關(guān)　鍵，王軍強，李婷婷(1．水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310012; 2．水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江杭州310012)

基于以太網(wǎng)的水電站綜合測試系統(tǒng)研究

關(guān)鍵1，2，王軍強1，2，李婷婷1，2
(1．水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310012; 2．水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江杭州310012)

摘要:針對農(nóng)村水電站生產(chǎn)運行過程中對機組穩(wěn)定及安全運行進行測試和監(jiān)控的要求;深入研究了一種能夠利用工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木C合測試系統(tǒng)，將集成了底層網(wǎng)絡(luò)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與工業(yè)以太網(wǎng)進行互聯(lián)，實現(xiàn)了機組運行的網(wǎng)絡(luò)化控制，形成了一種可靠、快速、便捷的農(nóng)村水電站遠程測試系統(tǒng)。圖3幅。

關(guān)鍵詞:農(nóng)村水電站;以太網(wǎng);數(shù)據(jù)采集;遠程測試

0　引言

農(nóng)村水電站相較于大中型電廠雖然在規(guī)模和裝機容量方面相對較小，但依然是一套“五臟俱全”的復雜系統(tǒng)，因此通過加強實時狀態(tài)監(jiān)控和模擬仿真試驗等有效手段對電站進行安全檢測，在保障電站的穩(wěn)定、高效和安全運行等方面具有重要的意義。在目前大力推廣“無人值班(少人值守)”管理模式和提高農(nóng)村水電站自動化水平的形勢下，提出了一種水電站綜合測試系統(tǒng)設(shè)計方案，主要針對水電站機電設(shè)備的安全檢測、模擬仿真和動態(tài)監(jiān)控。本系統(tǒng)克服了目前基于工控機或單片機開發(fā)的檢測設(shè)備功能單一、兼容性不足、不能實現(xiàn)遠程的監(jiān)控測試的功能要求等缺點，通過引入以太網(wǎng)通信傳輸技術(shù)，將底層控制網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)進行互聯(lián)，實現(xiàn)了水電站機電設(shè)備測試與監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)化管理，提高了電站測試的自動化水平。

1　系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)構(gòu)架由上位機電腦或其他能夠接入以太網(wǎng)的控制終端、帶有以太網(wǎng)通信模塊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、多類型的傳感器及其信號變送模塊、智能控制模塊和限位控制模塊組成(見圖1)。

圖1　系統(tǒng)構(gòu)架示意

1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

水電站綜合測試系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和以太網(wǎng)實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計概念，具有不同類型信號的擴展調(diào)理模塊，能夠滿足目前水電站數(shù)據(jù)信號采集的類型和數(shù)量要求。通過內(nèi)置16位A/D變換器，可擴展256個模擬信號通道，同時保持高速采樣速率。系統(tǒng)集成多路數(shù)字I/O通道，包括隔離和繼電器觸點通道。系統(tǒng)具備脈沖輸入輸出通道、變頻信號源以及模擬輸出模塊。集成了以太網(wǎng)接口、RS232接口和USB接口模塊，可以實現(xiàn)多種控制方式。

1.2以太網(wǎng)接口

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制要求信息傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性，而以太網(wǎng)傳輸協(xié)議采用的傳輸協(xié)議是TCP/IP協(xié)議。這是一種應(yīng)用于大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，不同于底層控制網(wǎng)絡(luò)所采用的如CAN和Profibus等控制網(wǎng)絡(luò)總線傳輸協(xié)議，在本質(zhì)上并不完全滿足生產(chǎn)過程實時監(jiān)控的要求;但隨著信息技術(shù)的發(fā)展，這些問題得以解決。以太網(wǎng)具有的開放性、高速性和通用性的特點，決定了其能夠更好的滿足控制系統(tǒng)各個層次的要求，使信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)得以融合。通過底層控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)互聯(lián)，進一步實現(xiàn)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，形成控制和管理信息一體化的現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系是十分必要的。

目前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化已在國內(nèi)得到大規(guī)模的發(fā)展和應(yīng)用，但在農(nóng)村水電站的管理方面還較為落后，通過對水電站自動化管理系統(tǒng)的研究，以電站機電設(shè)備測試作為基礎(chǔ)，將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于水電站的網(wǎng)絡(luò)化和智能化監(jiān)控管理，可同時實現(xiàn)電站設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控與測試。

2　信號參數(shù)

測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是在研究了農(nóng)村水電站機組特性的條件下，分析選取了能夠動態(tài)描述機電設(shè)備運行狀態(tài)的信號參數(shù)。信號參數(shù)主要包括了發(fā)電機輸出電流和電壓信號、勵磁電流和電壓、功率、轉(zhuǎn)速和頻率、水輪機接力器位移、水頭壓力、流量、機組振動和擺度、壓力脈動、壓差等信號。

(1)通過電壓和電流變送器接入發(fā)電機定子(二次側(cè))電壓和電流，電渦流傳感器接入主軸轉(zhuǎn)速，差阻式位移傳感器接入調(diào)速機構(gòu)接力器行程信號，同時加入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中帶有的頻率信號源和脈沖信號輸出，可以對機組的調(diào)速機構(gòu)的各項動態(tài)指標進行測試。

(2)通過電動式振動傳感器、電渦流非接觸式擺度傳感器、壓力脈動傳感器可以對機組及引水系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性進行測試。

(3)通過發(fā)電機電功率表或是軸功率測量，接入超聲波流量信號和水位(水頭)信號，可以對發(fā)電機或水輪機功率進行測量。

(4)水位、電流、電壓、頻率、溫度等信號作為機組生產(chǎn)運行時的狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)控。

大量的信號數(shù)據(jù)中，一部分數(shù)據(jù)可以通過計算獲得，而基礎(chǔ)數(shù)據(jù)則需要通過傳感器進行采集?？紤]到用于測試系統(tǒng)應(yīng)具有的便捷性，將各類來自傳感器的輸入信號通過變送器轉(zhuǎn)換為0～5 V或4～20 mA的基準模擬輸入信號，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D變換器的功能對模擬通道進行擴展，能夠同時接入大量數(shù)據(jù)信號。

3　控制程序設(shè)計

從傳感器到客戶端，完整的測試系統(tǒng)包括了下位機控制程序、底層控制網(wǎng)絡(luò)接口通信程序、底層控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序和上位控制程序。其中下位機控制程序和底層控制網(wǎng)絡(luò)接口通信程序技術(shù)較為成熟，底層控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序和上位控制程序是該系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的重點。

3.1協(xié)議轉(zhuǎn)換程序

由于傳輸協(xié)議的不同，底層控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)互聯(lián)需要通過協(xié)議轉(zhuǎn)換程序來完成。按照圖2協(xié)議轉(zhuǎn)換程序結(jié)構(gòu)圖所示(見圖2)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過底層控制網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給客戶端時，先通過底層控制網(wǎng)絡(luò)控制器將該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)包保存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，由協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)?shù)據(jù)包映射為應(yīng)用層數(shù)據(jù)，并封裝起來發(fā)送到以太網(wǎng)的應(yīng)用層。同樣，有上位控制信號需要發(fā)送至底層控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時，以太網(wǎng)控制器會將傳輸層數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，并由協(xié)議轉(zhuǎn)換程序從數(shù)據(jù)報文中解析出底層控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，通過底層控制網(wǎng)絡(luò)控制器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降讓涌刂凭W(wǎng)絡(luò)節(jié)點上。

圖2　協(xié)議轉(zhuǎn)換程序結(jié)構(gòu)示意

以太網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)包括了應(yīng)用層、傳輸控制層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。將數(shù)據(jù)傳輸至以太網(wǎng)，協(xié)議轉(zhuǎn)換的要點在于將數(shù)據(jù)包進行TCP/IP封裝。協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)⒌讓涌刂凭W(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)按照以太網(wǎng)協(xié)議構(gòu)架進行對應(yīng)，這是數(shù)據(jù)解析和映射的過程。依照TCP/IP協(xié)議規(guī)則，由IP層從物理層接收完成對應(yīng)的數(shù)據(jù)包，并附加來源地址和目的地址，再發(fā)送到更高的TCP或UDP層。為了提高傳輸效率，這里采用UDP面向無連接的通信協(xié)議，同時增加回傳校驗機制，提高傳輸?shù)目煽啃浴f(xié)議轉(zhuǎn)換程序也進行了同樣的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)對應(yīng)底層控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行轉(zhuǎn)換和傳輸。

3.2基于DASYLab的上位控制軟件

根據(jù)系統(tǒng)的功能和構(gòu)架，需要相適應(yīng)的上位軟件來實現(xiàn)多信息數(shù)據(jù)的融合和監(jiān)控，同時控制軟件還應(yīng)具備高速、通用、便捷和智能化的特點。因此利用通用環(huán)境下的DASYLab高速數(shù)據(jù)采集、分析和控制軟件，以圖形化編程完成數(shù)據(jù)的讀取、顯示、存儲、分析、運算、控制、觸發(fā)等功能。

系統(tǒng)基于DASYLab的功能模塊完成數(shù)據(jù)信號的實時顯示、錄入儲存、計算分析、限位報警、控制反饋等任務(wù)。多類型數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)化以數(shù)字形式通過以太網(wǎng)進行傳輸，上位軟件讀取數(shù)據(jù)同時進行數(shù)據(jù)的分類管理。根據(jù)需要，軟件可對數(shù)據(jù)進行功能化處理，需要直觀顯示的數(shù)據(jù)可以以連續(xù)波形的方式進行顯示，如水頭壓力等數(shù)據(jù)信號;需要組合分析的數(shù)據(jù)可以合并顯示，如甩負荷試驗時的轉(zhuǎn)速、導葉開度、勵磁電壓等數(shù)據(jù)信號;需要綜合分析的數(shù)據(jù)，也能夠利用軟件內(nèi)部函數(shù)進行計算顯示，如水輪機和發(fā)電機的運行效率計算等。

圖3　上位控制程序開發(fā)與應(yīng)用界面

圖3所示為一種設(shè)定水輪機調(diào)速機構(gòu)的接力器位移信號顯示方式，上位軟件能夠動態(tài)的實時顯示接力器的行程，從而判斷水輪機的導葉的開度(見圖3)。

4　結(jié)論

本文提出的將農(nóng)村水電站機電設(shè)備測試監(jiān)控系統(tǒng)和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)合起來，是網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理技術(shù)應(yīng)用在新領(lǐng)域的一次開拓。實際應(yīng)用證明系統(tǒng)無論在穩(wěn)定性、便捷性和可操作性上都滿足設(shè)計的要求，同時可以發(fā)現(xiàn)，模塊化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本身具有很好的擴展性、適應(yīng)性和高速響應(yīng)的特點。在下一步的應(yīng)用中，可以將金屬結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，如壓力鋼管的應(yīng)力和振動測量，甚至是整個水工建筑物的安全監(jiān)測系統(tǒng)都接入到該系統(tǒng)中，形成一個完整的測試、監(jiān)測和控制體系。在接入以太網(wǎng)后，可以實現(xiàn)在特定區(qū)域內(nèi)對多座電站進行同時監(jiān)控和管理，同時為發(fā)電調(diào)度和防洪調(diào)節(jié)提出了新的管理思路和方式，從而體現(xiàn)該系統(tǒng)的良好效果和應(yīng)用價值。

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責任編輯吳昊

作者簡介:關(guān)鍵(1981－)，男，工程師，主要從事水利水電工程質(zhì)量檢測相關(guān)工作。

基金項目:南京水利科學研究院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(青年基金) (Y915013)

收稿日期:2016－01－06