賴春燕

摘 要：本文提出一種針對(duì)中小型電廠的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案，介紹了系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)的可編程控制器（PLC）及保護(hù)裝置同以太網(wǎng)直接連接。IEC60870-5-104協(xié)議及OPC技術(shù)應(yīng)用于通信。設(shè)計(jì)采用具有面向?qū)ο?，多進(jìn)程，多線程、COM等技術(shù)的監(jiān)控軟件。本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行可靠安定，給出了系統(tǒng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)記法、OPC服務(wù)器訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，以及EC60870-5-104協(xié)議的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：IEC 60870-5-104；OPC；自動(dòng)化

現(xiàn)地控制單元（LCU）元件、保護(hù)裝置、可編程控制器（PLC）及監(jiān)控計(jì)算機(jī)共同構(gòu)建成水電廠的自動(dòng)化系統(tǒng)。采用以太網(wǎng)進(jìn)行通信是一種發(fā)展趨勢(shì)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)同PLC、保護(hù)裝置之間便是如此。但是通信協(xié)議不統(tǒng)一，開(kāi)放性差一直困擾著以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。針對(duì)中小型水電廠設(shè)計(jì)的SZX-8000水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)中，從系統(tǒng)的開(kāi)放性考慮，將采用 IEC 60870-5-104協(xié)議（一般情況下被簡(jiǎn)稱為104進(jìn)行計(jì)算機(jī)監(jiān)控以及裝置通信保護(hù)的參考，OPC技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)控計(jì)算機(jī)與PLC通信。為了降低系統(tǒng)費(fèi)用，和市場(chǎng)的混亂，國(guó)際電工委員會(huì)電力系統(tǒng)及其通信技術(shù)委員會(huì)（IECTC57）制定了電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。而在目前電力系統(tǒng)中，應(yīng)用較廣的是104。OLE/COM技術(shù)是通過(guò)OPC技術(shù)應(yīng)用到過(guò)程控制中的，設(shè)備上有一個(gè)通用的數(shù)據(jù)接口，使用合適的應(yīng)用軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)接口硬件的讀取信息，與此同時(shí)，還能促進(jìn)軟件開(kāi)放性和可靠性得到提升。從而提高了水電站的經(jīng)濟(jì)性，提高了水電站的競(jìng)爭(zhēng)能力。

一、自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了通信擴(kuò)展方便，系統(tǒng)PLC、保護(hù)裝置直接接入以太網(wǎng)。以兩臺(tái)機(jī)組說(shuō)明，為了提高可靠性，取消了工控機(jī)。LUC與同期裝置智能設(shè)備通信，如交流電參數(shù)采集器、溫度巡檢儀、調(diào)速器、直流系統(tǒng)。若采用職能系統(tǒng)直接通過(guò)一RS-485總線接入PLC，會(huì)使通訊速度慢，占用PLC系統(tǒng)存儲(chǔ)空間，如今智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)多串口的擴(kuò)展很難，因?yàn)橥ㄐ艆f(xié)議不一致。因此在設(shè)計(jì)中，由于系統(tǒng)的對(duì)信存在不實(shí)時(shí)性，各智能備傳送信息時(shí)，要根據(jù)不實(shí)時(shí)性調(diào)整傳送順序和傳送周期。達(dá)到將各智能設(shè)備的邪異通過(guò)智能通信控制器轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之后，接入PLC的 RS-485口。

PLC選用西門(mén)子小型PLCS7-226，此款PLC重要應(yīng)用于小型水電廠設(shè)計(jì)，水電自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用SZX-8000。西門(mén)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(kuò)展后，有72開(kāi)關(guān)輸入點(diǎn)，64開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)以及模擬量輸入點(diǎn)，S7-226CPU擴(kuò)展關(guān)量其進(jìn)行輸入及輸出的模塊為EM223，其所進(jìn)行的模擬量的輸入模塊為2塊，而其進(jìn)行以太網(wǎng)通信的模塊則為CP243-1。

PLC選用西門(mén)子小型PLCS7-226，此款PLC重要應(yīng)用于小型水電廠設(shè)計(jì)，水電自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用SZX-8000。西門(mén)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(kuò)展后，有72開(kāi)關(guān)輸入點(diǎn)，64開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)以及模擬量輸入點(diǎn)，S7-226CPU其可擴(kuò)展的關(guān)量在進(jìn)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(wǎng)通信模塊則是CP243-1。交換機(jī)使用MOXA工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī) EDS-316。MOVA作為智能通信器。發(fā)電機(jī)以及發(fā)電機(jī)作為保護(hù)裝置。保護(hù)裝置有主變高壓側(cè)以及主變低壓側(cè)等，104則作為通信協(xié)議。線路保護(hù)裝置RS-485接口到以太網(wǎng)接口的轉(zhuǎn)換是通過(guò)通信控制器完成的，通信控制器也可以實(shí)現(xiàn)Modbus協(xié)議到104的轉(zhuǎn)換。相關(guān)的自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖一所示。

圖1水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

二、自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用軟件

對(duì)電廠的所有機(jī)組設(shè)備是通過(guò)水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)SZX-8000實(shí)現(xiàn)控制和保護(hù)等功能的。SZX-8000由三大部分組成，西門(mén)子WinCC Flexible2005以及 STEP7-MicroWIN4.0開(kāi)發(fā)出了PLC，而UC-7410CE軟件則可使用 eVC4.0，對(duì)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行監(jiān)控之后所得的數(shù)據(jù)控依次為SQLServer2000和Delphi7.0。監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件的構(gòu)成如圖2所示。

圖2 監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成框圖

數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)以及主控制構(gòu)成監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件的關(guān)鍵部分，監(jiān)控計(jì)算機(jī)然間還包括圖形編程、PLC通信、保護(hù)通信及GPS通信等程序。數(shù)據(jù)通信主要借助主控之中的通信模塊完成。在通信模塊進(jìn)行工作時(shí)，需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)所存儲(chǔ)的水電站數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，在數(shù)據(jù)讀取完畢之后會(huì)傳給實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和圖像編程程序，同時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)收錄了現(xiàn)場(chǎng)通信傳送的歷史數(shù)據(jù)。PLC通信、保護(hù)通信及全球定位系統(tǒng)（GPS）通信與通信模塊通信的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)com組實(shí)現(xiàn)的，com組件在通信網(wǎng)絡(luò)中是極其重要的一環(huán)。

（一）自動(dòng)化數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)記

系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息由間隔、子站、數(shù)據(jù)點(diǎn)以及裝置共同構(gòu)成數(shù)據(jù)庫(kù)總體結(jié)構(gòu)的分級(jí)及分層。子站包含間隔； 間隔包含裝置；裝置包含數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)包含的參數(shù)為模擬量、開(kāi)關(guān)量、事件順序記錄（SOE）、定值和壓板等，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)查詢、存儲(chǔ)等操作的最小信息元素。

數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)識(shí)作為監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。這些功能包括開(kāi)停機(jī)控制，曲線、報(bào)表輸出以及保護(hù)、測(cè)控信息處理等。另外通信數(shù)據(jù)的解析存入數(shù)據(jù)庫(kù)也是通過(guò)數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)識(shí)的方式。

（二）OPC

OPC服務(wù)器是硬件廠商是生產(chǎn)廠家遵循規(guī)范開(kāi)發(fā)的服務(wù)器。在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)化和開(kāi)放性的過(guò)程中服務(wù)器充當(dāng)數(shù)據(jù)源，通過(guò)服務(wù)器，使用者以標(biāo)準(zhǔn)的 OPC方式完成數(shù)據(jù)交換。用 Delphi7.0 設(shè)計(jì)監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件訪問(wèn) OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)。其中OPC服務(wù)器的機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 OPC服務(wù)器結(jié)構(gòu)示意圖

（三）104協(xié)議

監(jiān)控計(jì)算機(jī)和各保護(hù)裝置間以104協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信，同時(shí)在以太網(wǎng)中應(yīng)用平衡傳輸模式，TCP/IP協(xié)議傳輸信息。服務(wù)器各保護(hù)裝置是由客戶機(jī)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出連接請(qǐng)求后建立TCP 連接，一直處于偵聽(tīng)端口號(hào)為 2404的 TCP連接的狀態(tài)。規(guī)約數(shù)據(jù)單元 （APDU）則是通過(guò)相應(yīng)的應(yīng)用規(guī)約信息控制（APCI）以及其所應(yīng)用的服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ASDU）共同構(gòu)建而成，它是一個(gè)104數(shù)據(jù)幀。遙測(cè)幀的幀頭是APCI、APDU長(zhǎng)度、控制域，其余為ASDU。

68H是 APCI啟動(dòng)字符是一個(gè)數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始。APDU長(zhǎng)度是總字節(jié)8位控制域，是本幀開(kāi)始到結(jié)束的收發(fā)編號(hào)。用于檢測(cè)報(bào)文丟失和報(bào)文重復(fù)傳輸?shù)氖乔?字節(jié)為發(fā)送序號(hào)2字節(jié)為接收序號(hào)N（R），APDU分成3種報(bào)文格式，I、S和U。信息傳輸使用I、U格式報(bào)文時(shí)含有唯一的APCI，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于傳輸?shù)目刂啤?/p>

監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件可對(duì)保護(hù)裝置特有的I格式報(bào)文進(jìn)行接收，舉例說(shuō)明，其可以用于實(shí)現(xiàn)對(duì)控制計(jì)算機(jī)軟件所對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)報(bào)文的接受。收到一個(gè)I格式報(bào)文后監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀，I格式報(bào)文信息是各保護(hù)裝置收到監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件U格式的傳輸報(bào)文后，可以對(duì)該命令報(bào)文進(jìn)行回應(yīng)，并及時(shí)對(duì)變位信息亦或者是周期性的掃描信息進(jìn)行上送。防止報(bào)文丟失和重復(fù)傳輸?shù)臋C(jī)制及超時(shí)時(shí)間限制措施，是監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件保證信息的可靠傳輸而采用的。對(duì)于I格式報(bào)文來(lái)說(shuō)，發(fā)送序號(hào)加 1往往是在I格式的的報(bào)文發(fā)送一個(gè)之后，其所對(duì)應(yīng)的接收序號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的加1處理，該過(guò)程在監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件接收到與其接收序號(hào)相等的I格式的報(bào)文之后才會(huì)發(fā)生。特別注意的是，重建 TCP，監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件接收發(fā)送序號(hào)清零，保護(hù)裝置的也清零。雙發(fā)開(kāi)始數(shù)據(jù)傳送，應(yīng)該判斷I格式報(bào)文的發(fā)送序號(hào)是否等于其接收序號(hào)。相等則將其對(duì)應(yīng)的接收序號(hào)進(jìn)行加1處理，小于則為發(fā)送方出現(xiàn)重復(fù)傳送的情況。監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行2個(gè)傳輸所設(shè)置的超時(shí)時(shí)間依次為t，t 缺省值為15s，I格式或 U格式發(fā)出，時(shí)間外未確認(rèn)，關(guān)閉TCP連接，建立新的TCP連接。發(fā)送U格式的測(cè)試幀是在超過(guò)時(shí)間內(nèi)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件未收到新的幀，且給予確認(rèn)，t 缺省值為20s。不同的保護(hù)裝置需要設(shè)立不同的線程，對(duì)于單個(gè)的接收線程所對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 接收線程實(shí)現(xiàn)流程示意圖

【結(jié)語(yǔ)】：以104協(xié)議及OPC技術(shù)，再加之SZX-8000的水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)可以很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)放性以及標(biāo)準(zhǔn)性的要求。OPC服務(wù)器是西門(mén)子公 SimaticNet。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)得自監(jiān)控系統(tǒng)對(duì) PLC 數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)規(guī)范。 標(biāo)準(zhǔn)化程度高是104協(xié)議特點(diǎn)，另外104協(xié)議還可防止報(bào)文丟失以及報(bào)文重復(fù)傳輸。這個(gè)系統(tǒng)具有實(shí)際實(shí)踐，通信方案可行，已經(jīng)在多個(gè)中小型水電廠穩(wěn)定可靠運(yùn)行，也可應(yīng)用于其它工業(yè)監(jiān)控場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)：

[1]林龍德.《SAADA系統(tǒng)在城市供水調(diào)度系統(tǒng)中的組成和應(yīng)用》[J].《中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)》，2010，18（01）123-125.

[2]羅清龍；馮敏；白成林.《基于INT5500高速電力線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》[J].《電力設(shè)計(jì)應(yīng)用》，2010（01）59-60.

[3]劉勇；穆連運(yùn)；王新華.《基于QNX的艦艇控制系統(tǒng)雙機(jī)容錯(cuò)設(shè)計(jì)》[J].《微計(jì)算機(jī)信息》，2010（01）77-78.