基于IEC 60870—5—104及OPC的水電廠自動化系統的構建

2017-04-11 02:03:16賴春燕

科學與財富 2017年7期

賴春燕

摘要：本文提出一種針對中小型電廠的自動化系統設計的方案，介紹了系統的機構及其設計方案。本系統的可編程控制器（PLC）及保護裝置同以太網直接連接。IEC60870-5-104協議及OPC技術應用于通信。設計采用具有面向對象，多進程，多線程、COM等技術的監控軟件。本系統現場運行可靠安定，給出了系統數據點的標準記法、OPC服務器訪問實現過程，以及EC60870-5-104協議的應用經驗。

關鍵詞：IEC 60870-5-104；OPC；自動化

現地控制單元（LCU）元件、保護裝置、可編程控制器（PLC）及監控計算機共同構建成水電廠的自動化系統。采用以太網進行通信是一種發展趨勢，監控計算機同PLC、保護裝置之間便是如此。但是通信協議不統一，開放性差一直困擾著以太網的數據傳輸。針對中小型水電廠設計的SZX-8000水電廠自動化系統中，從系統的開放性考慮，將采用 IEC 60870-5-104協議（一般情況下被簡稱為104進行計算機監控以及裝置通信保護的參考，OPC技術應用于監控計算機與PLC通信。為了降低系統費用，和市場的混亂，國際電工委員會電力系統及其通信技術委員會（IECTC57）制定了電力系統網絡通信標準。而在目前電力系統中，應用較廣的是104。OLE/COM技術是通過OPC技術應用到過程控制中的，設備上有一個通用的數據接口，使用合適的應用軟件可以實現對數據接口硬件的讀取信息，與此同時，還能促進軟件開放性和可靠性得到提升。從而提高了水電站的經濟性，提高了水電站的競爭能力。

一、自動化系統結構

為了通信擴展方便，系統PLC、保護裝置直接接入以太網。以兩臺機組說明，為了提高可靠性，取消了工控機。LUC與同期裝置智能設備通信，如交流電參數采集器、溫度巡檢儀、調速器、直流系統。若采用職能系統直接通過一RS-485總線接入PLC，會使通訊速度慢，占用PLC系統存儲空間，如今智能設備實現多串口的擴展很難，因為通信協議不一致。因此在設計中，由于系統的對信存在不實時性，各智能備傳送信息時，要根據不實時性調整傳送順序和傳送周期。達到將各智能設備的邪異通過智能通信控制器轉化成標準協議之后，接入PLC的 RS-485口。

PLC選用西門子小型PLCS7-226，此款PLC重要應用于小型水電廠設計，水電自動化系統應用SZX-8000。西門子彩色觸摸屏通信使用S7-226的通信口，智能通信控制器通信使用S7-226的自由通信口。S7-226CPU擴展后，有72開關輸入點，64開關量輸出點以及模擬量輸入點，S7-226CPU其可擴展的關量在進行輸入及輸出的模塊為EM223，其模擬量所需要的輸入模塊為2塊，而所使用的以太網通信模塊則是CP243-1。交換機使用MOXA工業以太網交換機 EDS-316。MOVA作為智能通信器。發電機以及發電機作為保護裝置。保護裝置有主變高壓側以及主變低壓側等，104則作為通信協議。線路保護裝置RS-485接口到以太網接口的轉換是通過通信控制器完成的，通信控制器也可以實現Modbus協議到104的轉換。相關的自動化系統結構圖一所示。

圖1水電廠自動化系統網絡結構圖

二、自動化系統應用軟件

對電廠的所有機組設備是通過水電廠自動化系統SZX-8000實現控制和保護等功能的。SZX-8000由三大部分組成，西門子WinCC Flexible2005以及 STEP7-MicroWIN4.0開發出了PLC，而UC-7410CE軟件則可使用 eVC4.0，對計算機軟件進行監控之后所得的數據控依次為SQLServer2000和Delphi7.0。監控計算機軟件的構成如圖2所示。

圖2 監控計算機軟件構成框圖

數據庫維護以及主控制構成監控計算機軟件的關鍵部分，監控計算機然間還包括圖形編程、PLC通信、保護通信及GPS通信等程序。數據通信主要借助主控之中的通信模塊完成。在通信模塊進行工作時，需要對歷史數據庫所存儲的水電站數據進行讀取，在數據讀取完畢之后會傳給實時數據庫和圖像編程程序，同時歷史數據庫收錄了現場通信傳送的歷史數據。PLC通信、保護通信及全球定位系統（GPS）通信與通信模塊通信的實現是通過com組實現的，com組件在通信網絡中是極其重要的一環。

（一）自動化數據點標記

系統數據信息由間隔、子站、數據點以及裝置共同構成數據庫總體結構的分級及分層。子站包含間隔；間隔包含裝置；裝置包含數據點。數據點包含的參數為模擬量、開關量、事件順序記錄（SOE）、定值和壓板等，是實現系統查詢、存儲等操作的最小信息元素。

數據點標識作為監控計算機軟件功能實現的基礎。這些功能包括開停機控制，曲線、報表輸出以及保護、測控信息處理等。另外通信數據的解析存入數據庫也是通過數據點標識的方式。

（二）OPC

OPC服務器是硬件廠商是生產廠家遵循規范開發的服務器。在實現數據交換的標準化和開放性的過程中服務器充當數據源，通過服務器，使用者以標準的 OPC方式完成數據交換。用 Delphi7.0 設計監控計算機軟件訪問 OPC服務器數據。其中OPC服務器的機構如圖3所示。

圖3 OPC服務器結構示意圖

（三）104協議

監控計算機和各保護裝置間以104協議實現通信，同時在以太網中應用平衡傳輸模式，TCP/IP協議傳輸信息。服務器各保護裝置是由客戶機的監控計算機發出連接請求后建立TCP 連接，一直處于偵聽端口號為 2404的 TCP連接的狀態。規約數據單元（APDU）則是通過相應的應用規約信息控制（APCI）以及其所應用的服務數據單元（ASDU）共同構建而成，它是一個104數據幀。遙測幀的幀頭是APCI、APDU長度、控制域，其余為ASDU。

68H是 APCI啟動字符是一個數據幀的開始。APDU長度是總字節8位控制域，是本幀開始到結束的收發編號。用于檢測報文丟失和報文重復傳輸的是前2字節為發送序號2字節為接收序號N（R），APDU分成3種報文格式，I、S和U。信息傳輸使用I、U格式報文時含有唯一的APCI，可以實現對于傳輸的控制。

監控計算機軟件可對保護裝置特有的I格式報文進行接收，舉例說明，其可以用于實現對控制計算機軟件所對應的實現報文的接受。收到一個I格式報文后監控計算機軟件發送一個確認幀，I格式報文信息是各保護裝置收到監控計算機軟件U格式的傳輸報文后，可以對該命令報文進行回應，并及時對變位信息亦或者是周期性的掃描信息進行上送。防止報文丟失和重復傳輸的機制及超時時間限制措施，是監控計算機軟件保證信息的可靠傳輸而采用的。對于I格式報文來說，發送序號加 1往往是在I格式的的報文發送一個之后，其所對應的接收序號進行相應的加1處理，該過程在監控計算機軟件接收到與其接收序號相等的I格式的報文之后才會發生。特別注意的是，重建 TCP，監控計算機軟件接收發送序號清零，保護裝置的也清零。雙發開始數據傳送，應該判斷I格式報文的發送序號是否等于其接收序號。相等則將其對應的接收序號進行加1處理，小于則為發送方出現重復傳送的情況。監控計算機軟件進行2個傳輸所設置的超時時間依次為t，t 缺省值為15s，I格式或 U格式發出，時間外未確認，關閉TCP連接，建立新的TCP連接。發送U格式的測試幀是在超過時間內，監控計算機軟件未收到新的幀，且給予確認，t 缺省值為20s。不同的保護裝置需要設立不同的線程，對于單個的接收線程所對應的實現流程如圖4所示。

圖4 接收線程實現流程示意圖

【結語】：以104協議及OPC技術，再加之SZX-8000的水電廠自動化系統可以很好的實現系統開放性以及標準性的要求。OPC服務器是西門子公 SimaticNet。實現了數據質量評價得自監控系統對 PLC 數據的讀寫規范。標準化程度高是104協議特點，另外104協議還可防止報文丟失以及報文重復傳輸。這個系統具有實際實踐，通信方案可行，已經在多個中小型水電廠穩定可靠運行，也可應用于其它工業監控場合。

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