郭光海，周建勝，潘培華

（寧波市水庫管理中心，浙江 寧波 315600）

0 引言

我國水電站開始使用計算機監(jiān)控系統(tǒng)對水電站發(fā)電生產(chǎn)過程實行監(jiān)測和控制是在20 世紀90 年代末，這30年間計算機軟硬件、網(wǎng)絡(luò)信息、工業(yè)控制等技術(shù)發(fā)生了日新月異的變化。計算機監(jiān)控在設(shè)計思路、總體結(jié)構(gòu)、硬件選配、軟件開發(fā)等各方面都有很大的提升，同時原有的水電站計算機監(jiān)控也出現(xiàn)了設(shè)備老化、運行緩慢、故障率高等問題，影響了水電站的安生生產(chǎn)，因此有必要與時俱進地對其進行升級改造，重點放在系統(tǒng)先進性、合理性、可靠性方面顯著提升，結(jié)構(gòu)采用開放環(huán)境下全分布式配置，并應(yīng)用了環(huán)形以太網(wǎng)通信方式，硬件選用目前先進的主流產(chǎn)品，軟件選用國際流行的工控軟件，系統(tǒng)整體運行先進安全可靠，顯著提高水電站生產(chǎn)的安全可靠性，滿足水庫及水電站現(xiàn)代化和信息化管理的需求。

白溪電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)自2001 年投產(chǎn)以來已運行20 年，被譽為寧波的“三峽”，承擔市區(qū)60%以上的供水任務(wù)，在系統(tǒng)中擔任重要作用。目前設(shè)備老化嚴重，經(jīng)常出現(xiàn)計算機監(jiān)控主機死機、運行速度緩慢、PLC 系統(tǒng)故障、通信中斷、測溫及保護通信故障等問題，直接影響電站運行及供水安全，面向我國電力系統(tǒng)對調(diào)度電廠工業(yè)控制和信息系統(tǒng)安全保護日益提高的要求已捉襟見肘。現(xiàn)在技術(shù)更加先進，設(shè)備更加可靠，更能滿足水庫及水電站安全生產(chǎn)標準化、現(xiàn)代化和信息化的要求。因此有必要對原有計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行改進，并針對以上問題進行重新設(shè)計。

1 改進設(shè)計原則

白溪電站監(jiān)控系統(tǒng)按照以計算機監(jiān)控為主，輔助現(xiàn)地控制的原則進行總體設(shè)計，注重監(jiān)控自動控制與現(xiàn)地控制方式的協(xié)調(diào)配合，監(jiān)控系統(tǒng)與發(fā)電設(shè)備同步投入。現(xiàn)地控制作為主控站與現(xiàn)地控制單元（LCU）通訊中斷時的熱備用，它硬接線于LCU，具備值守人員進行日常操作的值班條件。系統(tǒng)重點按先進性、合理性和可靠性原則進行設(shè)計和配置。

1.1 先進性

系統(tǒng)關(guān)鍵核心設(shè)備和軟件均采用國際著名廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品，保障了系統(tǒng)的先進性和可靠性。硬件方面，機組LCU 的核心設(shè)備PLC 采用GE 公司生產(chǎn)的PAC RX3I 系列產(chǎn)品，其中CPU 采用32 位486 以上工業(yè)級微處理器（IC695CPE305），主要性能指標如下：時鐘頻率為1.1 GHz；具有Flash 內(nèi)存，內(nèi)置用戶程序容量5 M；支持實時時鐘；I/O離散點為32 kbits，I/O模擬量為32 kwords；背板總線為速度不低于27 MHz 開放式的PCI 總線，無瓶頸，支持帶電熱插拔。軟件方面，組態(tài)軟件采用工業(yè)自控領(lǐng)域先進的GE Cimplicity 工控組態(tài)軟件進行二次開發(fā)，該組態(tài)軟件的開發(fā)系統(tǒng)提供多種工具及管理程序，滿足各種應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)需求，提供了具有國際標準的BASIC、C++、JAVA、TCP/IP 等軟件接口，使得應(yīng)用程序具有跨平臺的廣泛應(yīng)用環(huán)境[1]。

1.2 合理性

現(xiàn)地PLC 控制可在網(wǎng)絡(luò)通信故障或上位機失控時操作備用，LCU 可用現(xiàn)場自動方式獨立工作，維持相應(yīng)機組、送變電設(shè)備、公用設(shè)備等的正常運行；或在現(xiàn)地方式下，由值班人員通過LCU 進行手動控制，完成機組、公用、送變電設(shè)備等的起、閉，斷路器的投、切等操作。

1.3 可靠性

針對水電站生產(chǎn)安全及技術(shù)特點，在保證操作可靠、通訊安全性前提下還在以下方面進行改造。

（1）數(shù)據(jù)庫及控制功能分布處理，系統(tǒng)功能分布在網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點中，系統(tǒng)任一節(jié)點的故障不影響其他節(jié)點的正常工作，不會造成關(guān)鍵性故障或使外部設(shè)備誤動作。

（2）充分利用PLC 的高可靠性及邏輯控制方面的優(yōu)點，保證機組、公用設(shè)備、開關(guān)站設(shè)備等的順序控制。由PLC 完成監(jiān)控對象的閉環(huán)控制，保證受控對象的安全可靠運行?，F(xiàn)地LCU 在脫離主控級的情況下，可以保證受控對象的安全運行。

（3）電站各LCU 均配置交、直流開關(guān)電源，充分保障了監(jiān)控設(shè)備供電的可靠性。

（4）專門配置了低壓防雷系統(tǒng)，在必要的電源處、信號線路處設(shè)置抗浪涌保護裝置，以防止感應(yīng)雷對控制系統(tǒng)造成的干擾和破壞。

（5）機組LCU 屏上裝設(shè)有獨立于計算機監(jiān)控系統(tǒng)的機組水力機械事故停機和事故緊急停機的常規(guī)設(shè)備及電氣回路。

（6）微機保護裝置中重要的保護動作信號以開關(guān)量形式與對應(yīng)的各LCU直接相連。

（7）提高系統(tǒng)的抗干擾能力，現(xiàn)地控制單元的人機界面采用液晶觸摸屏，避免了現(xiàn)場電磁場的干擾；現(xiàn)場交流電源均經(jīng)過隔離、濾波處理后進行供電，另外PLC的I/O 信號接口、通信接口均采用光電隔離措施，具有較強的抗雷擊、抗電磁干擾能力。

2 總體結(jié)構(gòu)

電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)從功能上分為中央控制層和現(xiàn)地控制層，如圖1 所示。電站采用開放式環(huán)境下全分布計算機監(jiān)控系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)中選用不同計算機時的互操作性，系統(tǒng)擴展和設(shè)備更新時的可移植性。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 中控層

中控層是電站的實時監(jiān)控中心。負責全廠的自動化操作控制，采集和處理來自LCU 的數(shù)據(jù)，編制和計算各種運行參數(shù)、制作各種運行報表、形成運行檔案等，全站的人機對話如事故和故障告警、運行監(jiān)視、對設(shè)備各種整定值的設(shè)置和修改、對設(shè)備的手動操作等，與LCU和電力調(diào)度、水情測報等之間的通訊。

2.2 LCU（現(xiàn)地控制層）

LCU 按控制設(shè)備分為機組LCU、公用設(shè)備LCU、送變電LCU、壩區(qū)LCU。各LCU 對所管轄的生產(chǎn)過程進行完善的監(jiān)控，經(jīng)過DI、DO 與生產(chǎn)過程相連；通過485通信與微機勵磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、火災(zāi)報警裝置、繼電保護、直流系統(tǒng)等交換信息，在人機界面上動態(tài)實時顯示各種運行參數(shù)和繼電保護動作情況；通過以太網(wǎng)接口接到以太網(wǎng)上，向中控層上傳信息并接受執(zhí)行中控層命令，同時各LCU 間亦可交換信息。各LCU 對中控層有相對獨立性，它們能在與中控層斷網(wǎng)情況下獨立完成生產(chǎn)過程的實時數(shù)據(jù)采集及預處理，數(shù)據(jù)監(jiān)視、調(diào)整和控制等功能[2]。

3 硬件配置

計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用全開放系統(tǒng)，由各現(xiàn)地LCU 單元、主控工作站、打印機終端以及遠程終端和相應(yīng)的外設(shè)構(gòu)成。

3.1 LCU（現(xiàn)地控制層）

LCU 由PLC、液晶TFT 彩顯觸摸屏、各輸出繼電器、雙電源切換模塊等組成，機組LCU 還包括自動準同期裝置、多功能儀表等自動化設(shè)備。LCU 主要完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集及預處理，另外具有監(jiān)視和控制功能?，F(xiàn)地的彩顯觸摸屏，在與中控層脫離后仍然能實現(xiàn)對機組進行必要的監(jiān)視和控制，如機組運行參數(shù)的監(jiān)視；機組的開、停機；增、減有功、無功；而與中控層通信恢復后又能自動轉(zhuǎn)為中上位機控制[3]。

LCU 與現(xiàn)場其他智能設(shè)備間的通訊采用專用通訊管理機完成。該裝置采用RISC嵌入式工業(yè)計算機，具有高可靠性?？梢詫F(xiàn)場不同設(shè)備的通訊規(guī)約轉(zhuǎn)換為標準的以太網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議（如Modbus TCP），并直接接入局域網(wǎng)與PLC 及上位機相互交換信息。主要用來完成與現(xiàn)場輔助設(shè)備（如微機保護裝置、多功能電量表、微機勵磁、微機調(diào)速器等）的通訊。通訊管理機選用MOXA IA240型號，性能指標如下：CPU 為Intel Xscale IXP-422 266 MHz 處理器；128 Mb RAM，32 Mb Flash Disk；4 個RS-232/422/485 串 口；2 個10/100 Mb/s 以 太 網(wǎng) 口；具 有LCM 顯示屏和鍵盤方便現(xiàn)場調(diào)試和操作；采用Linux 通信平臺。

3.2 通訊設(shè)備

電站采用環(huán)形以太網(wǎng)進行通信，在各主計算機工作站、通信服務(wù)器、工程師工作站、管理工作站以及各LCU 均配置以太網(wǎng)交換機，傳輸介質(zhì)采用網(wǎng)線或光纜。在現(xiàn)地每個LCU 單元各配置一臺環(huán)形以太網(wǎng)交換機，選用GE IC086SLM042SS 型號，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高設(shè)備的擴展性和靈活性。單模100M 光口2 個，100M電口4個；符合工業(yè)級設(shè)計及IEEE802.3標準。

中控室核心交換機用于控制中心自動化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，采用可網(wǎng)管模塊化交換機。交換機選用GE IC086SLM162 型號，設(shè)備均布置于中控室的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備屏內(nèi)。具體技術(shù)指標如下：支持OPC Server，可以與工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件無縫連接，實現(xiàn)實時網(wǎng)管。交換機內(nèi)部含溫度感應(yīng)器，能探測到外界的實時溫度，且顯示在管理頁面中，如出現(xiàn)了超出的設(shè)定溫度界限，交換機可自動報警；交換機支持內(nèi)存卡配置功能，即交換機自帶內(nèi)存卡插槽，交換機本身的配置程序可自動保存在內(nèi)存卡里面，以方便日常維護。

3.3 網(wǎng)絡(luò)型衛(wèi)星同步時鐘裝置

GPS 選用東大金智iPACS-5785 型號，采用BSS 標準衛(wèi)星同步時鐘，接收GPS 信號，并通過以太網(wǎng)接口對各工作站相連發(fā)送對時信號，使全廠裝置時間同步，時鐘的同步精度為±1 ms。

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件符合國際開放系統(tǒng)組織推薦的開放式系統(tǒng)，選用國際流行的工控軟件（Cimplicity），供運行人員二次開發(fā)使用。操作系統(tǒng)采用實時多任務(wù)多窗口的Microsoft Windows 操作系統(tǒng)。Cimplicity 能提供多種工具及管理程序，滿足各種應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)需求，采用真正的客戶端/服務(wù)器構(gòu)架，實現(xiàn)無縫擴展；與Proficy 軟件套件緊密集成；通過功能強大的API，能夠利用Cimplicity 采集、管理、維護形成的數(shù)據(jù)和報警信息開發(fā)自己的直接接口；能夠?qū)崿F(xiàn)定制程序或第三方程序的無縫集成；交互式可視化環(huán)境及JAVA、FORTRAN、C、C++等高級語言編譯系統(tǒng)提供了各種開發(fā)工具和較強的編程能力。

網(wǎng)絡(luò)通訊及網(wǎng)絡(luò)管理采用Client(客戶)—Server(服務(wù)器)模式，通訊軟件基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，為系統(tǒng)各進程間提供了網(wǎng)絡(luò)透明的通訊服務(wù)。數(shù)據(jù)庫管理軟件采用Microsoft SQL Server，能提供各測量值的越復限處理、定時定期數(shù)據(jù)的檢索、歸檔，事件事故的動作次數(shù)、報警，各數(shù)據(jù)的瞬時狀態(tài)等，并可根據(jù)需求計算較為復雜，便于使用的運算點。還可利用數(shù)據(jù)庫軟件對歷史數(shù)據(jù)進行查閱、打印、檢索并存檔。

在順序控制方面通過順控管理程序檢查順控程序語法，啟動管理各順控執(zhí)行程序及對條件有限制的順控程序加鎖等，完成與數(shù)據(jù)庫與人機接口的信息互換并執(zhí)行一個順控流程。順控執(zhí)行程序可放在LCU-CPU 中或直接由PLC 去完成[4]。主要控制操作內(nèi)容：操作安全閉鎖；操作過程監(jiān)視；泵組的開、停機順序控制；斷路器、隔離開關(guān)、閥門等設(shè)備的控制等。編程軟件使用PLC 生產(chǎn)廠家自帶，用戶根據(jù)電站實際生產(chǎn)過程的控制順序要求，進行各種PLC 軟件功能的編輯和開發(fā)。PLC 編程采用梯形圖（LD）語言，沿襲了繼電器控制電路的形式，在梯形圖中，輸入觸點代替按鈕，輸出線圈代替負載，左右母線代替繼電器與接觸器控制電源線。圖2 所示為開機準備好的梯形圖，非常形象、直觀、實用。

圖2 開機準備好梯形圖

在交互式方面報表編輯和圖形編輯用的較多。報表編輯提供了表格線、漢字和字符輸入方法，通過鼠標器和鍵盤在界面上建立報表格式，定義報表項與數(shù)據(jù)庫報表功能塊的動態(tài)連接。圖形編輯程序提供用戶開發(fā)人機接口的各種畫面，通過鼠標及鍵盤，選擇圖符庫、字符編輯、漢字編輯、圖形編輯、顏色編輯等，在界面上開發(fā)出所需的畫面，并建立圖形、顏色、字符、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫之間的動態(tài)連接，這樣就能實時顯示與現(xiàn)場情況一致的動態(tài)畫面及操作流程[5]。圖3 所示為停機流程。矩形塊的顏色：條件滿足時，矩形塊為紅色。箭頭的顏色：停機過程未完成時，當箭頭的上一個條件滿足且下一個條件未滿足時，箭頭為閃爍的紅色與黃色；當箭頭上一個條件滿足且下一個條件也滿足時，箭頭為紅色；當箭頭的上一個條件未滿足時，箭頭為粉色虛線；停機過程完成時，所有的箭頭為黃色虛線。

圖3 停機流程

售后服務(wù)方面遠程診斷服務(wù)為用戶提供一套遠程診斷軟件，一般的故障或系統(tǒng)運行中遇到的困難，用戶可以用樹梅派與開發(fā)公司的軟件人員通過因特網(wǎng)相連，由軟件完成遠程診斷和在線修正。

5 計算機監(jiān)控系統(tǒng)使用情況

該電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過6 個月的設(shè)計安裝調(diào)試已正式投產(chǎn)運行，運行人員因為有以前的經(jīng)驗，經(jīng)過短期的培訓適應(yīng)了新的監(jiān)控系統(tǒng)，操作習慣變動不大，很快熟悉了監(jiān)盤操作和日常檔案數(shù)據(jù)整理，人機界面感覺舒適，各項動畫和動態(tài)顯示直觀清晰。機組經(jīng)過正常開停機、事故停機、緊急停機流程均正常，所有輔助設(shè)備運行能正常啟停，所有主接線開關(guān)操作正確，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)適時準確。經(jīng)過一年的運行目前一切正常，機組每天開停機一次均按流程正確執(zhí)行，經(jīng)過一個雷雨季節(jié)的考驗未發(fā)現(xiàn)異常。一年內(nèi)3 次根據(jù)調(diào)度命令進行倒閘均操作正常，經(jīng)過全廠兩臺機組大修，各項數(shù)據(jù)及通信狀態(tài)正常。綜上所述本次計算機監(jiān)控系統(tǒng)升級改造解決了多年存在的隱患，能滿足電站安全生產(chǎn)需要。

6 結(jié)束語

該電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計思路、總體結(jié)構(gòu)、硬件選配、軟件開發(fā)方面經(jīng)過有針對性地設(shè)計改進，在系統(tǒng)先進性、合理性、可靠性方面顯著提升，結(jié)構(gòu)采用開放環(huán)境下全分布式配置，并應(yīng)用了環(huán)形以太網(wǎng)通信方式，硬件選用目前先進的主流產(chǎn)品，軟件選用國際流行的工控軟件，系統(tǒng)整體運行先進安全可靠，人機互動感覺友好，并解決了多年運行中經(jīng)常出現(xiàn)的計算機監(jiān)控死機、運行速度緩慢、PLC 系統(tǒng)故障、通信故障等問題，提高了自動化水平，保障了電站安全經(jīng)濟高效運行，滿足水電站現(xiàn)代化和信息化管理的需求。