基于PCC的水电站计算机监控系统设计

 

　　本文介绍的系统基于B&R 2005系列PCC，采用ANSIC语言编制控制程序，同时以最小二乘法对机组模拟量进行滤波，并基于帧驱动器以及OPC Server实现了PCC控制系统同外部智能设备及上位机的通信，组成了一个较先进的适用于中小型水电站的开放式监控系统。

　　1 系统监控方式与组成结构

　　以计算机为基础的监控方式CBSC(Computer-Based Supervisory Control)是目前国内外水电厂普遍采用的计算机监控方式。CBSC模式的主要特点是电厂的主要监控功能全部由计算机实现，大大简化常规控制装置，仅留一部分现地操作设备以备特殊情况，但由于位于监控系统较底层的现地控制单元LCU(Local Control Unit)一般都以PLC作为其控制核心，在数据处理、通信上功能不够强大，用户如要扩展或升级系统就需要相当大的投入，而PCC则依靠其丰富灵活的通信模块成功解决了这一问题，使CBSC监控方式更加灵活有效。

　　结合广西宜州拉浪水电站的实际情况，本系统基于B&R 2005系列中型PCC并以CBSC方式设计监控系统。该系统控制核心PCC由一系列独立封装的盒式模块组成，基本模块包括电源模块和CPU模块，扩展模块包括I/O模块、通信模块等。

　　在该系统中，调速器、电量仪及温度巡检仪等智能设备能够稳定地同PCC通信并将数据送入PCC，而PCC则通过以太网(基于TCP/IP协议)同上位机监控终端通信，同时也将数据送至位于LCU上的人机界面显示。这种模式弥补了设备分散带来的不足，使运行人员可以在上位机或人机界面上监控机组运行状态，实现真正的集散式监控系统。该系统结构如图1所示。

　　

 

　　图1 系统结构

　　2 现地控制单元程序设计

　　2.1 控制程序设计

　　2.1.1 任务层设计

　　PCC的操作系统是一个分时多任务操作系统，该系统可使控制系统得以优化，拥有更好的稳定性和实时性。在控制程序中，各个任务程序模块依据其自身的重要性、实时性要求，分别位于优先级不同的任务层下，完成不同的功能。例如，事故故障处理直接影响水轮机组的安全运行，因此，该模块被置于任务层Cyclic #1中;而对实时性要求相对不高的模块如通信程序模块，则被置于任务层Cyclic # 4中。

　　

 

　　图2 为控制程序各个任务程序模块的任务层分布(括号内时间分别表示不同任务层的循环时间)

　　2.1.2 模拟量处理程序设计

　　机组模拟量如压力、温度等对整个水轮机组的正常运行起着至关重要的作用，因此需要对模拟量进行滤波以保证数据的准确性。以PLC为核心的控制系统对模拟量值的滤波一般是通过将模/数转换器得到的数值进行平均N次得以实现，存在着可靠性差等缺点。该程序则基于最小二乘法对模拟量数据进行拟合处理，并可根据传感器特性的变化调整参数，提高了数据的可靠性。最小二乘法即：选择适当的a，b，使式(1)中的ε最小。

　　

 

　　因为ε是a，b的函数，用求极值的方法可知应满足：

　　

 

　　解出a，b：

　　

 

　　则：

　　

 

　　式中Yi为第i个模拟量通道的数据处理结果;Xi为从传感器读取的第i个模拟量通道的初始值;ai，bi为对应该通道的参数;n为平均次数，程序中一般取20次。

　　模拟量处理模块部分程序如下：

　　

 

　　2.2 通信程序设计

　　LCU与外部设备如电量仪等的通信基于帧驱动器。帧驱动器是一种介于应用程序和硬件接口之间的软件工具箱，它使帧以字节流的形式进行发送与接收，无需驱动器对这些帧进行操作。

　　a.初始化。通信开始时，通过帧命令FRM_xopen(enbale，device，mode)初始化端口，其参数定义了接口设备、接口参数以及数据传输状态等。

　　b.数据发送与接收。函数FRM_xopen( )初始化完成后返回缓冲区的地址及其长度，然后调用memcpy( )将数据写入缓冲区，并将数据发送出去。

　　数据接收的过程与发送基本相反，帧驱动器首先调用FRM_read( )读取1帧数据并把它放在缓冲区中，然后由memcpy( )读出该缓冲区的内容。

　　通信模块部分程序如下：

　　

 

　　3 上位机监控实现

　　3.1 OPC服务器

　　上位机监控功能是借助OPC(OLE for ProcessControl)服务器为桥梁实现上位机组态软件对机组数据信息的共享的。OPC是一个工业标准，它为不同厂商的硬件设备、软件和系统定义了公共的接口，使过程控制和工厂自动化中的不同系统、设备和软件之间能够互相连接、通信、操作。监控系统采用OPC协议与其他现场设备通信的优点在于：不管硬件设备是否使用标准的通信协议，制造商只需要提供1套OPC服务器，就可以支持大部分的监控等软件，也不需要将自己的通信协议细节提供给软件商。

　　OPC服务器软件主要分为OPC服务器对象模块、服务器界面模块和OPC驱动程序模块，3个模块通过同一块主内存数据区共享数据，通过线程的同步和互斥等技术的使用，可解决共享数据的保护问题。

　　在该系统中，上位监控计算机启动后，系统自动加载一个被B&R称之为“PVI”的系统模块，同时PVI启动同封装在PCC操作系统中的OPC服务器的通信(在本系统中基于TCP/IP协议)。PVI的核心部分为“PVI manager”，在“PVI manager”中用户可根据需要选择性定义从OPC服务器传输的数据。B&RPVI的基本构成(见B&R2005 User’s Manual，2004)如图3所示。

　　

 

　　图3 PVI 基本构成

　　3.2 组态程序设计

　　该系统的组态程序采用北京亚控“组态王6.03”设计。“组态王6.03”有比较完善的报警和事件系统、报表系统及支持Windows标准的Active X控件，同时全面支持OPC标准，可以通过PVI很方便地实现同PCC OPC Server的数据共享，完成诸如开关量监视记录和事件顺序记录、事故追忆和故障录波、自动发电控制(AGC) 、自动电压控制(AVC)等监控功能。

　　4 结语

　　本文结合发展迅速的PCC技术，介绍了一种新型高效的水电站计算机监控系统。该系统基于B&R2005系列PCC，在以最小二乘法对机组模拟量进行滤波的基础上，实现了机组的各种控制与保护功能，并基于帧驱动器以及OPC Server实现了PCC控制系统同外部智能设备及上位机的通信，组成了一个较先进的适用于中小型水电站的开放式监控系统。