設(shè)備上布置一套獨立的數(shù)據(jù)采集終端和傳感器會給設(shè)備帶來一定的安全隱患。二是電廠設(shè)備設(shè)計運行周期長，特別是等待主干設(shè)備如監(jiān)控系統(tǒng)升級需要更長的年限，這就阻礙了尚未達到設(shè)備升級時間的電廠建立狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的步伐，而采用監(jiān)控系統(tǒng)擴展方式來建立狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)則是給監(jiān)控系統(tǒng)增加了額外的數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)，給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來一定影響，同時因為連入Internet的數(shù)據(jù)查詢終端多樣性和不安全性，必須給監(jiān)控系統(tǒng)采取有效的安全隔離措施。

鑒于水電廠機組的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中是由現(xiàn)地單元控制層負責將數(shù)據(jù)采集終端和傳感器的采集數(shù)據(jù)通過 PLC上送上位機，因此利用新增PLC從舊PLC中提取數(shù)據(jù)來建立狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道則可以帶來以下好處：①可靠性，獨立于監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，避免了監(jiān)控系統(tǒng) SCADA讀取現(xiàn)地控制單元RTU時、以及從監(jiān)控系統(tǒng)讀出數(shù)據(jù)時因通道干擾的發(fā)生的數(shù)據(jù)變化從而讀取錯誤的數(shù)據(jù)的可能性。②獨立性，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng) SCADA并行運行，不會對監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，即使狀態(tài)檢測系統(tǒng)離線也不會對機組設(shè)備產(chǎn)生任何影響。③安全性，新增的PLC與舊PLC之間通過串口電纜相連，串口通信協(xié)議保密性強，能隔離不同網(wǎng)段的病毒互相傳播，將新舊PLC之間的網(wǎng)段和新PLC與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)之間的網(wǎng)段設(shè)為不同網(wǎng)段，就能夠很好地滿足電力信息系統(tǒng)的安全性要求。④成本低，在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上做的改動很小，且新增的 PLC能提供備品及其他升級改造用途。

（三）廣州蓄能水電廠機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的改造方法

廣州蓄能水電廠 B廠的計算機監(jiān)控系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)總線為通信介質(zhì)，能遠程監(jiān)控、自動運行的智能型分層分布的開放式控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由調(diào)度層LDC、中控室層SCADA和單元控制層 RTU組成。它使用了德國西門子的一整套設(shè)備和檢測系統(tǒng)對發(fā)電機組運行狀態(tài)進行監(jiān)視，現(xiàn)場發(fā)電機組的模擬量數(shù)據(jù)采用S5系列PLC進行數(shù)據(jù)采集，S5PLC通過CP1430通訊卡連接到OLM模塊。OLM模塊將電纜傳輸轉(zhuǎn)換成光纖傳輸，通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機組成了星型的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，主干網(wǎng)用千兆光纖傳輸，監(jiān)控室計算機采用西門子的 PROKON-LSX監(jiān)控軟件進行數(shù)據(jù)監(jiān)控。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1所示，它是一個典型的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用方式：

圖1 現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)

可以看出，其數(shù)據(jù)采集終端和傳感器將機組設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)上送計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的 C/S架構(gòu)，其固有的擴展行缺陷不能適應(yīng)遠程辦公和電廠無人值守作業(yè)的需求，員工更希望能在網(wǎng)頁上或者任意一臺辦公網(wǎng)絡(luò)上的計算機都能瀏覽到該狀態(tài)數(shù)據(jù)。但廣蓄 B廠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備升級年限未到無法進行整體升級，同時無法對上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行兼容性擴展，而在機組設(shè)備上加裝傳感器建立一套獨立的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)有一定的安全隱患，因此最適宜的方法是建立基于PLC的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其改造方法如下：

在計算機監(jiān)控系統(tǒng)方面，通過在RTU盤柜內(nèi)新增S7 PLC，與原有的S5PLC連接通訊，從S5中取得機組運行的狀態(tài)數(shù)據(jù)，再通過局域網(wǎng)，傳送到工控機中運行的 WINCC服務(wù)器中并保存到SQL Server數(shù)據(jù)庫中。采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到辦公網(wǎng)WEB數(shù)據(jù)庫，員工即可用瀏覽器進行數(shù)據(jù)監(jiān)測。

具體接入方式如圖2：

圖2 機組監(jiān)測系統(tǒng)接入方式

監(jiān)測系統(tǒng)接入圖中，RTU1～4分別為廣蓄B廠的4臺機組控制盤柜，RTU7為廠用電控制盤柜，RTU10為模擬屏盤柜；每套S7模塊對應(yīng)一臺機組，負責從對應(yīng)的西門子S5讀取機組運行狀態(tài)信息；S7通過profibus工業(yè)總線和S5連接，兩者都需要增加現(xiàn)場總線卡；S7通過增加網(wǎng)卡與工控機連接，運行在工控機中的WINCC可以取到S7中的數(shù)據(jù)。工控機通過UDP向WEB服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，其中經(jīng)過隔離裝置，可以對病毒進行隔離，防止病毒通過工控機對機組運行產(chǎn)生影響。

（四）基于PLC的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成及功能應(yīng)用

廣州蓄能水電廠狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)引入了水輪發(fā)電機組的振動、擺度、軸瓦溫度、壓力、速度、功率、頻率、流量、開度、閥門位置及線路電壓、電流、開關(guān)及刀閘位置、水庫水位等信息。整個系統(tǒng)分為軸瓦溫度監(jiān)測子系統(tǒng)，振動擺度監(jiān)測子系統(tǒng)，閥門開關(guān)位置監(jiān)測子系統(tǒng)，機組信息監(jiān)測子系統(tǒng)，廠用電監(jiān)測子系統(tǒng)，500kV線路監(jiān)測子系統(tǒng)，歷史數(shù)據(jù)診斷查詢子系統(tǒng)和曲線趨勢預(yù)警子系統(tǒng)。

自系統(tǒng)投入運行以來，將以往需要人員到廠房現(xiàn)地操作員站上進行數(shù)據(jù)查詢的工作方式改為在聯(lián)網(wǎng)辦公電腦上即可查詢，消除了因人員在操作員站上誤操作而影響機組運行的風險，同時因工作方式的便利性提高了工作效率，員工因查看實時運行數(shù)據(jù)而發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)備運行隱患的次數(shù)大為增加。

對于以往存在的機組軸承瓦溫跳變、振動數(shù)據(jù)變化較大的問題，通過診斷系統(tǒng)分析圖 3中的峰值抖動分析得出模擬量傳送卡件松動的結(jié)論，并據(jù)此查找到卡件底座固定螺絲松動的根本原因，消除了由于此類故障模式而導(dǎo)致保護誤動跳機的缺陷。

圖3 機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測界面

系統(tǒng)提供的預(yù)測報警功能則根據(jù)設(shè)定值來變化數(shù)據(jù)顏色提示報警；歷史數(shù)據(jù)分析功能為檢修人員進行設(shè)備故障定位提供了重要的參考依據(jù)，縮短了故障查找時間，為電廠的經(jīng)濟高效運行提供了有效支持。

（五）結(jié)語

本文通過分析基于 PLC的機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建方法和實際應(yīng)用，闡明了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能有效提高電廠綜合自動化水平，實現(xiàn)抽水蓄能電站的遠程辦公及提升“無人值守”的電廠管理原則，在水電廠機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用方面有重要作用。

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[4] 楊廷勇 施沖.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)的水電廠狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[M].水電廠自動化與大壩監(jiān)測,2002.

TP273+.5

A

1008-1151(2010)06-0162-02

2009-12-23

李昌?。?983－），男，廣州蓄能水電廠助理工程師，從事計算機監(jiān)控系統(tǒng)及自動化設(shè)備的檢修和維護。