於宇琛，楊傳將，沈明星

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

作為一種新型的監(jiān)控系統(tǒng)，集散控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng))近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于電站控制領(lǐng)域，逐步取代了操作盤(pán)臺(tái)與控制模塊相結(jié)合的傳統(tǒng)手操系統(tǒng)。它將計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)通訊和電站運(yùn)行管理等技術(shù)緊密結(jié)合在一起，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自動(dòng)控制、保護(hù)聯(lián)鎖和歷史數(shù)據(jù)記錄等功能，使電站的控制和管理水平得到了全面提高[1]。

基于機(jī)電管控一體化思想，本系統(tǒng)根據(jù)電氣、機(jī)械和監(jiān)控方面的要求，采用合理的硬件配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，穩(wěn)定性好和可靠性高的特點(diǎn)。系統(tǒng)通過(guò)PLC和智能模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行邏輯控制和數(shù)據(jù)采集，通過(guò)監(jiān)控組態(tài)軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示、記錄和調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電站的自動(dòng)化監(jiān)控。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包含各種變量共計(jì)約4 000點(diǎn)，數(shù)量龐大，邏輯復(fù)雜，屬于大中型集散控制系統(tǒng)。根據(jù)硬件配置和控制要求，系統(tǒng)共分為四個(gè)子系統(tǒng):輸入輸出系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)、中央監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)[2]。

1.1 輸入輸出系統(tǒng)

輸入輸出系統(tǒng)是系統(tǒng)與電站各部分的接口。輸入系統(tǒng)主要用于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，由用于檢測(cè)轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、液位、電壓、電流和頻率等的各類(lèi)檢測(cè)裝置組成。輸出系統(tǒng)主要用于控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，由繼電器、功率控制器、調(diào)速器和調(diào)壓器等執(zhí)行裝置組成?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要包括發(fā)電機(jī)組、公用電氣輔機(jī)和公用機(jī)械輔機(jī)。發(fā)電機(jī)組包括重/柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、高溫水、低溫水、噴嘴水、滑油和空冷系統(tǒng);公用電氣輔機(jī)包括高壓變、11kV和480 V廠用開(kāi)關(guān)、應(yīng)急柴油機(jī)、直流和UPS系統(tǒng);公用機(jī)械輔機(jī)包括燃油儲(chǔ)存、燃油輸送、壓縮空氣、水處理和余熱鍋爐系統(tǒng)。

1.2 過(guò)程控制系統(tǒng)

過(guò)程控制系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要控制功能，由帶有數(shù)值計(jì)算和邏輯判斷功能的微處理器組成。

過(guò)程控制系統(tǒng)由機(jī)旁控制系統(tǒng)、機(jī)組控制系統(tǒng)、機(jī)械輔機(jī)控制系統(tǒng)和電氣輔機(jī)控制系統(tǒng)組成。過(guò)程控制系統(tǒng)一方面采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器、變送器、執(zhí)行裝置和其他設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)及狀態(tài)信號(hào)，并控制相關(guān)設(shè)備運(yùn)行;另一方面將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線上傳到中央監(jiān)控系統(tǒng)，并接收中央監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的命令。

過(guò)程控制系統(tǒng)硬件采用西門(mén)子公司SIMATIC S7－300系列產(chǎn)品，具有可靠性高，結(jié)構(gòu)緊湊，硬件齊全，接口豐富和擴(kuò)展方便的特點(diǎn)。編程軟件采用與硬件相配套的STEP 7，易于組態(tài)、編程和維護(hù)[3]。

1.3 中央監(jiān)控系統(tǒng)

中央監(jiān)控系統(tǒng)是系統(tǒng)的可視化人機(jī)界面部分，用于實(shí)現(xiàn)人與系統(tǒng)的信息交換，通過(guò)數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控人員對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控，由操作員站，工程師站和打印機(jī)組成。

操作員站與工程師站的硬件平臺(tái)采用研華公司的IPC610H系列工控機(jī)，軟件平臺(tái)為微軟公司的視窗化操作系統(tǒng) Windows XP，監(jiān)控組態(tài)軟件采用西門(mén)子公司的 WinCC。WinCC是一款強(qiáng)大的數(shù)據(jù)監(jiān)控處理系統(tǒng)，具有高擴(kuò)展性的C腳本編程系統(tǒng)和開(kāi)放性的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，能與過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，使整個(gè)系統(tǒng)具有統(tǒng)一的組態(tài)和編程方式，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和通訊功能，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制要求[4]。

1.4 數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)主要用于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞，由設(shè)備層、控制層和監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)組成，并預(yù)留出與調(diào)度管理層的通訊接口[5]。

設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)是PLC與智能模塊和電氣儀表之間的通訊連接網(wǎng)絡(luò)，采用Profibus總線和Modbus總線相結(jié)合的通訊方式，以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的多樣性要求;控制層網(wǎng)絡(luò)是過(guò)程控制系統(tǒng)內(nèi)部的通訊連接網(wǎng)絡(luò)，采用 Profibus總線通訊方式，實(shí)現(xiàn)各 PLC之間及PLC與遠(yuǎn)程分布式I/O之間的數(shù)據(jù)通訊，以滿(mǎn)足過(guò)程控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求;監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)是中央監(jiān)控系統(tǒng)操作員站與工程師站之間，及中央監(jiān)控系統(tǒng)與過(guò)程控制系統(tǒng)之間的通訊連接網(wǎng)絡(luò)，采用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)總線通訊方式，使系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性和高效穩(wěn)定的傳輸性。

數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)通過(guò)將三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)立體地結(jié)合在一起，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了系統(tǒng)的整體性能。電站集散控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電站集散控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能分為過(guò)程控制系統(tǒng)功能和中央監(jiān)控系統(tǒng)功能。前者主要包括:監(jiān)控發(fā)電機(jī)組、公用機(jī)械設(shè)備及電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài);控制發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的同步;實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的負(fù)載增減、分配和保護(hù)。后者主要用于在中央監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控和記錄。

2.1 過(guò)程控制系統(tǒng)功能

過(guò)程控制系統(tǒng)功能主要包括模擬量控制系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。

模擬量控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)余熱鍋爐模塊、發(fā)電機(jī)組和輔機(jī)的自動(dòng)調(diào)整，主要包括發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的PID控制、發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的控制、鍋爐壓力的非線性控制和聯(lián)鎖保護(hù)。

順序控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組和輔機(jī)的順序控制和聯(lián)鎖保護(hù)，主要包括公用機(jī)械輔機(jī)控制、機(jī)組機(jī)械輔機(jī)控制、緊急停機(jī)保護(hù)聯(lián)鎖控制、柴油機(jī)的啟動(dòng)、降負(fù)荷和停止控制。

電氣控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)電氣輔機(jī)的監(jiān)視、操作控制和相應(yīng)的聯(lián)鎖保護(hù)，主要包括廠用開(kāi)關(guān)系統(tǒng)、機(jī)組出口斷路器、機(jī)組調(diào)速、自動(dòng)同期、機(jī)組出口電壓調(diào)節(jié)、直流系統(tǒng)和廠用UPS系統(tǒng)控制。

2.2 中央監(jiān)控系統(tǒng)功能

中央監(jiān)控系統(tǒng)用于對(duì)電站的監(jiān)視和操作，包括發(fā)電機(jī)組、機(jī)械輔機(jī)和電氣輔機(jī)的參數(shù)監(jiān)視、報(bào)警和操作，對(duì)各種數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行打印和歸檔[6]。中央監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 中央監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

主界面具有時(shí)間顯示、操作人員顯示、語(yǔ)言切換、畫(huà)面切換、實(shí)時(shí)報(bào)警顯示、重要參數(shù)顯示和用戶(hù)管理等功能;機(jī)械輔機(jī)界面用于監(jiān)控電站公用機(jī)械輔機(jī)和機(jī)組機(jī)械輔機(jī);電氣輔機(jī)界面用于監(jiān)控電站公用電氣輔機(jī)和發(fā)電機(jī);報(bào)表界面用于顯示并打印發(fā)電機(jī)組功率、運(yùn)行時(shí)間、發(fā)電量、及重要的電氣和機(jī)械參數(shù)等，供運(yùn)行管理人員進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì);日志界面用于顯示和查詢(xún)報(bào)警記錄、操作記錄、狀態(tài)記錄和事件順序記錄等。

3 系統(tǒng)分析

3.1 技術(shù)難點(diǎn)

以下就系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中遇到的一些技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

報(bào)警分級(jí)問(wèn)題。報(bào)警信號(hào):提示系統(tǒng)正常運(yùn)行已受到輕微影響，在信號(hào)消失后自動(dòng)復(fù)位，允許延遲至機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)就報(bào)警信號(hào)進(jìn)行處理。故障信號(hào):提示系統(tǒng)正常運(yùn)行已受到一定影響，提醒運(yùn)行人員前往現(xiàn)場(chǎng)處理，此信號(hào)需要手動(dòng)復(fù)位。緊急停機(jī)信號(hào):提示系統(tǒng)正常運(yùn)行已受到嚴(yán)重影響，信號(hào)出現(xiàn)時(shí)發(fā)電機(jī)組將緊急停機(jī)，并引起系統(tǒng)聯(lián)鎖反應(yīng)。這類(lèi)信號(hào)全部錄入事件順序記錄系統(tǒng)，此信號(hào)需要找到首出故障，分析故障原因后逐層復(fù)位。

報(bào)表側(cè)重點(diǎn)問(wèn)題。報(bào)表是電站運(yùn)行管理中的重要組成部分。系統(tǒng)采集電站各部分的數(shù)據(jù)，匯總成報(bào)表形式提交給電站運(yùn)行管理人員以便查看和存檔。報(bào)表應(yīng)側(cè)重于提供重要的標(biāo)志性參數(shù)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，而非詳細(xì)羅列各類(lèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)，甚至替代運(yùn)行值班人員的巡視檢查和正常抄表工作。

1)信號(hào)傳輸問(wèn)題。信號(hào)傳輸問(wèn)題分為狀態(tài)信號(hào)上行傳輸問(wèn)題和控制信號(hào)下行傳輸問(wèn)題兩部分。

狀態(tài)信號(hào)上行傳輸問(wèn)題:由于系統(tǒng)變量點(diǎn)數(shù)眾多，對(duì)于一些重要程度偏低且變化周期較長(zhǎng)的報(bào)警和狀態(tài)信號(hào)，采用合并上傳，變化更新的策略(對(duì)于故障信號(hào)、緊急停機(jī)信號(hào)和重要的狀態(tài)信號(hào)，采用傳統(tǒng)的單點(diǎn)上傳，周期掃描策略，保證系統(tǒng)對(duì)于重要信號(hào)的實(shí)時(shí)性響應(yīng))。合并上傳具體步驟如下:

(1)在過(guò)程控制系統(tǒng)中將報(bào)警和狀態(tài)信號(hào)值按地址順序排列，由布爾值整合成長(zhǎng)整型值，假設(shè)32個(gè)報(bào)警和狀態(tài)信號(hào)的內(nèi)部變量名從F0到F31。在WinCC中將讀出這個(gè)長(zhǎng)整型值，設(shè)變量名稱(chēng)為A。

(2)在WinCC全局腳本C語(yǔ)言程序中，通過(guò)添加程序，將長(zhǎng)整型值A(chǔ)分開(kāi)成為32個(gè)布爾值，對(duì)應(yīng)F0到F31，用于報(bào)警顯示或者其他邏輯控制。全局腳本C語(yǔ)言部分程序如下:

union{long Dword;BOOL Bool[32];}Union; //聲明一個(gè)共同體，使長(zhǎng)整型變量和32個(gè)布爾變量共用內(nèi)存空間。

Union.Dword=GetTagDWord("A"); //將 A 賦值給共同體中的長(zhǎng)整形變量。

SetTagBit("F0"，(Union.Dword ＆ 0x0001)); //將長(zhǎng)整型變量與1做按位與運(yùn)算并賦值給內(nèi)部變量F0。

SetTagBit("F1"，(Union.Dword ＞ ＞ 1 ＆ 0x0001)); //將長(zhǎng)整型變量右移一位與1做按位與運(yùn)算并賦值給內(nèi)部變量F1。

依此類(lèi)推，得出從F0到F31的值。

(3)只有當(dāng)A的值發(fā)生變化的時(shí)候，才更新A的值，起到降低網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度的目的。

2)控制信號(hào)下行傳輸問(wèn)題:對(duì)于一般控制信號(hào)采用編碼形式傳輸，用字傳輸取代位傳輸，采用共用變量，編碼傳輸?shù)牟呗裕苟鄠€(gè)控制信號(hào)共用一個(gè)變量，減少了信號(hào)占用的變量點(diǎn)數(shù)，提高了信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，降低了系統(tǒng)誤動(dòng)作的概率(對(duì)于重要的控制信號(hào)，采用獨(dú)用變量，編碼傳輸?shù)姆绞?，保證系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確快速)。共用變量具體步驟如下:

(1)將控制信號(hào)編寫(xiě)成16位二進(jìn)制代碼，不同的控制信號(hào)采用不同的代碼。假設(shè)有控制信號(hào) B和 C，控制代碼分別為0x0001和0x8000，使用共同的字變量D。上位機(jī)將控制信號(hào)B和C下發(fā)至PLC中。

(2)在PLC中解析字節(jié)變量D，經(jīng)過(guò)程序比較，PLC接收到控制信號(hào)B和C并響應(yīng)。PLC中控制信號(hào) B的解析比較程序如下:

L D

L 0x0001

==I //將字變量D和控制信號(hào)B的代碼比較。

S B //如果D與B相同，則響應(yīng)控制信號(hào)B。

3.2 改進(jìn)空間

根據(jù)此電站和該國(guó)電網(wǎng)的實(shí)際情況，隨著電站運(yùn)行過(guò)程中各類(lèi)反饋信息的累積，系統(tǒng)性能在以下方面仍有潛在的提升空間。

(1)自診斷故障專(zhuān)家系統(tǒng):在系統(tǒng)完成故障信號(hào)的采集后，通過(guò)推理策略和解釋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)具有學(xué)習(xí)和診斷功能的故障專(zhuān)家系統(tǒng)，幫助運(yùn)行管理人員準(zhǔn)確快速地找出故障原因，并為避免同類(lèi)故障再次發(fā)生提供參考依據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng):在國(guó)情和地理?xiàng)l件允許的情況下，電站運(yùn)行數(shù)據(jù)被采集到中央監(jiān)控系統(tǒng)后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提交給電站管理決策層及電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)，用于提高電站和電網(wǎng)的智能化程度，使電網(wǎng)對(duì)電站的調(diào)度更加的便捷。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)在此電站中的運(yùn)用，使得操作界面簡(jiǎn)潔直觀，設(shè)備狀態(tài)一目了然，運(yùn)行人員在中央監(jiān)控室便可方便準(zhǔn)確地監(jiān)控電站的運(yùn)行狀態(tài)。電站建成發(fā)電后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，即使在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)也能通過(guò)聲光報(bào)警及時(shí)通知值班人員，防止故障升級(jí)和事故發(fā)生。

系統(tǒng)提高了電站的運(yùn)行管理和自動(dòng)化控制水平，保證了電站安全、可靠和高效地運(yùn)行。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電站各部分的精確控制，提高了能源利用率，降低了環(huán)境污染。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電氣自動(dòng)化控制水平的不斷提高，系統(tǒng)將向著更加智能化、合理化和人性化方向發(fā)展。

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