水利水電自動(dòng)化應(yīng)用平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

康明衛(wèi)

(華自科技股份有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410205)

1 概 述

目前水利水電自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中自動(dòng)化部分主要包括按用途分的各種現(xiàn)地控制單元(LCU)、輔機(jī)控制部分及自動(dòng)化元件等(見圖1)。

圖1 水電廠(站)自動(dòng)化的結(jié)構(gòu)示意

從圖1中可以看出，LCU在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中處于三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的第二層，具有以下特點(diǎn)：

(1)通信網(wǎng)絡(luò)起到“承上啟下”的作用。

(2)承擔(dān)的功能較多，包括控制、通訊、數(shù)據(jù)處理等。

(3)以可編程控制器(PLC)為核心，自動(dòng)化的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)都是圍繞進(jìn)行。

目前水利水電自動(dòng)化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)還存在一些普遍性的問題，主要表現(xiàn)在實(shí)施難度大、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)、與新技術(shù)結(jié)合不夠等。

2 存在的問題

2.1 使用的硬件品牌、系列多

水利水電自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要在PLC中，而且不同的水電廠(站)經(jīng)常使用不同品牌、系列PLC，如目前國(guó)內(nèi)比較常見的施耐德、GE智能平臺(tái)的產(chǎn)品。由于這些硬件產(chǎn)品編程方式存在較大的差異，因此監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備廠家就需要開發(fā)多套軟件，對(duì)調(diào)試人員技術(shù)要求高，調(diào)試難度大、周期長(zhǎng)；更為重要的是造成電廠(站)維護(hù)困難。

2.2 缺少水利水電行業(yè)專用的軟件模塊

PLC作為一種通用的工業(yè)用控制器，并沒有針對(duì)水利水電行業(yè)開發(fā)專用功能，造成很多功能開發(fā)完成后，還需要調(diào)試人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更改及調(diào)試，這樣勢(shì)必導(dǎo)致調(diào)試周期及調(diào)試質(zhì)量無法保證。

2.3 網(wǎng)絡(luò)、通信功能實(shí)現(xiàn)困難

從圖1中可以看到，PLC需與很多第三層網(wǎng)絡(luò)中的繼保、調(diào)速器、勵(lì)磁等設(shè)備進(jìn)行通信；但PLC設(shè)計(jì)用途主要用于邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算數(shù)等，實(shí)現(xiàn)通信比較困難，且實(shí)現(xiàn)起來硬件成本很高。

2.4 實(shí)現(xiàn)SOE難度大、成本高

在《水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件》(DL/T 578—2008) 中對(duì)SOE點(diǎn)的分辨率有明確的要求：1級(jí)≤10 ms，2級(jí)≤5 ms，3級(jí)≤2 ms，使用開關(guān)量事件無法達(dá)到這個(gè)要求。雖然部分品牌的PLC提供該功能，如施耐德Quantum系列、M340系列等，但是這些模塊的數(shù)據(jù)格式存在差異，且硬件價(jià)格很高。

3 應(yīng)用平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)

為了解決目前水利水電自動(dòng)化存在的問題，隨著PLC控制技術(shù)的發(fā)展，目前的PLC都滿足了IC61131—3可編程控制器編程語言的標(biāo)準(zhǔn)，為應(yīng)用平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化提供了硬件技術(shù)基礎(chǔ)。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化軟件平臺(tái)方案

將高級(jí)編程語言的函數(shù)、過程、結(jié)構(gòu)體等架構(gòu)、編程思路移植到PLC軟件開發(fā)中來，主要從下面幾個(gè)方面來規(guī)劃軟件平臺(tái)方案，盡量減少多種硬件平臺(tái)帶來的軟件差異。

(1)定義結(jié)構(gòu)體變量類型，增加程序可讀性及快速定義、更改定位變量的內(nèi)存地址(只需要更改變量首地址即可)(見圖2)。

圖2 PLC結(jié)構(gòu)體變量類型

(2)規(guī)范變量名稱及定位變量的內(nèi)存地址(見圖3)。

圖3 PLC結(jié)構(gòu)體變量

(3)統(tǒng)一軟件功能模塊的接口，可減少不同硬件平臺(tái)的差異給調(diào)試、維護(hù)人員帶來的技術(shù)屏障(見圖4)。

圖4 不同硬件平臺(tái)下軟件功能模塊接口

3.2 開發(fā)水利水電專用功能模塊

水利水電行業(yè)根據(jù)不同的機(jī)組類型，其控制功能相對(duì)固定，可使用PLC提供功能塊、功能的軟件方案進(jìn)行行業(yè)應(yīng)用的功能模塊封裝。除了軟件開發(fā)人員外，其他技術(shù)人員不用了解功能模塊內(nèi)如何實(shí)現(xiàn)，直接調(diào)用就可；帶來的好處是項(xiàng)目快速實(shí)施，減少了調(diào)試、維護(hù)的難度和工作量，更為重要的是可消除由于調(diào)試、維護(hù)人員的技術(shù)水平差異對(duì)項(xiàng)目質(zhì)量的不可控性(見圖5)。

圖5 水利水電負(fù)荷調(diào)整軟件功能模塊(一)

3.3 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)、通信功能

目前水利水電監(jiān)控系統(tǒng)中的LCU需與大量的下層輔機(jī)設(shè)備及上層的SCADA系統(tǒng)進(jìn)行通信。但PLC不提供類似高級(jí)語言那樣方便調(diào)試的IDE環(huán)境，往往軟件開發(fā)及調(diào)試難度都非常大。

通過各個(gè)PLC硬件廠商提供的不同通信部分解決方案，如GE智能平臺(tái)的PAC System C Toolkit、歐姆龍的Macro Protocol，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)封裝后，實(shí)施項(xiàng)目時(shí)，只需對(duì)少量的參數(shù)進(jìn)行定義即可完成需要的通信功能(見圖6)。

圖6 水利水電負(fù)荷調(diào)整軟件功能模塊(二)

3.4 硬、軟件SOE功能

為了滿足DL/T 578—2008中對(duì)SOE的技術(shù)要求，目前基本的解決方案都是通過PLC的SOE模塊來解決的，但是這種方案存在下列問題：

(1)較少的PLC廠商提供了SOE模塊，硬件可選擇性較小，其價(jià)格昂貴。

(2)PLC SOE模塊原理基本都是通過SOE模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，再通知CPU讀取緩存數(shù)據(jù)再上傳SCADA系統(tǒng)；但是不同系列的PLC的SOE數(shù)據(jù)格式不同，造成解析困難。

(3)部分SOE模塊在衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)丟失后，不再產(chǎn)生SOE，造成SOE數(shù)據(jù)丟失，如施耐德Quantum系列。

為了解決硬件SOE上述問題，標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)加入了軟件SOE及SOE的標(biāo)準(zhǔn)化封裝(見圖7)。

軟件SOE通過高速計(jì)速模塊實(shí)現(xiàn)IRIG(B碼)GPS時(shí)鐘對(duì)時(shí)，再通過普通或高速DI模塊采集開關(guān)量信號(hào)，軟件通過定時(shí)、IO中斷實(shí)現(xiàn)。

3.5 多種負(fù)荷控制方式

水利水電運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度主要是機(jī)組負(fù)荷調(diào)整，標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)提供了多種調(diào)整方式。

圖7 硬、軟件SOE標(biāo)準(zhǔn)化封裝

(1)單機(jī)給定值調(diào)整。

(2)單機(jī)恒功率因數(shù)調(diào)整。

(3)自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)，根據(jù)機(jī)組特性全站按給定負(fù)荷曲線、全站恒水位進(jìn)行負(fù)荷分配，還可進(jìn)行機(jī)組啟停指導(dǎo)。

3.6 RTD自適應(yīng)多種熱電阻

所有的PLC只支持PT100鉑電阻類型，但是部分水利水電也會(huì)使用Cu50或Cu53的熱電阻；特別對(duì)于自動(dòng)化改造項(xiàng)目，如果需要將Cu50或Cu53更換為PT100，會(huì)加長(zhǎng)改造周期及增加費(fèi)用。標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)提供了多種熱電阻的自適應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)原理如下所示(見圖8)。

PT100溫度值→PT100分度表→電阻值
→Cu50(Cu53)分度表→Cu50(Cu53)溫度值

圖8 RTD自適應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)原理

4 硬件設(shè)計(jì)的改進(jìn)思路

在實(shí)施大量的水利水電項(xiàng)目過程中，發(fā)現(xiàn)很多項(xiàng)目選擇硬件沒有隨著新的硬件技術(shù)的發(fā)展而更新，可以在硬件成本控制、優(yōu)化布線、可靠運(yùn)行等方面進(jìn)行改進(jìn)。

對(duì)于水利水電項(xiàng)目，控制器PLC是大腦，通信網(wǎng)絡(luò)是生命線，傳感器和自動(dòng)化元件是眼睛、手腳；硬件優(yōu)化應(yīng)針對(duì)這些方面來進(jìn)行。

4.1 控制器(PLC)選擇

PLC作為水利水電自動(dòng)化核心硬件，其成本也是最高的，可根據(jù)不同的需求進(jìn)行優(yōu)化。

(1)盡量選擇無電池結(jié)構(gòu)，保證在電池虧電的情況下不丟失參數(shù)、程序，特別是對(duì)于長(zhǎng)期不運(yùn)行泵站。通信選用以太網(wǎng)為主干網(wǎng)絡(luò)，這樣可以提高通信速度。

(2)隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC的可靠性及性能都大大提高了，單機(jī)50 MW以下機(jī)組可不適用冗余配置，可選用1大1小的雙PLC結(jié)構(gòu)；大PLC作為主控制器用于完成所有功能，小PLC作為備用控制器用于在大PLC出現(xiàn)故障的情況下完成部分主要功能，以節(jié)約硬件成本(見圖9)。

圖9 雙PLC結(jié)構(gòu)原理

4.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

將原來使用PLC串口模塊直接與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信更改為使用通信網(wǎng)關(guān)的方式，這樣可以避免原來硬件成本高、PLC負(fù)載重影響穩(wěn)定性的缺陷(見圖10)。

圖10 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

4.3 自動(dòng)化元件選擇

隨著控制器PLC的技術(shù)發(fā)展，水利水電的自動(dòng)化元件選擇也應(yīng)與之配套，在提高可靠性、節(jié)約成本為原則的基礎(chǔ)上，盡量配置少的設(shè)備。

(1)測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速大多還在使用機(jī)組殘壓為信號(hào)的轉(zhuǎn)速信號(hào)裝置，出現(xiàn)在機(jī)組停運(yùn)一段時(shí)間之后，殘壓過低的無法工作?？梢詢?yōu)化為使用測(cè)速齒盤方式，直接通過PLC的高速計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)，既可靠又節(jié)約硬件投資。

(2)機(jī)組軸承溫度等重要溫度點(diǎn)使用單點(diǎn)溫度儀表完成，再通過通信或模擬量的方式將數(shù)據(jù)采集到PLC中；這樣既增加了設(shè)備的故障點(diǎn)，又加大硬件投資。可以優(yōu)化為使用PLC RTD模塊直接采集。

5 結(jié) 論

通過軟、硬件的標(biāo)準(zhǔn)化后，實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)試、維護(hù)人員只需對(duì)功能的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置即可完成系統(tǒng)的調(diào)試維護(hù)工作，而且大大降低了不同硬件平臺(tái)的差異帶來的技術(shù)難度。

目前標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)使用的多個(gè)項(xiàng)目中，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試周期縮短40%，對(duì)調(diào)試人員的技術(shù)水平要求也大大降低。