佛子嶺水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

王華強(qiáng) ，姚 亮 ，楊滁光

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽安利合成革股份有限公司，安徽 合肥 231202)

佛子嶺水電站建成于1954年，共裝有8臺水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量6.1萬千瓦，在安徽電網(wǎng)中主要擔(dān)任調(diào)峰和事故備用。其中的6#和7#發(fā)電機(jī)組在上世紀(jì)80年代投入運行，主要是SIEMENS S7-200系統(tǒng)，并且無上位機(jī)監(jiān)控，自動化程度較差，運行維護(hù)需要投入的人力物力多。遂與合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院合作，改造6#和7#機(jī)組的運行監(jiān)控系統(tǒng)。

電站按“無人值班”(少人值守)集控中心遠(yuǎn)方監(jiān)控設(shè)計原則下，采用德國SIEMENS公司的S7-300PLC為基礎(chǔ)的監(jiān)控方式。系統(tǒng)采用Advantech工控機(jī)、德國SIEMENS公司的S7-300 PLC和WinCC/KingView組態(tài)軟件，為用戶提供可靠、穩(wěn)定和先進(jìn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控解決方案。

1 水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層、分布、開放的模式，主要由監(jiān)控管理層(中央監(jiān)控室)、現(xiàn)地控制層、保護(hù)室三部分構(gòu)成。通信協(xié)議選用TCP/IP協(xié)議，所有工控機(jī)均選用Windows XP系統(tǒng)。

水電站計算機(jī)發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)監(jiān)控管理層(中央控制室)

中央監(jiān)控室層負(fù)責(zé)對所有工藝狀況的集中監(jiān)視和協(xié)調(diào)控制，并分析、記錄和顯示被控工藝段的主要生產(chǎn)工藝的流程以及相關(guān)生產(chǎn)過程參數(shù)及參數(shù)所處狀態(tài)等，以實現(xiàn)水電廠生產(chǎn)過程的綜合控制。中央監(jiān)控室配置兩臺工控機(jī)，采用一用一備的原則，如果其中一臺出現(xiàn)故障，另外一臺可以確保系統(tǒng)正常工作。中央控制器的工控機(jī)上采用KingView組態(tài)軟件，在KingView上監(jiān)控整個水電站的生產(chǎn)過程、運行狀況以及報警處理。

圖1 發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

投入運行后，KingView是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集處理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，監(jiān)控組態(tài)軟件與各種控制、檢測設(shè)備(如PLC、智能儀表等)共同構(gòu)成快速響應(yīng)控制中心。運行人員可以隨時查看機(jī)組運行的實時數(shù)據(jù)以及流程畫面，實時監(jiān)測現(xiàn)場各個實時趨勢畫面；系統(tǒng)自動記錄并保存各種實時數(shù)據(jù)，具有報警功能并能及時得到并處理各種報警過程；在需要時，可人為干預(yù)工作過程，修改水電生產(chǎn)參數(shù)和狀態(tài)。同時也大大加強(qiáng)了監(jiān)控系統(tǒng)控制級與現(xiàn)地級的信息交互性。

(2)現(xiàn)地控制層

現(xiàn)地控制層直接控制工藝流程，包括一些重要的生產(chǎn)設(shè)備的運行，獨立完成控制和數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)地控制層采用分布方式，即現(xiàn)地控制層依據(jù)現(xiàn)場設(shè)備分成一個小單元，每個單元建立一個相對獨立的LCU。在該水電站監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場分為6#和7#兩個機(jī)組，對每臺機(jī)組設(shè)立一個LCU，另外一些輔助系統(tǒng)(如油系統(tǒng)、水系統(tǒng)和氣系統(tǒng)等)也單獨設(shè)立一個LCU。

每一個LCU的結(jié)構(gòu)模式如圖2所示。這種模式通過工控機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和底層通信等功能。但是這種模式也存在一個缺點，就是當(dāng)工控機(jī)出現(xiàn)問題時，將會導(dǎo)致LCU單元與中央控制室失去聯(lián)系。解決的辦法就是采用冗余的方式，在系統(tǒng)中備用一臺完全相同的工控機(jī)。

由圖1可知：

①發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控采用SIEMENS S7-300PLC作為控制器，主要監(jiān)控水輪機(jī)等發(fā)電設(shè)備的開機(jī)和停機(jī)過程，并控制同期裝置，實現(xiàn)自動同期上網(wǎng)。

②現(xiàn)場同樣為每臺機(jī)組配置一臺工控機(jī)，現(xiàn)場工控機(jī)上采用WinCC組態(tài)軟件，工控機(jī)作為現(xiàn)地人機(jī)聯(lián)系接口，可顯示開停機(jī)流程、數(shù)據(jù)庫一覽表等畫面。

③發(fā)電機(jī)定子溫度等模擬量由18路溫度巡檢表檢測并通過485總線傳送給現(xiàn)場控制層的工控機(jī)，在組態(tài)軟件WinCC上顯示出來。

④其他一些輔助系統(tǒng)，則采用SIEMENS的S7-200系統(tǒng)，數(shù)據(jù)同樣傳送上位機(jī)中的組態(tài)軟件WinCC。

(3)保護(hù)室

保護(hù)室只配置一臺工控機(jī)，工控機(jī)上采用組態(tài)軟件WinCC，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控發(fā)電機(jī)組的運行狀況，并且在出現(xiàn)故障時進(jìn)行及時的緊急處理。

圖2 LCU+工控機(jī)模式

2 水電站的通信網(wǎng)絡(luò)

(1)OPC技術(shù)(監(jiān)控管理層與現(xiàn)地控制層之間的通信)

由于采用分布控制、集中監(jiān)視，所以中央監(jiān)控室一般與控制現(xiàn)場之間距離較遠(yuǎn)。為了保證通信的質(zhì)量、保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及監(jiān)控的及時性，在中央控制室之間采用光纖作為介質(zhì)。

在本項目中，控制室與現(xiàn)場之間的通信主要是Windows程序間的通信，即控制室KingView軟件與現(xiàn)場WinCC軟件之間的通信。由于距離遠(yuǎn)，信息量大，且要求的速度性、可靠性高，這就對通信質(zhì)量提出了較高的要求。

(2)現(xiàn)地控制層網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)地控制層采用Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)為現(xiàn)場總線。由于6#機(jī)組和7#機(jī)組以及各LCU之間距離很近，所以現(xiàn)場各工控機(jī)、PLC之間采用雙絞線為介質(zhì)，通過交換機(jī)組建一個局域網(wǎng)。

(3)保護(hù)室與現(xiàn)地控制層之間的通信

圖3 OPC通信結(jié)構(gòu)

保護(hù)室是為了對現(xiàn)場出現(xiàn)報警等狀況，需要到現(xiàn)場處理時，能夠迅速做出反應(yīng)，對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度以及可控性要求不高。而且由于離現(xiàn)場不遠(yuǎn)，所以用一根雙絞線直接將保護(hù)室的工控機(jī)連到現(xiàn)場的局域網(wǎng)中。

3 監(jiān)控系統(tǒng)功能與特點

(1)應(yīng)用了基于DCS的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件

應(yīng)用基于DCS的計算機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控軟件 (如S7-300的編程軟件)、KingView和WinCC組態(tài)軟件，使用戶輕松掌握計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)，極大地提高了運行、維護(hù)人員對監(jiān)控系統(tǒng)的使用、維護(hù)和二次開發(fā)的便利性，大大減輕了維護(hù)工作量；使系統(tǒng)不僅滿足目前的應(yīng)用需求，還可以根據(jù)將來的需求進(jìn)行擴(kuò)展；提高了系統(tǒng)的可用性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和可靠性。

(2)輔助系統(tǒng)設(shè)立獨立的現(xiàn)場控制模塊

1.本科生對本專業(yè)的滿意情況對其是否選擇考研行為有一定影響。在選擇考研的學(xué)生中，對本專業(yè)的滿意率是51.15%；對于考研所報考的專業(yè)，56.6%的學(xué)生選擇了“當(dāng)前熱門專業(yè)”；32.2%的學(xué)生“不喜歡本科學(xué)校或?qū)I(yè)，希望通過考研來選擇自己滿意的學(xué)校或?qū)I(yè)”。在不選擇考研的學(xué)生中，對本專業(yè)的滿意率達(dá)到了90%，遠(yuǎn)高于選擇考研的學(xué)生。

現(xiàn)場控制層設(shè)立獨立的輔助系統(tǒng)控制模塊。如油系統(tǒng)、氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，采用獨立的控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸給主系統(tǒng)。若中央控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，只會造成控制室內(nèi)無法顯示數(shù)據(jù)，但是不會影響到系統(tǒng)的正常工作；同時，若某獨立系統(tǒng)出錯，也不會影響整個系統(tǒng)的運行，提高了系統(tǒng)的可靠性。

(3)人機(jī)對話界面友好

在監(jiān)控管理層(中央控制室)中采用 KingView，在現(xiàn)場控制層中采用WinCC組態(tài)軟件，監(jiān)控畫面直觀地表達(dá)出生產(chǎn)過程，能夠?qū)崟r地顯示數(shù)據(jù)，并且能實時多任務(wù)、使用靈活、功能多樣、運行可靠。而且接口開放，易于擴(kuò)展，二次開發(fā)容易。另外，在依照現(xiàn)場工作人員要求多次修改畫面后，工作人員對畫面更加熟悉、親切、易于操作。

(4)與現(xiàn)場原有獨立的控制單元實現(xiàn)通信

由于水電站監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜性，很多控制單元，如調(diào)速器、水輪機(jī)的溫度等都是現(xiàn)場控制的，沒有實現(xiàn)中央集中監(jiān)控，給運行維護(hù)帶來了極大的不便。而本文的這套系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線以及OPC通信協(xié)議，與現(xiàn)場各獨立的控制單元都能實現(xiàn)通信，可以采集數(shù)據(jù)以及發(fā)出控制指令，從而可以在控制室內(nèi)實現(xiàn)集中監(jiān)控。

(5)通過104規(guī)約與升壓站進(jìn)行通信

水電站發(fā)電主要分為發(fā)電機(jī)組和升壓站兩個重要部分。本文系統(tǒng)主要是針對生產(chǎn)工藝，即對發(fā)電機(jī)組相關(guān)的監(jiān)控。但是為了讓工作人員更加方便地監(jiān)視整個水電站發(fā)電的工作狀況，本設(shè)計采用通過電力系統(tǒng)104規(guī)約與升壓站進(jìn)行通信，將升壓站的數(shù)據(jù)實時顯示在同一套監(jiān)控設(shè)備上，即同一臺工控機(jī)上。并將這些監(jiān)控畫面顯示在同一套監(jiān)控軟件中，這樣工作人員只需要操作一臺設(shè)備就可以監(jiān)視整個水電站發(fā)電的工作狀況，給工作人員的操作帶來了極大的便利。

(6)自診斷功能

現(xiàn)地控制單元配置了完備的硬件及軟件診斷功能。PLC具有自診斷功能，可以及時發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)中的故障，以便采取措施并加以排除，從而提高了水電站監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，保證了電站設(shè)備的安全運行。

本文提出的佛子嶺水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，解決了電站現(xiàn)場運行的可視化及集中監(jiān)控問題。系統(tǒng)在保證可靠安全的前提下，完全按照冗余化和開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)合理、功能完善。整個水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)水電廠生產(chǎn)過程的自動化控制和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的綜合管理，從而達(dá)到保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善企業(yè)管理水平等目的。

[1]顧紀(jì)銘.OPC技術(shù)在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].南京：河海大學(xué)計算機(jī)及信息工程學(xué)院，2007.