基于“胖”客戶端的自動化綜合實訓平臺

潘仲力，張仁貢

（1.永嘉縣金溪水電有限公司，浙江 永嘉 325300；2.浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

基于“胖”客戶端的自動化綜合實訓平臺

潘仲力1，張仁貢2

（1.永嘉縣金溪水電有限公司，浙江 永嘉 325300；2.浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

摘要：針對浙江同濟科技職業學院自動化專業的發展瓶頸，解決學生綜合自動化實訓問題，構架了電氣自動化綜合實訓平臺。該平臺采用“胖”客戶端技術進行構架，采用了網絡技術、互聯網技術、控制技術等核心技術，實踐表明，該平臺運行穩定，能夠提高學生的技能，使培養的學生零距離接近社會就業，提高了學生的就業率，為其他院校建立自動化綜合平臺提供借鑒。

關鍵詞：客戶端；自動化；實訓；平臺

1引言

永嘉縣金溪水電有限公司和浙江同濟科技職業學院是緊密型校企合作單位，作為一名企業專家，參加了浙江同濟科技職業學院自動化技術專業的建設服務，以盡自己的微薄之力。

隨著浙江同濟科技職業學院自動化技術專業建設步伐的加快，為適應《PLC》、《單片機》、《電氣設備》、《電力系統繼電保護》、《電力系統分析》等課程實驗教學的要求，急需構建電氣自動化技術綜合實訓平臺。以下從硬件基礎、軟件基礎、教學基礎三個方面來探討建設電氣設備計算機監控系統實驗平臺應具備的條件。

1.1硬件基礎

由于浙江同濟科技職業學院采取的是以培養職業高技能人才為主的教學形式，所以有著多年的硬件設施積累，目前已經建設的很多實驗設備并沒有完全發揮其教學和科研價值，僅僅提供了教學演示和教學實驗實習功能。因此需利用新校區建設的契機，使原有的實驗實習設備和新增高新技術實驗設備，進行合理的綜合分析，構建出“產學研”一體化的各種實驗室平臺。實際建設中，并不需要建立獨立封閉式的實驗室。現代網絡技術和控制技術可以實現各實驗室在地理概念上的相互獨立，但在系統概念上又相互關聯，充分發揮每個具體設備的價值。實際上，無論是變電站的監控還是電氣設備的監控，都不是將所有的子系統集成在一個控制室內的。因此，在新校區的樓宇綜合布線系統上就應做好總體的規劃和設計，在這一點上，浙江同濟科技職業學院機械和電氣系的廣大教師在綜合布線系統的規劃和設計上花費了大量的心血，使得建設一個電氣自動化技術綜合實訓平臺的網絡部分已經基本具備。

1.2軟件基礎

在現地控制領域，通過幾年的教學、實驗室建設、培訓以及考工設計實踐，機械和電氣系對微機和PLC軟件的設計和開發都積累了寶貴的經驗。另外，在已經建成的基于組態和PLC的可編程控制實驗室內，使用的組態軟件和PLC控制編程軟件是完全基于網絡的，是能夠應用于水利、電力、化工等各行業的工業級監控系統開發軟件平臺。該開發平臺可以作為建設實驗平臺初期的開發軟件。

1.3教學基礎

浙江同濟科技職業學院一直以來都是從事電氣設備相關知識的教學工作。多年的教學工作使相關教師具備了堅實的理論基礎和較高的理論教學水平。這些資源表明建設水利工程計算機監控系統實驗平臺已經具備了較充分的學術理論水平。除了原有長期從事電氣設備相關課程教學的教師部分在讀或完成研究生學業之外，新參加工作的教師基本上是電力系統相關專業畢業的研究生，在校期間就從事電力系統方面的學習、應用和研究，具備一定的學術水平和實際開發、研究能力。例如，在校就讀和研究方向就分別為系統監控方向、系統分析方向、發電機勵磁方向、水輪機方向等等。應該在幫助他們提高教學水平和教學質量的同時，充分發揮他們在科學研究與實際運用領域的能力。大量的學生也是不可忽視的人才資源，讓他們參與實驗平臺的建設，一方面可以鞏固和深化學習的理論知識，提高實際工作能力；另一方面可以分擔實驗平臺建設中指導教師的工作壓力，使負責教師專心于總體指導以及對具體細節問題進行深入的分析和研究。

2需求分析

根據專業的教學實驗、學生畢業設計、培訓、考工以及教師科研的需要，水利工程計算機監控系統實驗平臺應該具有以下一些功能特點：

1）水利工程計算機監控系統實驗平臺要滿足教學要求，并應該根據實際應用和發展的需要進行規劃和設計。

2）應該具有多個節點的環形電力網構架，可通過投切輸電線路，能靈活改變網絡結構。

3）能對發電廠、變電站及電力系統中常用的自動裝置、變電站監控、電力系統運行、繼電保護等教學內容進行操作實驗。

4）通過本監控平臺，可實現電力系統“四遙”功能，改變電力網潮流的分布。

5）能夠實現數據的集中監控，設備的自動控制。

6）應該具有結構靈活多變、功能強大、運行可靠、維護方便等特點。

7）實驗內容要基本覆蓋電力，電氣類專業的主要專業課程的實驗內容，綜合性要強，可滿足學生實驗、畢業設計和教師科研的需要。

8）針對線路的三相故障，可進行故障分析實驗。

3總體規劃和設計

經過多方考察和調研，目前一些水利和電力院校已建的計算機監控實驗室照抄水利工程計算機監控的實際模式，很不實用。因為水利工程計算機監控的實際模式是面向電氣設備而建設的，而不是面向教學。在水利工程計算機監控的實際模式中，現有的水利工程計算機監控系統的結構主要有兩種：分層分布式監控系統和集中式監控系統。分層分布式監控系統分為電站主控層和現地控制單元層（LCU），現地控制單元層具有工業控制微機或PLC，電站主控層由各功能的工作站組成，整個系統用局域網（LAN）進行聯接。集中式監控系統無現地控制單元，由1臺計算機承擔人機接口和遠動功能。如某電站有2臺機組，若采用分層分布式監控系統，則其網絡拓撲結構簡圖如圖1所示；若采用集中式監控系統，則其網絡拓撲結構簡圖如圖2所示。從圖1和圖2可以看出，無論采用何種結構模式，其客戶端數目都很少，圖1的客戶端只有4臺計算機（每個工作站1臺），而圖2則只有1臺計算機，這樣就不符合教學中學生和老師需要多臺客戶端計算機的模式。許多院校按照圖1或圖2建成的計算機監控實驗平臺，只能用來參觀，而沒有足夠的客戶端計算機供學生上機操作。水利工程計算機監控的實際模式是按照“少人值班”、“無人值守”等原則設計的，采用的“瘦”客戶端設計理念，與教學中需要滿足盡量多的學生作實驗的理念背道而馳。為此，我們機電系經過深入的研究，決定采用一種新的面向教學的電氣自動化技術綜合實訓平臺構架，這里我們稱之為“胖”客戶端解決方案。“胖”客戶端解決方案充分考慮了教學、科研、培訓以及考試等需求，是一個采用現有的技術完全能夠實現的綜合計算機監控實驗平臺，其網絡拓撲結構圖如圖3所示。從圖3可以看出，各模擬發電廠及開關站，母線及線路電量由各發電廠控制器及三相電量智能監測儀采集并傳送至主站，實現遙測功能；各開關，斷路器狀態通過PLC采集后，傳送至主站，實現遙信功能；PLC接受并執行主站發送的命令，完成對斷路器的分合閘操作，實現遙控功能；各發電機廠控制器（微機調速器和微機勵磁器）接受并執行主站發送的調度命令，調整發電機的有功和無功出力，實現遙調功能。

圖1分層分布式監控系統網絡拓撲結構簡圖

圖2集中式監控系統網絡拓撲結構簡圖

服務器主站采用高性能工控機，上位機軟件采用現在電力系統流行的組態軟件，主站與各電站的控制器、智能監測儀、PLC之間通過485總線相連，通信協議采用開放的Modbus協議。

教師機和學生機通過交換機和服務器主站相連接。教師機和學生機均可通過網關連入互聯網。

該方案成功解決了教學、科研、培訓以及考工等功能需求，投資少，見效快，徹底打破了國內一些院校投資高、實際利用效率低、學生只能參觀不能動手操作的構架模式。同時跳出了按照實際電站模式進行構架的設計誤區。

圖3“胖”客戶端計算機監控實驗平臺網絡拓撲結構圖

4軟硬件配置

按照自主設計的”胖”客戶端解決方案，需要進行以下軟硬件配置。

4.1硬件配置

硬件包括三大部分：電氣自動化技術綜合實訓平臺、模擬發電廠及開關站系統和監控通信網絡。

（1）電氣自動化技術綜合實訓平臺包括發電機組，實驗操作臺，實驗控制屏，無窮大系統和負荷柜。發電機組由安裝在同一個軸上的三相同步發電機，直流電動機，測速裝置和功角指示器組成。采用直流電動機模擬水輪機，所有配件均固定在可移動的推車上，方便學生做實驗。三相同步發電機：SN=2.5 kVA, VN=400V,nN=1500rpm（推薦）；直流電動機：PN=4 kW，VN=440 V（推薦）；實驗操作臺由輸電線路單元，微機線路保護單元，測量儀表單元，故障模擬單元和各種手動和自動切換開關等構成；實驗控制屏由發電機勵磁電源單元，原動機電源單元，微機調速器裝置，微機準同期裝置，微機勵磁裝置，常規勵磁裝置和數字式帶存儲示波器組成。

（2）模擬發電廠及開關站系統包括電力網絡單元，PLC控制器，電量監測儀，分合閘開關，報警指示燈和工控機等。

（3）通信網絡包括：交換機，教師機和學生機。

4.2軟件配置

軟件的配置包括操作軟件、基本軟件、應用軟件及工具軟件等的配置。

（1）操作軟件：系統軟件是隨計算機硬件設備同時購入由系統軟件生產廠商提供的軟件，用以提供監控系統其他軟件運行的環境，用戶軟件的開發手段，如用戶程序的編輯、編譯、聯接、任務的插入、運行、退出等。教師實驗臺和學生實驗臺可安裝Windows2000/XP操作系統；

（2）基本軟件：基本軟件是實現監控系統功能所必須的軟件，如數據采集、數據處理、數據庫管理、圖形顯示、報表生成、語音報警等軟件。基本軟件可采用基于工業上的SCADA系統（即數據采集與監視控制）。SCADA是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統。它可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等功能。在電力系統中，SCADA系統應用最為廣泛，技術發展也最為成熟。有著信息完整、提高效率、正確掌握系統運行狀態、加快決策、能幫助快速診斷出系統故障狀態等優勢，現已經成為電力調度不可缺少的工具。它對提高電網運行的可靠性、安全性與經濟效益，減輕調度員的負擔，實現電力調度自動化與現代化，提高調度的效率和水平方面有著不可替代的作用。它應具備的具體功能如下：

1）實時顯示各發電廠的運行狀態。

2）采集和處理各開關站的電量參數并顯示。

3）實時監視各斷路器的位置，保護動作出口狀態。

4）存儲和打印電力網絡的電量參數。

5）實時顯示電力網絡的潮流分布。

6）進行復雜電力系統的潮流計算。

7）可繪制歷史曲線。

8）具有“四遙”功能。

（3）應用軟件：應用軟件是實現生產過程操作或控制功能的軟件。工程特性的不同、功能的差異，應用軟件的差別很大，一般需特殊處理。本實驗平臺的應用軟件應具有強大的Web功能和Internet/Intranet瀏覽器功能，能直接支持多文檔。當在Internet上遠程訪問監控畫面時，應具有很好的實時性。同時易于使用ASP等快速開發工具構建B/S系統結構，并可以直接訪問單窗口。可支持B/S和C/S訪問方式，支持多層次網絡冗余及故障切換。提供多重冗余結構，支持IO設備冗余、網絡冗余、數據庫冗余等。它具備以下一些特點：

1）HMI新特點：重新設計的HMI開發系統，更多的組件和控件來方便您構成強大的系統；豐富的函數和設備驅動程序使集成更容易；

2）分布式網絡：本實驗平臺應該是一個分布式網絡系統。可以根據實際需要，靈活地構建符合要求的網絡結構，網絡中的各個監控節點可以構建B/S 和C/S等方式。

3）開放性：應用軟件應為開放式體系結構，全面支持DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX、DNA標準。以OLE、COM/DCOM、動態鏈接庫等多種形式提供外部訪問接口，能使教師和學生利用各種常用開發工具（如：VC++、VB等）進行深層的二次開發。

（4）工具軟件：工具軟件是提高系統開發效率的軟件，它可以減輕軟件開發與維護強度，提高系統的可靠性，使開放系統真正地向用戶開放。因此，本實驗平臺應采用計算機領域先進的組態軟件進行系統設計，組態軟件采用面向對象編程技術，它結合了工廠自動化的特點，組態靈活、開放性好，提供給使用者集成環境下的簡便快速生成工具、構造控制系統以及完成現場調試和維護。組態軟件具有豐富的人機界面，提供給運行人員友善的接口，操作既方便又安全，既簡單又可靠，既發揮多窗口的特點，又滿足了運行人員的習慣。

5結束語

該平臺搭建已有2年多，在2年多的應用實踐表明，系統穩定，能夠提高學生的技能，使培養的學生零距離接近社會就業，提高了學生的就業率。該平臺的控制對象目前還有點單調，需要繼續投入，不斷豐富控制對象，并與社會實際接軌，不斷升級該平臺。

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）10-0012-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.10.005

收稿日期：2015-06-18

作者簡介：潘仲力（1975-），男，工程師，研究方向：水利水電工程水電站管理方向。