基于PAC的水電機組監控系統

覃　芊

摘要：本文通過闡述新一代PLC—PAC(可編程自動控制器)技術，在此基礎上構建水電機組監測系統的設計和實現，重點研究和分析了該監測系統的數據采集、數據通信和基于LabVIEW的軟件模塊化設計，展示基于PAC技術的火電機組監控系統的具有獨特的靈活性和可擴展性。

關鍵詞：水電機組PAC LabVIEW自動控制

1.前言

隨著我國工業的快速發展與電力技術的不斷進步，機械設備越來越精密、輕巧，自動化程度越來越高。為了保證水電站大型設備的安全可靠性與經濟性，許多設備配置了先進的監控、監測系統，同時不斷地改善設備檢修方式。為了提高其安全可靠性和技術的靈活性，我們引入新一代的PLC技術PAC(可編程自動控制器)。PAC systems代表了控制工業領域的革命，它的意義在與自動控制的集成，而不是將各部件簡單的集成。

2.PAc及其技術特點

PAC(Programmable Automation controller)即可編程自動控制器的簡稱。在PAC技術上，NI(Nitional Instruments)公司的產品得到廣泛的接受和應用。NI的PAC平臺基于NI LabVIEW技術，開發定制的測控系統可將其部署到可靠的運行實時操作系統的嵌入式平臺或嵌入到芯片中。PAC被設計來滿足：圖形化：使控制系統圖形化和具有HMI；測量：豐富的I／O開發可以高速數據采集，視覺和運動；平臺：使用LabVIEW，可以運行各種平臺的代碼，包括PC，嵌入式控制器，FPGA芯片和手持PDA；通訊：利用OPC和SQL等這樣的工具可以輕松傳輸數據給企業。

PLC演變到可以使用模擬I／O，網絡通訊，和新的編程標準如IEC61131—3的階段，然而，工程師所開發的工業應用80％是使用數字I／O，少量模擬I／O和簡單的編程技巧。但是如果工程師要開其他20％的應用就必須突破PLC的限制，這些20％的用戶考慮使用PC來進行工業控制，這樣能得到無比的靈活性和高效的軟件和硬件然而，基于PC的工業控制有以下弱點：

穩定性——通用的操作系統常常不夠穩定并且生產、控制會受到系統崩潰和無法預料的重啟的影響。

可靠性——由于磁性硬盤的旋轉和有電源這樣的兼顧程度不到工業標準的不見，PC容易發生故障。

不熟悉的編程環境——當系統停止時，工程的操作人員需要恢復系統。對于梯形邏輯，操作人員能人工啟動一個線圈或者補充代碼來快速恢復一個系統，但對于PC系統，操作人員需要學習新工具。

PAC融合PLC和Pc的優點，不但具有很強的軟件編程能力(software capabilities)，而且有很強的硬件性能和靈活性(ruggednessand reliabilty)，因此，基于PAC的水電機組監測系統具有巨大的優越性。

PAC與PC、PLC關系示意圖：

3.水電機組監測系統主要功能的實現

3.1可控制系統的功能要求

A.對水電站的運行參數(機組開度、轉速、流量、進氣壓強、溫度、振動、擺度、定轉子電壓電流、無功功率)

B.在中央控制室中顯示監測參數的圖表、進行實時數據分析和實現操作管理。

c.對出現的異常情況進行自動報警與事件記錄及相應的反饋控制。

3.2水電機組PAC系統的數據采集

在數據采集領域中，有基于多種PC機總線的PC-DAO數據采集卡，也有基于VXI總線的各種數據采集模塊。但是在GPIB、PC-DAQ和VXI三種虛擬儀器體系中，GPIB實質上是通過計算機對傳統儀器功能的擴展與延伸；PC-DAQ直接利用了標準的工業計算機總線，沒有儀器所需要的總線性能；而一次構建VXI系統需要較大的資金投入。我們選擇PXI作為數據采集的工具，PXI是1997~NI公司推出的一種全新的開放性和模塊化儀器總線規范，它將Compact PCI的集成式觸發功能與Windows操作系統結合在一起。在保PXI總線與Compact PCI模塊結構功能的基礎上，增加了系統參考時鐘與觸發器總線等，加之熟悉的Windows環境使得PXI系統更適合構建工業自動化測控系統。基于PXI總線規范構建的系統將PC機的性價比優勢和PCI總線面向儀器領域的擴展結合起來。成為一種新型的虛擬儀器系統，PXI除了具有VXI基本相同的性能外，還具有開發周期短、價格低、易于組建便攜式自動測量系統的特點。

3.3軟件系統

本系統選擇NI公司的LavVIEW 7 Express作為開發工具，它采用圖形化編程方案，也稱為G語言，LavVIEW提供了豐富的函數及子程序：從基本的數學函數到高級分析庫，包括信號處理、窗函數、濾波器設計、線性代數、概率論與數理統計、曲線擬合、傅立葉變換、小波分析等。通過這些函數及子程序庫，可以實現硬件系統的軟件化，設計出符合技術要求的水電機組監測系統。

LabVIEW開發環境由前面板和流程圖兩部分組成。前面板是人機交互的圖形用戶接口集，成了多種常用的控制對象，如開關按鈕、示波器、指示器、定時器等。它相當于實際儀器的操作面板。設計時只需從控件庫中選取所需的控件并為它們設計合理的屬性(例如尺寸和量程等)和具體放置位置。前面板的合理設計有助于核電監測系統功能的實現并方便操作。因此前面板應設置多段開關以實現不同的數據處理方法。

流程圖則是圖形的圖形化代碼，主要由前面板上控制的圖標，函數圖標和連線組成。設計時從函數庫中選出所需要的函數圖標，并按照數據在程序中傳遞的順序將圖標連起來。

3.4系統工作原理

基于PAC的水電機組監控系統依據虛擬儀器的強大功能，對被測參數，按實際需要，對系統內的資源進行合理分配，即把系統看作在計算機控制下的具有多種功能的設備、儀表的集成，其操作面板即為各種設備儀器、儀表的“虛擬面板”的集成。也就是說，整個系統在虛擬儀器軟件的作用下，不僅實現單一測控的功能，更重要的是實現檢測控制功能的組合，在網絡服務器的支持下，實現網絡化的測量和控制。在下圖所示的系統結構中，系統控制器由代機擔任，通過MXI-3總線光纜，實現對PXI-SCXI的控制，由各種參數測量的現場傳感器和變送器把信號接入PXI-SCXI內的數據采集板。操作人員根據測控任務要求，配置硬件和軟件，組織各種監測和控制。

4.結語

以計算機位主控單元，依據PAC可編程自動控制的核心思想，以LabVIEW為開發平臺設計的水電機組監控系統，充分發揮了虛擬儀器的優勢，系統不僅可以實現測量、顯示、分析，還可以網絡等進行遠程控制。由于系統采用了虛擬儀器技術的思想，系統的結構具有廣泛的適用性，再加上系統設計時采用的模塊化、組態思想，使得系統可以根據不同需要，很方便地配置成用戶所需要地模式，實現對系統的擴展。因此，系統具有優良的開放性、可擴展性和可維護性，是水電機組監測系統的發展方向。