基于IEC 60870—5—104及OPC的水電廠自動化系統(tǒng)的構(gòu)建

賴春燕

摘 要：本文提出一種針對中小型電廠的自動化系統(tǒng)設(shè)計的方案，介紹了系統(tǒng)的機構(gòu)及其設(shè)計方案。本系統(tǒng)的可編程控制器（PLC）及保護裝置同以太網(wǎng)直接連接。IEC60870-5-104協(xié)議及OPC技術(shù)應(yīng)用于通信。設(shè)計采用具有面向?qū)ο?，多進程，多線程、COM等技術(shù)的監(jiān)控軟件。本系統(tǒng)現(xiàn)場運行可靠安定，給出了系統(tǒng)數(shù)據(jù)點的標(biāo)準(zhǔn)記法、OPC服務(wù)器訪問實現(xiàn)過程，以及EC60870-5-104協(xié)議的應(yīng)用經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：IEC 60870-5-104；OPC；自動化

現(xiàn)地控制單元（LCU）元件、保護裝置、可編程控制器（PLC）及監(jiān)控計算機共同構(gòu)建成水電廠的自動化系統(tǒng)。采用以太網(wǎng)進行通信是一種發(fā)展趨勢，監(jiān)控計算機同PLC、保護裝置之間便是如此。但是通信協(xié)議不統(tǒng)一，開放性差一直困擾著以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。針對中小型水電廠設(shè)計的SZX-8000水電廠自動化系統(tǒng)中，從系統(tǒng)的開放性考慮，將采用 IEC 60870-5-104協(xié)議（一般情況下被簡稱為104進行計算機監(jiān)控以及裝置通信保護的參考，OPC技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)控計算機與PLC通信。為了降低系統(tǒng)費用，和市場的混亂，國際電工委員會電力系統(tǒng)及其通信技術(shù)委員會（IECTC57）制定了電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。而在目前電力系統(tǒng)中，應(yīng)用較廣的是104。OLE/COM技術(shù)是通過OPC技術(shù)應(yīng)用到過程控制中的，設(shè)備上有一個通用的數(shù)據(jù)接口，使用合適的應(yīng)用軟件可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)接口硬件的讀取信息，與此同時，還能促進軟件開放性和可靠性得到提升。從而提高了水電站的經(jīng)濟性，提高了水電站的競爭能力。

一、自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了通信擴展方便，系統(tǒng)PLC、保護裝置直接接入以太網(wǎng)。以兩臺機組說明，為了提高可靠性，取消了工控機。LUC與同期裝置智能設(shè)備通信，如交流電參數(shù)采集器、溫度巡檢儀、調(diào)速器、直流系統(tǒng)。若采用職能系統(tǒng)直接通過一RS-485總線接入PLC，會使通訊速度慢，占用PLC系統(tǒng)存儲空間，如今智能設(shè)備實現(xiàn)多串口的擴展很難，因為通信協(xié)議不一致。因此在設(shè)計中，由于系統(tǒng)的對信存在不實時性，各智能備傳送信息時，要根據(jù)不實時性調(diào)整傳送順序和傳送周期。達到將各智能設(shè)備的邪異通過智能通信控制器轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之后，接入PLC的 RS-485口。

PLC選用西門子小型PLCS7-226，此款PLC重要應(yīng)用于小型水電廠設(shè)計，水電自動化系統(tǒng)應(yīng)用SZX-8000。西門子彩色觸摸屏通信使用S7-226的通信口，智能通信控制器通信使用S7-226的自由通信口。S7-226CPU擴展后，有72開關(guān)輸入點，64開關(guān)量輸出點以及模擬量輸入點，S7-226CPU擴展關(guān)量其進行輸入及輸出的模塊為EM223，其所進行的模擬量的輸入模塊為2塊，而其進行以太網(wǎng)通信的模塊則為CP243-1。

PLC選用西門子小型PLCS7-226，此款PLC重要應(yīng)用于小型水電廠設(shè)計，水電自動化系統(tǒng)應(yīng)用SZX-8000。西門子彩色觸摸屏通信使用S7-226的通信口，智能通信控制器通信使用S7-226的自由通信口。S7-226CPU擴展后，有72開關(guān)輸入點，64開關(guān)量輸出點以及模擬量輸入點，S7-226CPU其可擴展的關(guān)量在進行輸入及輸出的模塊為EM223，其模擬量所需要的輸入模塊為2塊，而所使用的以太網(wǎng)通信模塊則是CP243-1。交換機使用MOXA工業(yè)以太網(wǎng)交換機 EDS-316。MOVA作為智能通信器。發(fā)電機以及發(fā)電機作為保護裝置。保護裝置有主變高壓側(cè)以及主變低壓側(cè)等，104則作為通信協(xié)議。線路保護裝置RS-485接口到以太網(wǎng)接口的轉(zhuǎn)換是通過通信控制器完成的，通信控制器也可以實現(xiàn)Modbus協(xié)議到104的轉(zhuǎn)換。相關(guān)的自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖一所示。

圖1水電廠自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

二、自動化系統(tǒng)應(yīng)用軟件

對電廠的所有機組設(shè)備是通過水電廠自動化系統(tǒng)SZX-8000實現(xiàn)控制和保護等功能的。SZX-8000由三大部分組成，西門子WinCC Flexible2005以及 STEP7-MicroWIN4.0開發(fā)出了PLC，而UC-7410CE軟件則可使用 eVC4.0，對計算機軟件進行監(jiān)控之后所得的數(shù)據(jù)控依次為SQLServer2000和Delphi7.0。監(jiān)控計算機軟件的構(gòu)成如圖2所示。

圖2 監(jiān)控計算機軟件構(gòu)成框圖

數(shù)據(jù)庫維護以及主控制構(gòu)成監(jiān)控計算機軟件的關(guān)鍵部分，監(jiān)控計算機然間還包括圖形編程、PLC通信、保護通信及GPS通信等程序。數(shù)據(jù)通信主要借助主控之中的通信模塊完成。在通信模塊進行工作時，需要對歷史數(shù)據(jù)庫所存儲的水電站數(shù)據(jù)進行讀取，在數(shù)據(jù)讀取完畢之后會傳給實時數(shù)據(jù)庫和圖像編程程序，同時歷史數(shù)據(jù)庫收錄了現(xiàn)場通信傳送的歷史數(shù)據(jù)。PLC通信、保護通信及全球定位系統(tǒng)（GPS）通信與通信模塊通信的實現(xiàn)是通過com組實現(xiàn)的，com組件在通信網(wǎng)絡(luò)中是極其重要的一環(huán)。

（一）自動化數(shù)據(jù)點標(biāo)記

系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息由間隔、子站、數(shù)據(jù)點以及裝置共同構(gòu)成數(shù)據(jù)庫總體結(jié)構(gòu)的分級及分層。子站包含間隔； 間隔包含裝置；裝置包含數(shù)據(jù)點。數(shù)據(jù)點包含的參數(shù)為模擬量、開關(guān)量、事件順序記錄（SOE）、定值和壓板等，是實現(xiàn)系統(tǒng)查詢、存儲等操作的最小信息元素。

數(shù)據(jù)點標(biāo)識作為監(jiān)控計算機軟件功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。這些功能包括開停機控制，曲線、報表輸出以及保護、測控信息處理等。另外通信數(shù)據(jù)的解析存入數(shù)據(jù)庫也是通過數(shù)據(jù)點標(biāo)識的方式。

（二）OPC

OPC服務(wù)器是硬件廠商是生產(chǎn)廠家遵循規(guī)范開發(fā)的服務(wù)器。在實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)化和開放性的過程中服務(wù)器充當(dāng)數(shù)據(jù)源，通過服務(wù)器，使用者以標(biāo)準(zhǔn)的 OPC方式完成數(shù)據(jù)交換。用 Delphi7.0 設(shè)計監(jiān)控計算機軟件訪問 OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)。其中OPC服務(wù)器的機構(gòu)如圖3所示。

圖3 OPC服務(wù)器結(jié)構(gòu)示意圖

（三）104協(xié)議

監(jiān)控計算機和各保護裝置間以104協(xié)議實現(xiàn)通信，同時在以太網(wǎng)中應(yīng)用平衡傳輸模式，TCP/IP協(xié)議傳輸信息。服務(wù)器各保護裝置是由客戶機的監(jiān)控計算機發(fā)出連接請求后建立TCP 連接，一直處于偵聽端口號為 2404的 TCP連接的狀態(tài)。規(guī)約數(shù)據(jù)單元 （APDU）則是通過相應(yīng)的應(yīng)用規(guī)約信息控制（APCI）以及其所應(yīng)用的服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ASDU）共同構(gòu)建而成，它是一個104數(shù)據(jù)幀。遙測幀的幀頭是APCI、APDU長度、控制域，其余為ASDU。

68H是 APCI啟動字符是一個數(shù)據(jù)幀的開始。APDU長度是總字節(jié)8位控制域，是本幀開始到結(jié)束的收發(fā)編號。用于檢測報文丟失和報文重復(fù)傳輸?shù)氖乔?字節(jié)為發(fā)送序號2字節(jié)為接收序號N（R），APDU分成3種報文格式，I、S和U。信息傳輸使用I、U格式報文時含有唯一的APCI，可以實現(xiàn)對于傳輸?shù)目刂啤?/p>

監(jiān)控計算機軟件可對保護裝置特有的I格式報文進行接收，舉例說明，其可以用于實現(xiàn)對控制計算機軟件所對應(yīng)的實現(xiàn)報文的接受。收到一個I格式報文后監(jiān)控計算機軟件發(fā)送一個確認幀，I格式報文信息是各保護裝置收到監(jiān)控計算機軟件U格式的傳輸報文后，可以對該命令報文進行回應(yīng)，并及時對變位信息亦或者是周期性的掃描信息進行上送。防止報文丟失和重復(fù)傳輸?shù)臋C制及超時時間限制措施，是監(jiān)控計算機軟件保證信息的可靠傳輸而采用的。對于I格式報文來說，發(fā)送序號加 1往往是在I格式的的報文發(fā)送一個之后，其所對應(yīng)的接收序號進行相應(yīng)的加1處理，該過程在監(jiān)控計算機軟件接收到與其接收序號相等的I格式的報文之后才會發(fā)生。特別注意的是，重建 TCP，監(jiān)控計算機軟件接收發(fā)送序號清零，保護裝置的也清零。雙發(fā)開始數(shù)據(jù)傳送，應(yīng)該判斷I格式報文的發(fā)送序號是否等于其接收序號。相等則將其對應(yīng)的接收序號進行加1處理，小于則為發(fā)送方出現(xiàn)重復(fù)傳送的情況。監(jiān)控計算機軟件進行2個傳輸所設(shè)置的超時時間依次為t，t 缺省值為15s，I格式或 U格式發(fā)出，時間外未確認，關(guān)閉TCP連接，建立新的TCP連接。發(fā)送U格式的測試幀是在超過時間內(nèi)，監(jiān)控計算機軟件未收到新的幀，且給予確認，t 缺省值為20s。不同的保護裝置需要設(shè)立不同的線程，對于單個的接收線程所對應(yīng)的實現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 接收線程實現(xiàn)流程示意圖

【結(jié)語】：以104協(xié)議及OPC技術(shù)，再加之SZX-8000的水電廠自動化系統(tǒng)可以很好的實現(xiàn)系統(tǒng)開放性以及標(biāo)準(zhǔn)性的要求。OPC服務(wù)器是西門子公 SimaticNet。實現(xiàn)了數(shù)據(jù)質(zhì)量評價得自監(jiān)控系統(tǒng)對 PLC 數(shù)據(jù)的讀寫規(guī)范。 標(biāo)準(zhǔn)化程度高是104協(xié)議特點，另外104協(xié)議還可防止報文丟失以及報文重復(fù)傳輸。這個系統(tǒng)具有實際實踐，通信方案可行，已經(jīng)在多個中小型水電廠穩(wěn)定可靠運行，也可應(yīng)用于其它工業(yè)監(jiān)控場合。

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