穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場電源移動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

陳慶武,王 燦,徐煙紅,陳文革

1.安徽大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院;2.中國科學(xué)院強(qiáng)磁場科學(xué)中心;3.強(qiáng)磁場安徽省實(shí)驗(yàn)室

0 引言

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置是我國自主研制的能提供穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)條件的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,其包含水冷磁體系統(tǒng)、超導(dǎo)磁體系統(tǒng)、混合磁體系統(tǒng)、技術(shù)裝備系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)等[1]。

28 MW高穩(wěn)定度電源系統(tǒng)是水冷磁體的核心技術(shù)裝備系統(tǒng)之一,由2組14 MW電源并聯(lián)組成,每組電源額定輸出電壓700 V,額定輸出電流20 kA,輸出電流穩(wěn)定度優(yōu)于10 ppm(1 ppm=10-6)。每組電源由10 kV高壓開關(guān)柜、整流變壓器、無功補(bǔ)償器、可控硅整流橋、濾波系統(tǒng)、換向開關(guān)及母排、控制保護(hù)系統(tǒng)及后臺監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成。電源監(jiān)控系統(tǒng)用于對電源的運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測,對電源子系統(tǒng)及各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控,一旦電源設(shè)備或磁體出現(xiàn)故障,控制保護(hù)系統(tǒng)須立即執(zhí)行相對應(yīng)的保護(hù)動作,避免造成設(shè)備或磁體的損壞[2]。因此電源監(jiān)控系統(tǒng)對電源和磁體的穩(wěn)定可靠運(yùn)行、實(shí)驗(yàn)故障排查解決具有非常重要的意義。

現(xiàn)有電源監(jiān)控系統(tǒng)安裝在中央控制室,只有在控制室才能觀察到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與運(yùn)行信息,因而運(yùn)行人員需要一直在中央控制室現(xiàn)場監(jiān)守和操作。隨著強(qiáng)磁場裝置用戶數(shù)量和實(shí)驗(yàn)機(jī)時的不斷增加,工作日平均實(shí)驗(yàn)機(jī)時已達(dá)到12 h以上,這對電源運(yùn)行人員的工作量和工作任務(wù)都提出了較高要求。

為了降低電源運(yùn)行人員的工作量,能隨時隨地掌控電源的運(yùn)行狀態(tài),對實(shí)驗(yàn)和電源設(shè)備的突發(fā)狀況能及時發(fā)現(xiàn)和處理,降低電源運(yùn)行過程中的安全隱患,本文設(shè)計了穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場電源移動端遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),讓運(yùn)行人員可以隨時隨地在移動端設(shè)備上查看電源運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)(電壓、電流、報警記錄等),并通過移動端設(shè)備對電源系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行遙控,快速解決電源運(yùn)行過程中的故障,提高電源運(yùn)行效率和實(shí)驗(yàn)效率。

1 研究背景

1.1 監(jiān)控對象

電源監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象主要包括2組14 MW整流電源系統(tǒng)和10 kV開關(guān)柜。每組整流電源系統(tǒng)由8臺電源柜體組成:4臺整流電感柜、1臺濾波電容柜、1臺有源濾波柜、1臺DCCT柜、1臺控制保護(hù)柜,S7-300 PLC作為整流電源系統(tǒng)的主控制器起到保護(hù)和控制作用。電源系統(tǒng)共計6臺10 kV開關(guān)柜,CB0開關(guān)柜為10 kV母線的總進(jìn)線開關(guān),CB1、CB2分別是10 kV母線接入2組電源的開關(guān),CB3～CB5是3組無功補(bǔ)償PFC設(shè)備的開關(guān),由微機(jī)綜保測控裝置(PSC691、PST693)采集開關(guān)柜的數(shù)據(jù),對整流變壓器、無功補(bǔ)償電容器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,對每臺開關(guān)柜的電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行采集。CB1和CB2開關(guān)柜還同時執(zhí)行2組電源的故障分?jǐn)啾Ｗo(hù)。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)的組成

現(xiàn)有電源監(jiān)控系統(tǒng)以300PLC和開關(guān)柜綜保裝置作為下位機(jī),負(fù)責(zé)采集電源和開關(guān)柜的數(shù)據(jù),控制分合10 kV真空斷路器、分合油泵、PLC遠(yuǎn)程復(fù)位、系統(tǒng)本/遠(yuǎn)控切換。上位機(jī)使用LabVIEW編程的監(jiān)控界面,負(fù)責(zé)與下位機(jī)通信,展示獲取的電源運(yùn)行和狀態(tài)數(shù)據(jù),并下發(fā)遙控命令至下位機(jī),實(shí)現(xiàn)遙控功能。

本文以現(xiàn)有電源監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ),通過Web服務(wù)器,設(shè)計實(shí)現(xiàn)電源移動監(jiān)控系統(tǒng)[3]。移動端同時使用C/S(客戶端/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)與B/S(瀏覽器/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)[4],C/S結(jié)構(gòu)中以Android APP為客戶端。電源監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電源監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 LabVIEW上位機(jī)設(shè)計

LabVIEW上位機(jī)與Web服務(wù)器通信時[5-6],LabVIEW上位機(jī)作為客戶端,Web服務(wù)器作為服務(wù)端。每間隔1 s,LabVIEW會向服務(wù)器發(fā)送1次本地數(shù)據(jù),發(fā)送數(shù)據(jù)時,LabVIEW會先把數(shù)據(jù)捆綁成JSON格式的簇,然后調(diào)用子vi發(fā)送至Web服務(wù)器。每間隔2.5 s,LabVIEW會向服務(wù)器請求獲取遙控命令數(shù)據(jù)。LabVIEW上位機(jī)接收到遙控命令數(shù)據(jù)后,需要先進(jìn)行解析,解析之后的命令會與當(dāng)前電源系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行邏輯處理,當(dāng)命令與系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)不沖突時,才會執(zhí)行命令,對設(shè)備進(jìn)行操作。當(dāng)命令與系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)沖突時,上位機(jī)會重置服務(wù)器的命令。LabVIEW數(shù)據(jù)處理流程圖如圖2所示。

圖2 LabVIEW數(shù)據(jù)處理流程圖

3 服務(wù)器設(shè)計

服務(wù)器由javaweb后端項(xiàng)目、MySQL數(shù)據(jù)庫、vue前端項(xiàng)目組成。其中javaweb后端項(xiàng)目使用java語言,基于SSM框架,在IDEA開發(fā)平臺開發(fā),并部署在tomcat服務(wù)器上,vue前端項(xiàng)目使用HTML+CSS+JavaScript,基于vue前端框架,在VSCode開發(fā)平臺開發(fā)。目前web服務(wù)運(yùn)行在阿里云服務(wù)器上。

3.1 服務(wù)器邏輯設(shè)計

服務(wù)器主要有兩大功能:一是接收LabVIEW上位機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)(具體包括PS1、PS2、PS3 3個電源的輸出電流、電壓、報警記錄數(shù)據(jù)及電源系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)),將運(yùn)行數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中,然后在移動客戶端展示。二是接收移動客戶端發(fā)送的遙控命令數(shù)據(jù)(包括分合10 kV真空斷路器、分合油泵、PLC 遠(yuǎn)程復(fù)位、控制系統(tǒng)本/遠(yuǎn)控切換),將遙控數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中,然后發(fā)送給LabVIEW上位機(jī)解析處理。服務(wù)器數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 服務(wù)器數(shù)據(jù)處理流程圖

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫使用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫中包含7個表:PS1報警記錄、PS2報警記錄、PS3報警記錄、電流電壓、電流緩存、狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制。其中PS1報警記錄、PS2報警記錄、PS3報警記錄表分別用于存儲PS1電源、PS2電源、PS3電源的報警記錄信息,電流電壓表中只存儲1條數(shù)據(jù),當(dāng)前時間產(chǎn)生的電流、電壓數(shù)據(jù),每s更新此條數(shù)據(jù)。電流緩存表存儲的是距當(dāng)前時間1 h內(nèi)的電流數(shù)據(jù),每s接收1條,一共3 600條數(shù)據(jù),移動客戶端根據(jù)3 600條數(shù)據(jù)生成電流波形圖。狀態(tài)監(jiān)控表存儲的是電源系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程控制表存儲的是移動客戶端發(fā)送的控制命令數(shù)據(jù)。

PS1報警記錄、PS2報警記錄、PS3報警記錄、電流電壓、電流緩存、狀態(tài)監(jiān)控表存儲的數(shù)據(jù)為運(yùn)行數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)是LabVIEW上位機(jī)發(fā)送,移動客戶端接收。遠(yuǎn)程控制表存儲的數(shù)據(jù)為遙控數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)是由移動客戶端發(fā)送,LabVIEW上位機(jī)接收。數(shù)據(jù)庫設(shè)計如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計圖

在Web服務(wù)器后端運(yùn)行著2個模塊,執(zhí)行定時刪除數(shù)據(jù)庫冗余數(shù)據(jù)的任務(wù)。一個是每天刪除PS1報警記錄、PS2報警記錄、PS3報警記錄表中一星期前的數(shù)據(jù):一個是每10 min刪除電流緩存表中1 h前的數(shù)據(jù)。定時刪除冗余數(shù)據(jù)可以減少客戶端請求的延遲時間,使客戶端更快的獲取到數(shù)據(jù)。

4 移動端設(shè)計

本文同時使用C/S(客戶端/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)[7-8]與B/S(瀏覽器/服務(wù)器)結(jié)構(gòu),C/S結(jié)構(gòu)中以Android APP 為客戶端。相較與使用瀏覽器,使用Android APP響應(yīng)速度更快,用戶交互體驗(yàn)更好,缺點(diǎn)是只有安卓設(shè)備才能下載使用。使用蘋果設(shè)備的用戶可以通過瀏覽器使用移動監(jiān)控系統(tǒng)。

不管是使用Android APP還是使用瀏覽器,移動監(jiān)控系統(tǒng)的功能和界面都是相似的,共有運(yùn)行、遙控、警報界面,可查看實(shí)時電流、電壓數(shù)據(jù),具有波形圖功能、遠(yuǎn)程遙控功能、查看報警記錄功能。

4.1 運(yùn)行功能模塊

運(yùn)行界面是初始的默認(rèn)界面。在此界面中可以查看3個電源的電流、電壓數(shù)據(jù)和是否有警報。電流、電壓數(shù)據(jù)是實(shí)時更新的,每s更新1次,且在下方能夠看到當(dāng)前時間前1 h的電流波形圖。是否有警報由狀態(tài)展示燈顯示,無警報時為綠色,有警報時為紅色。Android APP運(yùn)行界面如圖5所示,瀏覽器運(yùn)行界面如圖6所示。

圖5 Android APP運(yùn)行界面

圖6 瀏覽器運(yùn)行界面

4.2 遙控功能模塊

在遙控界面可以發(fā)送遙控命令,遠(yuǎn)程遙控設(shè)備,具體包括分合10 kV真空斷路器、分合油泵、PLC 遠(yuǎn)程復(fù)位、控制系統(tǒng)本/遠(yuǎn)控切換等。大功率電氣設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要,在對這些設(shè)備進(jìn)行遙控操作時,需要先在遙控界面進(jìn)行密碼驗(yàn)證。密碼驗(yàn)證通過后,會跳轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)程遙控界面。界面內(nèi)有button按鈕和switch開關(guān),點(diǎn)擊可以向服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)操作的命令。命令在發(fā)送前會彈出對話框,確認(rèn)是否發(fā)送命令,以防誤觸。發(fā)出命令后,可以觀察狀態(tài)指示燈,確認(rèn)命令是否執(zhí)行成功。以Android APP為例,其遙控界面如圖7所示。

(a)密碼驗(yàn)證界面

4.3 警報功能模塊

用戶可以在警報界面查看最近1周的報警記錄,報警記錄根據(jù)時間順序展示,最新時間的報警記錄在最上方,上拉加載更多的報警記錄。在報警記錄更新時,Android APP可以通過通知欄提醒用戶,而瀏覽器不會。Android APP警報界面如圖8所示。

圖8 Android APP警報界面

5 結(jié)束語

本文基于LabVIEW上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),開發(fā)電源移動監(jiān)控系統(tǒng),將LabVIEW上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與移動端設(shè)備結(jié)合,可以隨時隨地監(jiān)控電源系統(tǒng),實(shí)時了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)安全隱患,不用值班人員一直在中央控制室值守,減少工作量,因此電源移動遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)中央控制室未來智能無人值守的重要環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)表明:移動電源監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。