計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭光海，周建勝，潘培華

（寧波市水庫(kù)管理中心，浙江 寧波 315600）

0 引言

我國(guó)水電站開始使用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)水電站發(fā)電生產(chǎn)過程實(shí)行監(jiān)測(cè)和控制是在20 世紀(jì)90 年代末，這30年間計(jì)算機(jī)軟硬件、網(wǎng)絡(luò)信息、工業(yè)控制等技術(shù)發(fā)生了日新月異的變化。計(jì)算機(jī)監(jiān)控在設(shè)計(jì)思路、總體結(jié)構(gòu)、硬件選配、軟件開發(fā)等各方面都有很大的提升，同時(shí)原有的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控也出現(xiàn)了設(shè)備老化、運(yùn)行緩慢、故障率高等問題，影響了水電站的安生生產(chǎn)，因此有必要與時(shí)俱進(jìn)地對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造，重點(diǎn)放在系統(tǒng)先進(jìn)性、合理性、可靠性方面顯著提升，結(jié)構(gòu)采用開放環(huán)境下全分布式配置，并應(yīng)用了環(huán)形以太網(wǎng)通信方式，硬件選用目前先進(jìn)的主流產(chǎn)品，軟件選用國(guó)際流行的工控軟件，系統(tǒng)整體運(yùn)行先進(jìn)安全可靠，顯著提高水電站生產(chǎn)的安全可靠性，滿足水庫(kù)及水電站現(xiàn)代化和信息化管理的需求。

白溪電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自2001 年投產(chǎn)以來已運(yùn)行20 年，被譽(yù)為寧波的“三峽”，承擔(dān)市區(qū)60%以上的供水任務(wù)，在系統(tǒng)中擔(dān)任重要作用。目前設(shè)備老化嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控主機(jī)死機(jī)、運(yùn)行速度緩慢、PLC 系統(tǒng)故障、通信中斷、測(cè)溫及保護(hù)通信故障等問題，直接影響電站運(yùn)行及供水安全，面向我國(guó)電力系統(tǒng)對(duì)調(diào)度電廠工業(yè)控制和信息系統(tǒng)安全保護(hù)日益提高的要求已捉襟見肘?，F(xiàn)在技術(shù)更加先進(jìn)，設(shè)備更加可靠，更能滿足水庫(kù)及水電站安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)代化和信息化的要求。因此有必要對(duì)原有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并針對(duì)以上問題進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

1 改進(jìn)設(shè)計(jì)原則

白溪電站監(jiān)控系統(tǒng)按照以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主，輔助現(xiàn)地控制的原則進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，注重監(jiān)控自動(dòng)控制與現(xiàn)地控制方式的協(xié)調(diào)配合，監(jiān)控系統(tǒng)與發(fā)電設(shè)備同步投入?，F(xiàn)地控制作為主控站與現(xiàn)地控制單元（LCU）通訊中斷時(shí)的熱備用，它硬接線于LCU，具備值守人員進(jìn)行日常操作的值班條件。系統(tǒng)重點(diǎn)按先進(jìn)性、合理性和可靠性原則進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置。

1.1 先進(jìn)性

系統(tǒng)關(guān)鍵核心設(shè)備和軟件均采用國(guó)際著名廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品，保障了系統(tǒng)的先進(jìn)性和可靠性。硬件方面，機(jī)組LCU 的核心設(shè)備PLC 采用GE 公司生產(chǎn)的PAC RX3I 系列產(chǎn)品，其中CPU 采用32 位486 以上工業(yè)級(jí)微處理器（IC695CPE305），主要性能指標(biāo)如下：時(shí)鐘頻率為1.1 GHz；具有Flash 內(nèi)存，內(nèi)置用戶程序容量5 M；支持實(shí)時(shí)時(shí)鐘；I/O離散點(diǎn)為32 kbits，I/O模擬量為32 kwords；背板總線為速度不低于27 MHz 開放式的PCI 總線，無瓶頸，支持帶電熱插拔。軟件方面，組態(tài)軟件采用工業(yè)自控領(lǐng)域先進(jìn)的GE Cimplicity 工控組態(tài)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，該組態(tài)軟件的開發(fā)系統(tǒng)提供多種工具及管理程序，滿足各種應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)需求，提供了具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的BASIC、C++、JAVA、TCP/IP 等軟件接口，使得應(yīng)用程序具有跨平臺(tái)的廣泛應(yīng)用環(huán)境[1]。

1.2 合理性

現(xiàn)地PLC 控制可在網(wǎng)絡(luò)通信故障或上位機(jī)失控時(shí)操作備用，LCU 可用現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)方式獨(dú)立工作，維持相應(yīng)機(jī)組、送變電設(shè)備、公用設(shè)備等的正常運(yùn)行；或在現(xiàn)地方式下，由值班人員通過LCU 進(jìn)行手動(dòng)控制，完成機(jī)組、公用、送變電設(shè)備等的起、閉，斷路器的投、切等操作。

1.3 可靠性

針對(duì)水電站生產(chǎn)安全及技術(shù)特點(diǎn)，在保證操作可靠、通訊安全性前提下還在以下方面進(jìn)行改造。

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)及控制功能分布處理，系統(tǒng)功能分布在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)中，系統(tǒng)任一節(jié)點(diǎn)的故障不影響其他節(jié)點(diǎn)的正常工作，不會(huì)造成關(guān)鍵性故障或使外部設(shè)備誤動(dòng)作。

（2）充分利用PLC 的高可靠性及邏輯控制方面的優(yōu)點(diǎn)，保證機(jī)組、公用設(shè)備、開關(guān)站設(shè)備等的順序控制。由PLC 完成監(jiān)控對(duì)象的閉環(huán)控制，保證受控對(duì)象的安全可靠運(yùn)行。現(xiàn)地LCU 在脫離主控級(jí)的情況下，可以保證受控對(duì)象的安全運(yùn)行。

（3）電站各LCU 均配置交、直流開關(guān)電源，充分保障了監(jiān)控設(shè)備供電的可靠性。

（4）專門配置了低壓防雷系統(tǒng)，在必要的電源處、信號(hào)線路處設(shè)置抗浪涌保護(hù)裝置，以防止感應(yīng)雷對(duì)控制系統(tǒng)造成的干擾和破壞。

（5）機(jī)組LCU 屏上裝設(shè)有獨(dú)立于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的機(jī)組水力機(jī)械事故停機(jī)和事故緊急停機(jī)的常規(guī)設(shè)備及電氣回路。

（6）微機(jī)保護(hù)裝置中重要的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)以開關(guān)量形式與對(duì)應(yīng)的各LCU直接相連。

（7）提高系統(tǒng)的抗干擾能力，現(xiàn)地控制單元的人機(jī)界面采用液晶觸摸屏，避免了現(xiàn)場(chǎng)電磁場(chǎng)的干擾；現(xiàn)場(chǎng)交流電源均經(jīng)過隔離、濾波處理后進(jìn)行供電，另外PLC的I/O 信號(hào)接口、通信接口均采用光電隔離措施，具有較強(qiáng)的抗雷擊、抗電磁干擾能力。

2 總體結(jié)構(gòu)

電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)從功能上分為中央控制層和現(xiàn)地控制層，如圖1 所示。電站采用開放式環(huán)境下全分布計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)中選用不同計(jì)算機(jī)時(shí)的互操作性，系統(tǒng)擴(kuò)展和設(shè)備更新時(shí)的可移植性。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 中控層

中控層是電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控中心。負(fù)責(zé)全廠的自動(dòng)化操作控制，采集和處理來自LCU 的數(shù)據(jù)，編制和計(jì)算各種運(yùn)行參數(shù)、制作各種運(yùn)行報(bào)表、形成運(yùn)行檔案等，全站的人機(jī)對(duì)話如事故和故障告警、運(yùn)行監(jiān)視、對(duì)設(shè)備各種整定值的設(shè)置和修改、對(duì)設(shè)備的手動(dòng)操作等，與LCU和電力調(diào)度、水情測(cè)報(bào)等之間的通訊。

2.2 LCU（現(xiàn)地控制層）

LCU 按控制設(shè)備分為機(jī)組LCU、公用設(shè)備LCU、送變電LCU、壩區(qū)LCU。各LCU 對(duì)所管轄的生產(chǎn)過程進(jìn)行完善的監(jiān)控，經(jīng)過DI、DO 與生產(chǎn)過程相連；通過485通信與微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警裝置、繼電保護(hù)、直流系統(tǒng)等交換信息，在人機(jī)界面上動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示各種運(yùn)行參數(shù)和繼電保護(hù)動(dòng)作情況；通過以太網(wǎng)接口接到以太網(wǎng)上，向中控層上傳信息并接受執(zhí)行中控層命令，同時(shí)各LCU 間亦可交換信息。各LCU 對(duì)中控層有相對(duì)獨(dú)立性，它們能在與中控層斷網(wǎng)情況下獨(dú)立完成生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理，數(shù)據(jù)監(jiān)視、調(diào)整和控制等功能[2]。

3 硬件配置

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用全開放系統(tǒng)，由各現(xiàn)地LCU 單元、主控工作站、打印機(jī)終端以及遠(yuǎn)程終端和相應(yīng)的外設(shè)構(gòu)成。

3.1 LCU（現(xiàn)地控制層）

LCU 由PLC、液晶TFT 彩顯觸摸屏、各輸出繼電器、雙電源切換模塊等組成，機(jī)組LCU 還包括自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置、多功能儀表等自動(dòng)化設(shè)備。LCU 主要完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集及預(yù)處理，另外具有監(jiān)視和控制功能?，F(xiàn)地的彩顯觸摸屏，在與中控層脫離后仍然能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組進(jìn)行必要的監(jiān)視和控制，如機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視；機(jī)組的開、停機(jī)；增、減有功、無功；而與中控層通信恢復(fù)后又能自動(dòng)轉(zhuǎn)為中上位機(jī)控制[3]。

LCU 與現(xiàn)場(chǎng)其他智能設(shè)備間的通訊采用專用通訊管理機(jī)完成。該裝置采用RISC嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)，具有高可靠性?？梢詫F(xiàn)場(chǎng)不同設(shè)備的通訊規(guī)約轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議（如Modbus TCP），并直接接入局域網(wǎng)與PLC 及上位機(jī)相互交換信息。主要用來完成與現(xiàn)場(chǎng)輔助設(shè)備（如微機(jī)保護(hù)裝置、多功能電量表、微機(jī)勵(lì)磁、微機(jī)調(diào)速器等）的通訊。通訊管理機(jī)選用MOXA IA240型號(hào)，性能指標(biāo)如下：CPU 為Intel Xscale IXP-422 266 MHz 處理器；128 Mb RAM，32 Mb Flash Disk；4 個(gè)RS-232/422/485 串 口；2 個(gè)10/100 Mb/s 以 太 網(wǎng) 口；具 有LCM 顯示屏和鍵盤方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和操作；采用Linux 通信平臺(tái)。

3.2 通訊設(shè)備

電站采用環(huán)形以太網(wǎng)進(jìn)行通信，在各主計(jì)算機(jī)工作站、通信服務(wù)器、工程師工作站、管理工作站以及各LCU 均配置以太網(wǎng)交換機(jī)，傳輸介質(zhì)采用網(wǎng)線或光纜。在現(xiàn)地每個(gè)LCU 單元各配置一臺(tái)環(huán)形以太網(wǎng)交換機(jī)，選用GE IC086SLM042SS 型號(hào)，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高設(shè)備的擴(kuò)展性和靈活性。單模100M 光口2 個(gè)，100M電口4個(gè)；符合工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)及IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。

中控室核心交換機(jī)用于控制中心自動(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，采用可網(wǎng)管模塊化交換機(jī)。交換機(jī)選用GE IC086SLM162 型號(hào)，設(shè)備均布置于中控室的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備屏內(nèi)。具體技術(shù)指標(biāo)如下：支持OPC Server，可以與工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件無縫連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)管。交換機(jī)內(nèi)部含溫度感應(yīng)器，能探測(cè)到外界的實(shí)時(shí)溫度，且顯示在管理頁面中，如出現(xiàn)了超出的設(shè)定溫度界限，交換機(jī)可自動(dòng)報(bào)警；交換機(jī)支持內(nèi)存卡配置功能，即交換機(jī)自帶內(nèi)存卡插槽，交換機(jī)本身的配置程序可自動(dòng)保存在內(nèi)存卡里面，以方便日常維護(hù)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)型衛(wèi)星同步時(shí)鐘裝置

GPS 選用東大金智iPACS-5785 型號(hào)，采用BSS 標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星同步時(shí)鐘，接收GPS 信號(hào)，并通過以太網(wǎng)接口對(duì)各工作站相連發(fā)送對(duì)時(shí)信號(hào)，使全廠裝置時(shí)間同步，時(shí)鐘的同步精度為±1 ms。

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件符合國(guó)際開放系統(tǒng)組織推薦的開放式系統(tǒng)，選用國(guó)際流行的工控軟件（Cimplicity），供運(yùn)行人員二次開發(fā)使用。操作系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)多任務(wù)多窗口的Microsoft Windows 操作系統(tǒng)。Cimplicity 能提供多種工具及管理程序，滿足各種應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)需求，采用真正的客戶端/服務(wù)器構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)無縫擴(kuò)展；與Proficy 軟件套件緊密集成；通過功能強(qiáng)大的API，能夠利用Cimplicity 采集、管理、維護(hù)形成的數(shù)據(jù)和報(bào)警信息開發(fā)自己的直接接口；能夠?qū)崿F(xiàn)定制程序或第三方程序的無縫集成；交互式可視化環(huán)境及JAVA、FORTRAN、C、C++等高級(jí)語言編譯系統(tǒng)提供了各種開發(fā)工具和較強(qiáng)的編程能力。

網(wǎng)絡(luò)通訊及網(wǎng)絡(luò)管理采用Client(客戶)—Server(服務(wù)器)模式，通訊軟件基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，為系統(tǒng)各進(jìn)程間提供了網(wǎng)絡(luò)透明的通訊服務(wù)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件采用Microsoft SQL Server，能提供各測(cè)量值的越復(fù)限處理、定時(shí)定期數(shù)據(jù)的檢索、歸檔，事件事故的動(dòng)作次數(shù)、報(bào)警，各數(shù)據(jù)的瞬時(shí)狀態(tài)等，并可根據(jù)需求計(jì)算較為復(fù)雜，便于使用的運(yùn)算點(diǎn)。還可利用數(shù)據(jù)庫(kù)軟件對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱、打印、檢索并存檔。

在順序控制方面通過順控管理程序檢查順控程序語法，啟動(dòng)管理各順控執(zhí)行程序及對(duì)條件有限制的順控程序加鎖等，完成與數(shù)據(jù)庫(kù)與人機(jī)接口的信息互換并執(zhí)行一個(gè)順控流程。順控執(zhí)行程序可放在LCU-CPU 中或直接由PLC 去完成[4]。主要控制操作內(nèi)容：操作安全閉鎖；操作過程監(jiān)視；泵組的開、停機(jī)順序控制；斷路器、隔離開關(guān)、閥門等設(shè)備的控制等。編程軟件使用PLC 生產(chǎn)廠家自帶，用戶根據(jù)電站實(shí)際生產(chǎn)過程的控制順序要求，進(jìn)行各種PLC 軟件功能的編輯和開發(fā)。PLC 編程采用梯形圖（LD）語言，沿襲了繼電器控制電路的形式，在梯形圖中，輸入觸點(diǎn)代替按鈕，輸出線圈代替負(fù)載，左右母線代替繼電器與接觸器控制電源線。圖2 所示為開機(jī)準(zhǔn)備好的梯形圖，非常形象、直觀、實(shí)用。

圖2 開機(jī)準(zhǔn)備好梯形圖

在交互式方面報(bào)表編輯和圖形編輯用的較多。報(bào)表編輯提供了表格線、漢字和字符輸入方法，通過鼠標(biāo)器和鍵盤在界面上建立報(bào)表格式，定義報(bào)表項(xiàng)與數(shù)據(jù)庫(kù)報(bào)表功能塊的動(dòng)態(tài)連接。圖形編輯程序提供用戶開發(fā)人機(jī)接口的各種畫面，通過鼠標(biāo)及鍵盤，選擇圖符庫(kù)、字符編輯、漢字編輯、圖形編輯、顏色編輯等，在界面上開發(fā)出所需的畫面，并建立圖形、顏色、字符、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的動(dòng)態(tài)連接，這樣就能實(shí)時(shí)顯示與現(xiàn)場(chǎng)情況一致的動(dòng)態(tài)畫面及操作流程[5]。圖3 所示為停機(jī)流程。矩形塊的顏色：條件滿足時(shí)，矩形塊為紅色。箭頭的顏色：停機(jī)過程未完成時(shí)，當(dāng)箭頭的上一個(gè)條件滿足且下一個(gè)條件未滿足時(shí)，箭頭為閃爍的紅色與黃色；當(dāng)箭頭上一個(gè)條件滿足且下一個(gè)條件也滿足時(shí)，箭頭為紅色；當(dāng)箭頭的上一個(gè)條件未滿足時(shí)，箭頭為粉色虛線；停機(jī)過程完成時(shí)，所有的箭頭為黃色虛線。

圖3 停機(jī)流程

售后服務(wù)方面遠(yuǎn)程診斷服務(wù)為用戶提供一套遠(yuǎn)程診斷軟件，一般的故障或系統(tǒng)運(yùn)行中遇到的困難，用戶可以用樹梅派與開發(fā)公司的軟件人員通過因特網(wǎng)相連，由軟件完成遠(yuǎn)程診斷和在線修正。

5 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)使用情況

該電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過6 個(gè)月的設(shè)計(jì)安裝調(diào)試已正式投產(chǎn)運(yùn)行，運(yùn)行人員因?yàn)橛幸郧暗慕?jīng)驗(yàn)，經(jīng)過短期的培訓(xùn)適應(yīng)了新的監(jiān)控系統(tǒng)，操作習(xí)慣變動(dòng)不大，很快熟悉了監(jiān)盤操作和日常檔案數(shù)據(jù)整理，人機(jī)界面感覺舒適，各項(xiàng)動(dòng)畫和動(dòng)態(tài)顯示直觀清晰。機(jī)組經(jīng)過正常開停機(jī)、事故停機(jī)、緊急停機(jī)流程均正常，所有輔助設(shè)備運(yùn)行能正常啟停，所有主接線開關(guān)操作正確，所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)適時(shí)準(zhǔn)確。經(jīng)過一年的運(yùn)行目前一切正常，機(jī)組每天開停機(jī)一次均按流程正確執(zhí)行，經(jīng)過一個(gè)雷雨季節(jié)的考驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)異常。一年內(nèi)3 次根據(jù)調(diào)度命令進(jìn)行倒閘均操作正常，經(jīng)過全廠兩臺(tái)機(jī)組大修，各項(xiàng)數(shù)據(jù)及通信狀態(tài)正常。綜上所述本次計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造解決了多年存在的隱患，能滿足電站安全生產(chǎn)需要。

6 結(jié)束語

該電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)思路、總體結(jié)構(gòu)、硬件選配、軟件開發(fā)方面經(jīng)過有針對(duì)性地設(shè)計(jì)改進(jìn)，在系統(tǒng)先進(jìn)性、合理性、可靠性方面顯著提升，結(jié)構(gòu)采用開放環(huán)境下全分布式配置，并應(yīng)用了環(huán)形以太網(wǎng)通信方式，硬件選用目前先進(jìn)的主流產(chǎn)品，軟件選用國(guó)際流行的工控軟件，系統(tǒng)整體運(yùn)行先進(jìn)安全可靠，人機(jī)互動(dòng)感覺友好，并解決了多年運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控死機(jī)、運(yùn)行速度緩慢、PLC 系統(tǒng)故障、通信故障等問題，提高了自動(dòng)化水平，保障了電站安全經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行，滿足水電站現(xiàn)代化和信息化管理的需求。