水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)劣在一定意義上代表著該水電站的自動化控制水平，它直接影響機組的運行安全、電能質量以及生產效益等。
從目前水電站自動化水平的發(fā)展需求看，可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller) 在高速數(shù)據(jù)處理、網絡通信以及系統(tǒng)擴展等方面的能力已經不能滿足要求，而新一代的可編程計算機控制器PCC(Programmable Computer Controller)不僅擁有PLC穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，同時也具備了工業(yè)控制計算機強大的數(shù)據(jù)處理及通信能力、豐富的編程語言，諸多優(yōu)點已使其能夠勝任大型的集散控制以及復雜的控制過程。
本文介紹的系統(tǒng)基于B&R 2005系列PCC，采用ANSIC語言編制控制程序，同時以最小二乘法對機組模擬量進行濾波，并基于幀驅動器以及OPC Server實現(xiàn)了PCC控制系統(tǒng)同外部智能設備及上位機的通信，組成了一個較先進的適用于中小型水電站的開放式監(jiān)控系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)監(jiān)控方式與組成結構
以計算機為基礎的監(jiān)控方式CBSC(Computer-Based Supervisory Control)是目前國內外水電廠普遍采用的計算機監(jiān)控方式。CBSC模式的主要特點是電廠的主要監(jiān)控功能全部由計算機實現(xiàn)，大大簡化常規(guī)控制裝置，僅留一部分現(xiàn)地操作設備以備特殊情況，但由于位于監(jiān)控系統(tǒng)較底層的現(xiàn)地控制單元LCU(Local Control Unit)一般都以PLC作為其控制核心，在數(shù)據(jù)處理、通信上功能不夠強大，用戶如要擴展或升級系統(tǒng)就需要相當大的投入，而PCC則依靠其豐富靈活的通信模塊成功解決了這一問題，使CBSC監(jiān)控方式更加靈活有效。
結合廣西宜州拉浪水電站的實際情況，本系統(tǒng)基于B&R 2005系列中型PCC并以CBSC方式設計監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制核心PCC由一系列獨立封裝的盒式模塊組成，基本模塊包括電源模塊和CPU模塊，擴展模塊包括I/O模塊、通信模塊等。
在該系統(tǒng)中，調速器、電量儀及溫度巡檢儀等智能設備能夠穩(wěn)定地同PCC通信并將數(shù)據(jù)送入PCC，而PCC則通過以太網(基于TCP/IP協(xié)議)同上位機監(jiān)控終端通信，同時也將數(shù)據(jù)送至位于LCU上的人機界面顯示。這種模式彌補了設備分散帶來的不足，使運行人員可以在上位機或人機界面上監(jiān)控機組運行狀態(tài)，實現(xiàn)真正的集散式監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)結構如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結構
2 現(xiàn)地控制單元程序設計
2.1 控制程序設計
2.1.1 任務層設計
PCC的操作系統(tǒng)是一個分時多任務操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使控制系統(tǒng)得以優(yōu)化，擁有更好的穩(wěn)定性和實時性。在控制程序中，各個任務程序模塊依據(jù)其自身的重要性、實時性要求，分別位于優(yōu)先級不同的任務層下，完成不同的功能。例如，事故故障處理直接影響水輪機組的安全運行，因此，該模塊被置于任務層Cyclic #1中；而對實時性要求相對不高的模塊如通信程序模塊，則被置于任務層Cyclic # 4中。
圖2 為控制程序各個任務程序模塊的任務層分布(括號內時間分別表示不同任務層的循環(huán)時間)
2.1.2 模擬量處理程序設計
機組模擬量如壓力、溫度等對整個水輪機組的正常運行起著至關重要的作用，因此需要對模擬量進行濾波以保證數(shù)據(jù)的準確性。以PLC為核心的控制系統(tǒng)對模擬量值的濾波一般是通過將模/數(shù)轉換器得到的數(shù)值進行平均N次得以實現(xiàn)，存在著可靠性差等缺點。該程序則基于最小二乘法對模擬量數(shù)據(jù)進行擬合處理，并可根據(jù)傳感器特性的變化調整參數(shù)，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。最小二乘法即：選擇適當?shù)腶，b，使式(1)中的ε最小。
因為ε是a，b的函數(shù)，用求極值的方法可知應滿足：
解出a，b：
則：
式中Yi為第i個模擬量通道的數(shù)據(jù)處理結果；Xi為從傳感器讀取的第i個模擬量通道的初始值；ai，bi為對應該通道的參數(shù)；n為平均次數(shù)，程序中一般取20次。
模擬量處理模塊部分程序如下：
2.2 通信程序設計
LCU與外部設備如電量儀等的通信基于幀驅動器。幀驅動器是一種介于應用程序和硬件接口之間的軟件工具箱，它使幀以字節(jié)流的形式進行發(fā)送與接收，無需驅動器對這些幀進行操作。
a.初始化。通信開始時，通過幀命令FRM_xopen(enbale，device，mode)初始化端口，其參數(shù)定義了接口設備、接口參數(shù)以及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)等。
b.數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。函數(shù)FRM_xopen( )初始化完成后返回緩沖區(qū)的地址及其長度，然后調用memcpy( )將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
數(shù)據(jù)接收的過程與發(fā)送基本相反，幀驅動器首先調用FRM_read( )讀取1幀數(shù)據(jù)并把它放在緩沖區(qū)中，然后由memcpy( )讀出該緩沖區(qū)的內容。
通信模塊部分程序如下：
3 上位機監(jiān)控實現(xiàn)
3.1 OPC服務器
上位機監(jiān)控功能是借助OPC(OLE for ProcessControl)服務器為橋梁實現(xiàn)上位機組態(tài)軟件對機組數(shù)據(jù)信息的共享的。OPC是一個工業(yè)標準，它為不同廠商的硬件設備、軟件和系統(tǒng)定義了公共的接口，使過程控制和工廠自動化中的不同系統(tǒng)、設備和軟件之間能夠互相連接、通信、操作。監(jiān)控系統(tǒng)采用OPC協(xié)議與其他現(xiàn)場設備通信的優(yōu)點在于：不管硬件設備是否使用標準的通信協(xié)議，制造商只需要提供1套OPC服務器，就可以支持大部分的監(jiān)控等軟件，也不需要將自己的通信協(xié)議細節(jié)提供給軟件商。
OPC服務器軟件主要分為OPC服務器對象模塊、服務器界面模塊和OPC驅動程序模塊，3個模塊通過同一塊主內存數(shù)據(jù)區(qū)共享數(shù)據(jù)，通過線程的同步和互斥等技術的使用，可解決共享數(shù)據(jù)的保護問題。
在該系統(tǒng)中，上位監(jiān)控計算機啟動后，系統(tǒng)自動加載一個被B&R稱之為“PVI”的系統(tǒng)模塊，同時PVI啟動同封裝在PCC操作系統(tǒng)中的OPC服務器的通信(在本系統(tǒng)中基于TCP/IP協(xié)議)。PVI的核心部分為“PVI manager”，在“PVI manager”中用戶可根據(jù)需要選擇性定義從OPC服務器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。B&RPVI的基本構成(見B&R2005 User’s Manual，2004)如圖3所示。
圖3 PVI 基本構成
3.2 組態(tài)程序設計
該系統(tǒng)的組態(tài)程序采用北京亞控“組態(tài)王6.03”設計。“組態(tài)王6.03”有比較完善的報警和事件系統(tǒng)、報表系統(tǒng)及支持Windows標準的Active X控件，同時全面支持OPC標準，可以通過PVI很方便地實現(xiàn)同PCC OPC Server的數(shù)據(jù)共享，完成諸如開關量監(jiān)視記錄和事件順序記錄、事故追憶和故障錄波、自動發(fā)電控制(AGC) 、自動電壓控制(AVC)等監(jiān)控功能。
4 結語
本文結合發(fā)展迅速的PCC技術，介紹了一種新型高效的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于B&R2005系列PCC，在以最小二乘法對機組模擬量進行濾波的基礎上，實現(xiàn)了機組的各種控制與保護功能，并基于幀驅動器以及OPC Server實現(xiàn)了PCC控制系統(tǒng)同外部智能設備及上位機的通信，組成了一個較先進的適用于中小型水電站的開放式監(jiān)控系統(tǒng)。
該監(jiān)控系統(tǒng)自現(xiàn)場安裝調試完畢至今，已安全可靠地穩(wěn)定運行了將近1年。PCC可能將會依靠其強大的性能逐漸取代PLC，成為水電廠自動化改造中不可或缺的一部分。