OPC技術(shù)在芭蕉河梯級電站集控改造中的應(yīng)用

唐 棟，鄭明友，董海龍

(1.湖北芭蕉河水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 鶴峰 445800；2. 南京南瑞集團(tuán)公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211106)

芭蕉河水電公司位于湖北鶴峰縣容美鎮(zhèn)官坪村四組落山壩，其集控中心位于鶴峰縣芭蕉河一級站集控室內(nèi)，參與監(jiān)控與調(diào)度的有3座電站，分別是芭蕉河一級電站，裝機(jī)容量為2 ×17+1×1 MW；芭蕉河二級電站，裝機(jī)容量為2×8 MW；燕子橋一級電站，裝機(jī)容量為2×5 MW，集控總裝機(jī)61 MW。

為滿足電站“無人值班、少人值守”的要求，采取的梯級集控主干網(wǎng)設(shè)置集控中心，集中控制室設(shè)置在蕉一級站，另在蕉一級站、蕉二級站、燕子橋電站設(shè)工作臺，之間采用光通信組網(wǎng)。芭蕉河集控中心計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)升級改造采用的是由南瑞集團(tuán)公司(以下簡稱“南瑞”)自主研發(fā)的NC 2000 V3.0監(jiān)控系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)，按照“無人值班”(少人值守)模式設(shè)計，適用于中小型水電站及中小型水電站群的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 OPC技術(shù)介紹

OPC是OLE for Process Control的縮寫，即用于過程控制OLE。這是自動化和其他行業(yè)數(shù)據(jù)安全交換的互操作性標(biāo)準(zhǔn)。主要用來解決過程控制系統(tǒng)與其數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)交換問題。

1.1 水電站的通信現(xiàn)狀

水電站需要通信的設(shè)備很多, 如機(jī)組測速裝置、機(jī)組測溫裝置、交流采樣裝置、現(xiàn)地控制單元(LCU)、機(jī)組保護(hù)裝置、機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)、機(jī)組勵磁系統(tǒng)、機(jī)組蝶閥系統(tǒng)、輔機(jī)控制系統(tǒng)、主變壓器保護(hù)裝置、故障錄波裝置、電量采集裝置、直流系統(tǒng)、線路保護(hù)以及水情水電系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，均需要接入上位機(jī)計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。這些設(shè)備生產(chǎn)廠家較多，不同廠家的系統(tǒng)或設(shè)備所用通信方式、通信協(xié)議也較多，經(jīng)常出現(xiàn)通信不匹配，通信異常的情況。

當(dāng)前水電站系統(tǒng)模式最常見的通訊方式有兩種：

1)前置機(jī)通訊方式。這是在現(xiàn)地控制單元(LCU)柜上裝備一種工控機(jī)作為前置機(jī), 對每個LCU站內(nèi)前置機(jī)就需要負(fù)責(zé)與各設(shè)備進(jìn)行實時通信，數(shù)據(jù)處理，顯示，數(shù)據(jù)和后臺監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

2)通信管理機(jī)通訊方式。這是將數(shù)據(jù)交由通信管理機(jī)完成各種現(xiàn)場總線模式及通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，再采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)上送后臺監(jiān)控系統(tǒng)的一種方式。

這兩種方式都需要有負(fù)責(zé)協(xié)議轉(zhuǎn)換的機(jī)器完成通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，以及上送后臺監(jiān)控的數(shù)據(jù)集成和編制通信協(xié)議的設(shè)備。不難看出存在以下弊端：

1)協(xié)議重復(fù)開發(fā)。根據(jù)每家軟件系統(tǒng)開發(fā)商的不一樣，必須為每個特定的硬件設(shè)備開發(fā)一個驅(qū)動程序，用于滿足互聯(lián)要求。

2)驅(qū)動程序的不一致性。軟件開發(fā)商從各自需要及保密要求出發(fā)，往往采用不同的數(shù)據(jù)交換協(xié)議以開發(fā)驅(qū)動程序，往往使得驅(qū)動程序不一致。

3)硬件特性變化多端。硬件特性的變化導(dǎo)致以往的驅(qū)動程序互聯(lián)失敗,軟件開發(fā)商必須根據(jù)硬件的變化來開發(fā)新的驅(qū)動程序。

4)訪問經(jīng)常沖突。兩個軟件包因使用了不同的驅(qū)動程序?qū)е虏荒芡瑫r訪問同一個設(shè)備的情況時時發(fā)生。

1.2 OPC的特點

OPC技術(shù)的運(yùn)用使得用戶根據(jù)實際需要很容易就能將它們集成為完整的自動化系統(tǒng)。OPC技術(shù)的使用使OPC服務(wù)器代替了原來的通信協(xié)議，并將各種應(yīng)用設(shè)計為OPC客戶機(jī)，在OPC客戶機(jī)與OPC服務(wù)器之間就可以進(jìn)行通信和互操作，軟硬件廠商可以在互聯(lián)問題上花很少的時間，集中精力解決應(yīng)用需求，從而消除大量的重復(fù)勞動。

2 原有系統(tǒng)通訊原理

芭蕉河集控中心于2006年投入使用，采用擴(kuò)大廠站模式(一廠多站控制模式)，參與監(jiān)控與調(diào)度的有三座電站，后臺監(jiān)控系統(tǒng)采用GE公司的ifix組態(tài)軟件，現(xiàn)地控制單元采用南瑞設(shè)計的SJ-500系列。通過對芭蕉河原有監(jiān)控系統(tǒng)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，如圖1所示，fix監(jiān)控系統(tǒng)采用OPC技術(shù)與現(xiàn)地控制單元通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖1 原一級站通訊原理圖

3 集控改造后的通訊原理

根據(jù)原有監(jiān)控的通訊方案，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，要快速有效的實現(xiàn)NC2000監(jiān)控系統(tǒng)軟件與原有現(xiàn)地控制單元的數(shù)據(jù)通訊，決定使用軟件KEPServerEx作為OPC服務(wù)器，通過相應(yīng)的驅(qū)動程序獲取現(xiàn)地控制單元中PLC(可編程控制器)的數(shù)據(jù)，并結(jié)合南瑞自主開發(fā)組件OPC_104Slave與監(jiān)控系統(tǒng)通過IEC104規(guī)約實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。如圖2所示，實現(xiàn)此通訊方案，需要完成KEPServerEx，OPC_104Slave和監(jiān)控系統(tǒng)104主站通訊驅(qū)動的配置。

圖2 改造通訊原理圖

3.1 KEPServerEx介紹及配置

KEPServerEx是Kepware的OPC服務(wù)器產(chǎn)品，具有廣泛的設(shè)備驅(qū)動程序插件和組件，支持多種品牌PLC產(chǎn)品，可以很方便的與多種設(shè)備建立連接。

在運(yùn)行KEPServerEx后，需著重配置以下幾項。

建立一個通道，命名為LCU1，根據(jù)向?qū)С绦?軟件自帶幫助(Driver Help)，通過需要采集數(shù)據(jù)CPU模塊型號來選擇設(shè)備驅(qū)動名稱，例如芭蕉河一級站現(xiàn)地單元PLC為AB，選擇Allen-Bradley Ethernet，如圖3所示，根據(jù)一些網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的選項保持默認(rèn)值，完成了對通道類型的設(shè)置。

在該通道內(nèi)建立新設(shè)備，根據(jù)向?qū)С绦颍斎朐O(shè)備名字為Dev1，設(shè)備類型選擇CPU模塊型號。設(shè)備的ID號(device ID)要與在PLC配置中的CPU模塊的IP地址相同，例如10.124.*.*，如圖4所示，隨后的選項保持默認(rèn)值，這樣就確定了要進(jìn)行通信的具體通道。

最后在設(shè)備里添加需要通訊的變量來完成KEPServerEx的配置，如圖5所示。

圖3 KEPServerEx設(shè)備驅(qū)動選擇圖

圖4 KEPServerEx 驅(qū)動IP設(shè)置圖

圖5 KEPServerEx增加變量圖

3.2 OPC_104Slave的介紹及配置

OPC_104Slave是由南瑞集團(tuán)公司開發(fā)的OPC客戶端組件，需要從OPC服務(wù)器中讀寫的數(shù)據(jù)加載到軟件中，通過IEC104規(guī)約與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，支持單個寄存器和連續(xù)多個寄存器值的寫入OPC服務(wù)器。

在運(yùn)行OPC_104Slave 后，首先建立一個OPC服務(wù)器連接，在本地服務(wù)器里選擇需要加載的OPC服務(wù)器，例如選KEPware.KEPServerEx.V4，完成后建立組LCU1，在組里批量添加需要上送監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，然后配置OPC_104Slave.csv和OPC_104Slave.ini這兩個文件來實現(xiàn)與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，如圖6所示。

圖6 OPC_104Slave配置圖

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)介紹和IEC104規(guī)約介紹

NC2000 V3.0系統(tǒng)軟件是面向水利水電行業(yè)研制的大型計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件。該軟件是一款真正具有跨平臺能力、全面支持異構(gòu)平臺的多層分布式面向?qū)ο蟮挠嬎銠C(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，它包含了分布式對象架構(gòu)，全面支持異構(gòu)平臺的特性，提供了高效安全可靠的監(jiān)控內(nèi)核、功能強(qiáng)大的組態(tài)工具、精細(xì)美觀的圖形界面、實用方便的應(yīng)用界面、多種符合國際標(biāo)準(zhǔn)的接口以及緊貼水利水電用戶和梯級集控調(diào)度應(yīng)用需求的各種常規(guī)及高級功能。目前已經(jīng)在200余家大中型項目中獲得廣泛應(yīng)用。

IEC104規(guī)約由國際電工委員會制定。IEC104協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP定義了IEC101應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(ASDU)的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，為遠(yuǎn)程信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸提供了通信協(xié)議基礎(chǔ)。與該實施例ASDU 104 101規(guī)約組合規(guī)約，良好的可靠性可以被標(biāo)準(zhǔn)化。

3.4 監(jiān)控系統(tǒng)IEC104驅(qū)動配置

在主服務(wù)器上運(yùn)行NC2000監(jiān)控系統(tǒng)，在進(jìn)程管理自啟動中添加驅(qū)動名稱iec104d，在數(shù)據(jù)庫各節(jié)點的驅(qū)動配置中配置相關(guān)驅(qū)動，并命名資源文件名稱，然后在工程文件夾project.sdz/drv中配置資源文件的相關(guān)參數(shù)，最后在監(jiān)控軟件的通訊接口里配置測點表來完成IEC104通訊驅(qū)動的配置(注：通訊接口測點表里的數(shù)據(jù)順序必須與配置文件OPC_104Slave.csv里的數(shù)據(jù)順序保持一致)。

4 結(jié) 語

本文介紹了OPC的基本技術(shù)，以及國內(nèi)水電站的通訊現(xiàn)狀，結(jié)合芭蕉河梯級電站監(jiān)控系統(tǒng)改造項目實際情況，采用OPC技術(shù)快速有效的實現(xiàn)了新監(jiān)控系統(tǒng)與原有現(xiàn)地控制單元的數(shù)據(jù)通訊，減少對原有現(xiàn)地控制單元的二次開發(fā)，大大縮短了改造工期，為其他工程的改造提供參考。