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(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

基于“胖”客戶端的自動化綜合實(shí)訓(xùn)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(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

摘要：針對浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院自動化專業(yè)的發(fā)展瓶頸，解決學(xué)生綜合自動化實(shí)訓(xùn)問題，構(gòu)架了電氣自動化綜合實(shí)訓(xùn)平臺。該平臺采用“胖”客戶端技術(shù)進(jìn)行構(gòu)架，采用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、控制技術(shù)等核心技術(shù)，實(shí)踐表明，該平臺運(yùn)行穩(wěn)定，能夠提高學(xué)生的技能，使培養(yǎng)的學(xué)生零距離接近社會就業(yè)，提高了學(xué)生的就業(yè)率，為其他院校建立自動化綜合平臺提供借鑒。

關(guān)鍵詞：客戶端；自動化；實(shí)訓(xùn)；平臺

1引言

永嘉縣金溪水電有限公司和浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院是緊密型校企合作單位，作為一名企業(yè)專家，參加了浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院自動化技術(shù)專業(yè)的建設(shè)服務(wù)，以盡自己的微薄之力。

隨著浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院自動化技術(shù)專業(yè)建設(shè)步伐的加快，為適應(yīng)《PLC》、《單片機(jī)》、《電氣設(shè)備》、《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)》、《電力系統(tǒng)分析》等課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，急需構(gòu)建電氣自動化技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)平臺。以下從硬件基礎(chǔ)、軟件基礎(chǔ)、教學(xué)基礎(chǔ)三個(gè)方面來探討建設(shè)電氣設(shè)備計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)具備的條件。

1.1硬件基礎(chǔ)

由于浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院采取的是以培養(yǎng)職業(yè)高技能人才為主的教學(xué)形式，所以有著多年的硬件設(shè)施積累，目前已經(jīng)建設(shè)的很多實(shí)驗(yàn)設(shè)備并沒有完全發(fā)揮其教學(xué)和科研價(jià)值，僅僅提供了教學(xué)演示和教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)功能。因此需利用新校區(qū)建設(shè)的契機(jī)，使原有的實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)設(shè)備和新增高新技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行合理的綜合分析，構(gòu)建出“產(chǎn)學(xué)研”一體化的各種實(shí)驗(yàn)室平臺。實(shí)際建設(shè)中，并不需要建立獨(dú)立封閉式的實(shí)驗(yàn)室。現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各實(shí)驗(yàn)室在地理概念上的相互獨(dú)立，但在系統(tǒng)概念上又相互關(guān)聯(lián)，充分發(fā)揮每個(gè)具體設(shè)備的價(jià)值。實(shí)際上，無論是變電站的監(jiān)控還是電氣設(shè)備的監(jiān)控，都不是將所有的子系統(tǒng)集成在一個(gè)控制室內(nèi)的。因此，在新校區(qū)的樓宇綜合布線系統(tǒng)上就應(yīng)做好總體的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，在這一點(diǎn)上，浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械和電氣系的廣大教師在綜合布線系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)上花費(fèi)了大量的心血，使得建設(shè)一個(gè)電氣自動化技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)平臺的網(wǎng)絡(luò)部分已經(jīng)基本具備。

1.2軟件基礎(chǔ)

在現(xiàn)地控制領(lǐng)域，通過幾年的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、培訓(xùn)以及考工設(shè)計(jì)實(shí)踐，機(jī)械和電氣系對微機(jī)和PLC軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)都積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。另外，在已經(jīng)建成的基于組態(tài)和PLC的可編程控制實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，使用的組態(tài)軟件和PLC控制編程軟件是完全基于網(wǎng)絡(luò)的，是能夠應(yīng)用于水利、電力、化工等各行業(yè)的工業(yè)級監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)軟件平臺。該開發(fā)平臺可以作為建設(shè)實(shí)驗(yàn)平臺初期的開發(fā)軟件。

1.3教學(xué)基礎(chǔ)

浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院一直以來都是從事電氣設(shè)備相關(guān)知識的教學(xué)工作。多年的教學(xué)工作使相關(guān)教師具備了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和較高的理論教學(xué)水平。這些資源表明建設(shè)水利工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺已經(jīng)具備了較充分的學(xué)術(shù)理論水平。除了原有長期從事電氣設(shè)備相關(guān)課程教學(xué)的教師部分在讀或完成研究生學(xué)業(yè)之外，新參加工作的教師基本上是電力系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)畢業(yè)的研究生，在校期間就從事電力系統(tǒng)方面的學(xué)習(xí)、應(yīng)用和研究，具備一定的學(xué)術(shù)水平和實(shí)際開發(fā)、研究能力。例如，在校就讀和研究方向就分別為系統(tǒng)監(jiān)控方向、系統(tǒng)分析方向、發(fā)電機(jī)勵磁方向、水輪機(jī)方向等等。應(yīng)該在幫助他們提高教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，充分發(fā)揮他們在科學(xué)研究與實(shí)際運(yùn)用領(lǐng)域的能力。大量的學(xué)生也是不可忽視的人才資源，讓他們參與實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)，一方面可以鞏固和深化學(xué)習(xí)的理論知識，提高實(shí)際工作能力；另一方面可以分擔(dān)實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)中指導(dǎo)教師的工作壓力，使負(fù)責(zé)教師專心于總體指導(dǎo)以及對具體細(xì)節(jié)問題進(jìn)行深入的分析和研究。

2需求分析

根據(jù)專業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)、學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)、培訓(xùn)、考工以及教師科研的需要，水利工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)該具有以下一些功能特點(diǎn)：

1）水利工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺要滿足教學(xué)要求，并應(yīng)該根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展的需要進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

2）應(yīng)該具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)形電力網(wǎng)構(gòu)架，可通過投切輸電線路，能靈活改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3）能對發(fā)電廠、變電站及電力系統(tǒng)中常用的自動裝置、變電站監(jiān)控、電力系統(tǒng)運(yùn)行、繼電保護(hù)等教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)。

4）通過本監(jiān)控平臺，可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)“四遙”功能，改變電力網(wǎng)潮流的分布。

5）能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控，設(shè)備的自動控制。

6）應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)靈活多變、功能強(qiáng)大、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

7）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要基本覆蓋電力，電氣類專業(yè)的主要專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，綜合性要強(qiáng)，可滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和教師科研的需要。

8）針對線路的三相故障，可進(jìn)行故障分析實(shí)驗(yàn)。

3總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)

經(jīng)過多方考察和調(diào)研，目前一些水利和電力院校已建的計(jì)算機(jī)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室照抄水利工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控的實(shí)際模式，很不實(shí)用。因?yàn)樗こ逃?jì)算機(jī)監(jiān)控的實(shí)際模式是面向電氣設(shè)備而建設(shè)的，而不是面向教學(xué)。在水利工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控的實(shí)際模式中，現(xiàn)有的水利工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有兩種：分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)和集中式監(jiān)控系統(tǒng)。分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)分為電站主控層和現(xiàn)地控制單元層（LCU），現(xiàn)地控制單元層具有工業(yè)控制微機(jī)或PLC，電站主控層由各功能的工作站組成，整個(gè)系統(tǒng)用局域網(wǎng)（LAN）進(jìn)行聯(lián)接。集中式監(jiān)控系統(tǒng)無現(xiàn)地控制單元，由1臺計(jì)算機(jī)承擔(dān)人機(jī)接口和遠(yuǎn)動功能。如某電站有2臺機(jī)組，若采用分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)，則其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示；若采用集中式監(jiān)控系統(tǒng)，則其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。從圖1和圖2可以看出，無論采用何種結(jié)構(gòu)模式，其客戶端數(shù)目都很少，圖1的客戶端只有4臺計(jì)算機(jī)（每個(gè)工作站1臺），而圖2則只有1臺計(jì)算機(jī)，這樣就不符合教學(xué)中學(xué)生和老師需要多臺客戶端計(jì)算機(jī)的模式。許多院校按照圖1或圖2建成的計(jì)算機(jī)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺，只能用來參觀，而沒有足夠的客戶端計(jì)算機(jī)供學(xué)生上機(jī)操作。水利工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控的實(shí)際模式是按照“少人值班”、“無人值守”等原則設(shè)計(jì)的，采用的“瘦”客戶端設(shè)計(jì)理念，與教學(xué)中需要滿足盡量多的學(xué)生作實(shí)驗(yàn)的理念背道而馳。為此，我們機(jī)電系經(jīng)過深入的研究，決定采用一種新的面向教學(xué)的電氣自動化技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)平臺構(gòu)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(xué)、科研、培訓(xùn)以及考試等需求，是一個(gè)采用現(xiàn)有的技術(shù)完全能夠?qū)崿F(xiàn)的綜合計(jì)算機(jī)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。從圖3可以看出，各模擬發(fā)電廠及開關(guān)站，母線及線路電量由各發(fā)電廠控制器及三相電量智能監(jiān)測儀采集并傳送至主站，實(shí)現(xiàn)遙測功能；各開關(guān)，斷路器狀態(tài)通過PLC采集后，傳送至主站，實(shí)現(xiàn)遙信功能；PLC接受并執(zhí)行主站發(fā)送的命令，完成對斷路器的分合閘操作，實(shí)現(xiàn)遙控功能；各發(fā)電機(jī)廠控制器（微機(jī)調(diào)速器和微機(jī)勵磁器）接受并執(zhí)行主站發(fā)送的調(diào)度命令，調(diào)整發(fā)電機(jī)的有功和無功出力，實(shí)現(xiàn)遙調(diào)功能。

圖1分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡圖

圖2集中式監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡圖

服務(wù)器主站采用高性能工控機(jī)，上位機(jī)軟件采用現(xiàn)在電力系統(tǒng)流行的組態(tài)軟件，主站與各電站的控制器、智能監(jiān)測儀、PLC之間通過485總線相連，通信協(xié)議采用開放的Modbus協(xié)議。

教師機(jī)和學(xué)生機(jī)通過交換機(jī)和服務(wù)器主站相連接。教師機(jī)和學(xué)生機(jī)均可通過網(wǎng)關(guān)連入互聯(lián)網(wǎng)。

該方案成功解決了教學(xué)、科研、培訓(xùn)以及考工等功能需求，投資少，見效快，徹底打破了國內(nèi)一些院校投資高、實(shí)際利用效率低、學(xué)生只能參觀不能動手操作的構(gòu)架模式。同時(shí)跳出了按照實(shí)際電站模式進(jìn)行構(gòu)架的設(shè)計(jì)誤區(qū)。

圖3“胖”客戶端計(jì)算機(jī)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

4軟硬件配置

按照自主設(shè)計(jì)的”胖”客戶端解決方案，需要進(jìn)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(shù)綜合實(shí)訓(xùn)平臺、模擬發(fā)電廠及開關(guān)站系統(tǒng)和監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)。

（1）電氣自動化技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)平臺包括發(fā)電機(jī)組，實(shí)驗(yàn)操作臺，實(shí)驗(yàn)控制屏，無窮大系統(tǒng)和負(fù)荷柜。發(fā)電機(jī)組由安裝在同一個(gè)軸上的三相同步發(fā)電機(jī)，直流電動機(jī)，測速裝置和功角指示器組成。采用直流電動機(jī)模擬水輪機(jī)，所有配件均固定在可移動的推車上，方便學(xué)生做實(shí)驗(yàn)。三相同步發(fā)電機(jī)：SN=2.5 kVA, VN=400V,nN=1500rpm（推薦）；直流電動機(jī)：PN=4 kW，VN=440 V（推薦）；實(shí)驗(yàn)操作臺由輸電線路單元，微機(jī)線路保護(hù)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(guān)等構(gòu)成；實(shí)驗(yàn)控制屏由發(fā)電機(jī)勵磁電源單元，原動機(jī)電源單元，微機(jī)調(diào)速器裝置，微機(jī)準(zhǔn)同期裝置，微機(jī)勵磁裝置，常規(guī)勵磁裝置和數(shù)字式帶存儲示波器組成。

（2）模擬發(fā)電廠及開關(guān)站系統(tǒng)包括電力網(wǎng)絡(luò)單元，PLC控制器，電量監(jiān)測儀，分合閘開關(guān)，報(bào)警指示燈和工控機(jī)等。

（3）通信網(wǎng)絡(luò)包括：交換機(jī)，教師機(jī)和學(xué)生機(jī)。

4.2軟件配置

軟件的配置包括操作軟件、基本軟件、應(yīng)用軟件及工具軟件等的配置。

（1）操作軟件：系統(tǒng)軟件是隨計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備同時(shí)購入由系統(tǒng)軟件生產(chǎn)廠商提供的軟件，用以提供監(jiān)控系統(tǒng)其他軟件運(yùn)行的環(huán)境，用戶軟件的開發(fā)手段，如用戶程序的編輯、編譯、聯(lián)接、任務(wù)的插入、運(yùn)行、退出等。教師實(shí)驗(yàn)臺和學(xué)生實(shí)驗(yàn)臺可安裝Windows2000/XP操作系統(tǒng)；

（2）基本軟件：基本軟件是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)功能所必須的軟件，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫管理、圖形顯示、報(bào)表生成、語音報(bào)警等軟件?；拒浖刹捎没诠I(yè)上的SCADA系統(tǒng)（即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）。SCADA是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報(bào)警等功能。在電力系統(tǒng)中，SCADA系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)發(fā)展也最為成熟。有著信息完整、提高效率、正確掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢，現(xiàn)已經(jīng)成為電力調(diào)度不可缺少的工具。它對提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)效益，減輕調(diào)度員的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度自動化與現(xiàn)代化，提高調(diào)度的效率和水平方面有著不可替代的作用。它應(yīng)具備的具體功能如下：

1）實(shí)時(shí)顯示各發(fā)電廠的運(yùn)行狀態(tài)。

2）采集和處理各開關(guān)站的電量參數(shù)并顯示。

3）實(shí)時(shí)監(jiān)視各斷路器的位置，保護(hù)動作出口狀態(tài)。

4）存儲和打印電力網(wǎng)絡(luò)的電量參數(shù)。

5）實(shí)時(shí)顯示電力網(wǎng)絡(luò)的潮流分布。

6）進(jìn)行復(fù)雜電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算。

7）可繪制歷史曲線。

8）具有“四遙”功能。

（3）應(yīng)用軟件：應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)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(yīng)用軟件的差別很大，一般需特殊處理。本實(shí)驗(yàn)平臺的應(yīng)用軟件應(yīng)具有強(qiáng)大的Web功能和Internet/Intranet瀏覽器功能，能直接支持多文檔。當(dāng)在Internet上遠(yuǎn)程訪問監(jiān)控畫面時(shí)，應(yīng)具有很好的實(shí)時(shí)性。同時(shí)易于使用ASP等快速開發(fā)工具構(gòu)建B/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并可以直接訪問單窗口?？芍С諦/S和C/S訪問方式，支持多層次網(wǎng)絡(luò)冗余及故障切換。提供多重冗余結(jié)構(gòu)，支持IO設(shè)備冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、數(shù)據(jù)庫冗余等。它具備以下一些特點(diǎn)：

1）HMI新特點(diǎn)：重新設(shè)計(jì)的HMI開發(fā)系統(tǒng)，更多的組件和控件來方便您構(gòu)成強(qiáng)大的系統(tǒng)；豐富的函數(shù)和設(shè)備驅(qū)動程序使集成更容易；

2）分布式網(wǎng)絡(luò)：本實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)該是一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需要，靈活地構(gòu)建符合要求的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)建B/S 和C/S等方式。

3）開放性：應(yīng)用軟件應(yīng)為開放式體系結(jié)構(gòu)，全面支持DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX、DNA標(biāo)準(zhǔn)。以O(shè)LE、COM/DCOM、動態(tài)鏈接庫等多種形式提供外部訪問接口，能使教師和學(xué)生利用各種常用開發(fā)工具（如：VC++、VB等）進(jìn)行深層的二次開發(fā)。

（4）工具軟件：工具軟件是提高系統(tǒng)開發(fā)效率的軟件，它可以減輕軟件開發(fā)與維護(hù)強(qiáng)度，提高系統(tǒng)的可靠性，使開放系統(tǒng)真正地向用戶開放。因此，本實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)采用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域先進(jìn)的組態(tài)軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，組態(tài)軟件采用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，它結(jié)合了工廠自動化的特點(diǎn)，組態(tài)靈活、開放性好，提供給使用者集成環(huán)境下的簡便快速生成工具、構(gòu)造控制系統(tǒng)以及完成現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)。組態(tài)軟件具有豐富的人機(jī)界面，提供給運(yùn)行人員友善的接口，操作既方便又安全，既簡單又可靠，既發(fā)揮多窗口的特點(diǎn)，又滿足了運(yùn)行人員的習(xí)慣。

5結(jié)束語

該平臺搭建已有2年多，在2年多的應(yīng)用實(shí)踐表明，系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠提高學(xué)生的技能，使培養(yǎng)的學(xué)生零距離接近社會就業(yè)，提高了學(xué)生的就業(yè)率。該平臺的控制對象目前還有點(diǎn)單調(diào)，需要繼續(xù)投入，不斷豐富控制對象，并與社會實(shí)際接軌，不斷升級該平臺。

中圖分類號：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)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。