摘  要： 介紹了佛子嶺水電站監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能及其特點，佛子嶺水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)滿足了電站按“無人值班”(少人值守)模式運行管理的需要，實現(xiàn)了遠方通信的功能。系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計，代表了國內(nèi)水電站監(jiān)控系統(tǒng)的主流設(shè)計趨勢。并且在保證可靠性的前提下，充分滿足水電站各方面信號實時性的要求。
關(guān)鍵詞： 計算機監(jiān)控系統(tǒng)；遠程監(jiān)控；無人值守；分層分布；佛子嶺水電站

　佛子嶺水電站建成于1954年，共裝有8臺水輪發(fā)電機組，總裝機容量6.1萬千瓦，在安徽電網(wǎng)中主要擔(dān)任調(diào)峰和事故備用。其中的6#和7#發(fā)電機組在上世紀(jì)80年代投入運行，主要是SIEMENS S7-200系統(tǒng)，并且無上位機監(jiān)控，自動化程度較差，運行維護需要投入的人力物力多。遂與合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院合作，改造6#和7#機組的運行監(jiān)控系統(tǒng)。
　電站按“無人值班”(少人值守)集控中心遠方監(jiān)控設(shè)計原則下，采用德國SIEMENS 公司的S7-300PLC為基礎(chǔ)的監(jiān)控方式。系統(tǒng)采用Advantech工控機、德國SIEMENS公司的S7-300 PLC和WinCC/KingView組態(tài)軟件，為用戶提供可靠、穩(wěn)定和先進的遠程監(jiān)控解決方案。
1 水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用分層、分布、開放的模式，主要由監(jiān)控管理層(中央監(jiān)控室)、現(xiàn)地控制層、保護室三部分構(gòu)成。通信協(xié)議選用TCP/IP協(xié)議，所有工控機均選用Windows XP系統(tǒng)。
　水電站計算機發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　(1)監(jiān)控管理層(中央控制室)
　中央監(jiān)控室層負(fù)責(zé)對所有工藝狀況的集中監(jiān)視和協(xié)調(diào)控制，并分析、記錄和顯示被控工藝段的主要生產(chǎn)工藝的流程以及相關(guān)生產(chǎn)過程參數(shù)及參數(shù)所處狀態(tài)等，以實現(xiàn)水電廠生產(chǎn)過程的綜合控制。中央監(jiān)控室配置兩臺工控機，采用一用一備的原則，如果其中一臺出現(xiàn)故障，另外一臺可以確保系統(tǒng)正常工作。中央控制器的工控機上采用KingView組態(tài)軟件，在KingView上監(jiān)控整個水電站的生產(chǎn)過程、運行狀況以及報警處理。
　投入運行后，KingView是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集處理中心、遠程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，監(jiān)控組態(tài)軟件與各種控制、檢測設(shè)備(如PLC、智能儀表等)共同構(gòu)成快速響應(yīng)控制中心。運行人員可以隨時查看機組運行的實時數(shù)據(jù)以及流程畫面，實時監(jiān)測現(xiàn)場各個實時趨勢畫面；系統(tǒng)自動記錄并保存各種實時數(shù)據(jù)，具有報警功能并能及時得到并處理各種報警過程；在需要時，可人為干預(yù)工作過程，修改水電生產(chǎn)參數(shù)和狀態(tài)。同時也大大加強了監(jiān)控系統(tǒng)控制級與現(xiàn)地級的信息交互性。
　(2)現(xiàn)地控制層
　現(xiàn)地控制層直接控制工藝流程，包括一些重要的生產(chǎn)設(shè)備的運行，獨立完成控制和數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)地控制層采用分布方式，即現(xiàn)地控制層依據(jù)現(xiàn)場設(shè)備分成一個小單元，每個單元建立一個相對獨立的LCU。在該水電站監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場分為6#和7#兩個機組，對每臺機組設(shè)立一個LCU，另外一些輔助系統(tǒng)(如油系統(tǒng)、水系統(tǒng)和氣系統(tǒng)等)也單獨設(shè)立一個LCU。
　每一個LCU的結(jié)構(gòu)模式如圖2所示。這種模式通過工控機來進行數(shù)據(jù)處理和底層通信等功能。但是這種模式也存在一個缺點，就是當(dāng)工控機出現(xiàn)問題時，將會導(dǎo)致LCU單元與中央控制室失去聯(lián)系。解決的辦法就是采用冗余的方式，在系統(tǒng)中備用一臺完全相同的工控機。

　由圖1可知：
?、侔l(fā)電機組的監(jiān)控采用SIEMENS S7-300PLC作為控制器，主要監(jiān)控水輪機等發(fā)電設(shè)備的開機和停機過程，并控制同期裝置，實現(xiàn)自動同期上網(wǎng)。
?、诂F(xiàn)場同樣為每臺機組配置一臺工控機，現(xiàn)場工控機上采用WinCC組態(tài)軟件，工控機作為現(xiàn)地人機聯(lián)系接口，可顯示開停機流程、數(shù)據(jù)庫一覽表等畫面。
?、郯l(fā)電機定子溫度等模擬量由18路溫度巡檢表檢測并通過485總線傳送給現(xiàn)場控制層的工控機，在組態(tài)軟件WinCC上顯示出來。
　④其他一些輔助系統(tǒng)，則采用SIEMENS的S7-200系統(tǒng)，數(shù)據(jù)同樣傳送上位機中的組態(tài)軟件WinCC。
　(3)保護室
保護室只配置一臺工控機，工控機上采用組態(tài)軟件WinCC，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控發(fā)電機組的運行狀況，并且在出現(xiàn)故障時進行及時的緊急處理。
2 水電站的通信網(wǎng)絡(luò)
　(1)OPC技術(shù)(監(jiān)控管理層與現(xiàn)地控制層之間的通信)
由于采用分布控制、集中監(jiān)視，所以中央監(jiān)控室一般與控制現(xiàn)場之間距離較遠。為了保證通信的質(zhì)量、保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及監(jiān)控的及時性，在中央控制室之間采用光纖作為介質(zhì)。
　在本項目中，控制室與現(xiàn)場之間的通信主要是Windows程序間的通信，即控制室KingView軟件與現(xiàn)場WinCC軟件之間的通信。由于距離遠，信息量大，且要求的速度性、可靠性高，這就對通信質(zhì)量提出了較高的要求。
　對象鏈接與嵌入技術(shù)(OPC)，由于通信穩(wěn)定，信號傳輸速度快，適于大批量數(shù)據(jù)交換，已經(jīng)成為新的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)。OPC技術(shù)的本質(zhì)是Microsoft的COM/DCOM技術(shù)，COM為基于Window的程序提供統(tǒng)一的、可擴充的通信協(xié)議；DCOM是COM在分布式計算領(lǐng)域的擴展，使COM支持在局域網(wǎng)上不同計算機的對象之間的通信[1]。因此選用OPC通信標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)中央控制室與現(xiàn)地控制層之間的數(shù)據(jù)傳輸。OPC通信結(jié)構(gòu)如圖3所示，在本系統(tǒng)中，將現(xiàn)場工控機上的WinCC作為服務(wù)器，采集現(xiàn)地控制層的數(shù)據(jù)；中央監(jiān)控室工控機上的KingView作為客戶，接收服務(wù)器(WinCC)傳來的數(shù)據(jù)并將控制信號傳輸給服務(wù)器(WinCC)來控制現(xiàn)場設(shè)備。

　(2)現(xiàn)地控制層網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)地控制層采用Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)為現(xiàn)場總線。由于6#機組和7#機組以及各LCU之間距離很近，所以現(xiàn)場各工控機、PLC之間采用雙絞線為介質(zhì)，通過交換機組建一個局域網(wǎng)。
　(3)保護室與現(xiàn)地控制層之間的通信
　保護室是為了對現(xiàn)場出現(xiàn)報警等狀況，需要到現(xiàn)場處理時，能夠迅速做出反應(yīng)，對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度以及可控性要求不高。而且由于離現(xiàn)場不遠，所以用一根雙絞線直接將保護室的工控機連到現(xiàn)場的局域網(wǎng)中。
3 監(jiān)控系統(tǒng)功能與特點
　(1)應(yīng)用了基于DCS的計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件
應(yīng)用基于DCS的計算機系統(tǒng)監(jiān)控軟件(如S7-300的編程軟件)、KingView和WinCC組態(tài)軟件，使用戶輕松掌握計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)，極大地提高了運行、維護人員對監(jiān)控系統(tǒng)的使用、維護和二次開發(fā)的便利性，大大減輕了維護工作量；使系統(tǒng)不僅滿足目前的應(yīng)用需求，還可以根據(jù)將來的需求進行擴展；提高了系統(tǒng)的可用性、可維護性、可擴展性和可靠性。
　(2)輔助系統(tǒng)設(shè)立獨立的現(xiàn)場控制模塊
　現(xiàn)場控制層設(shè)立獨立的輔助系統(tǒng)控制模塊。如油系統(tǒng)、氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，采用獨立的控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸給主系統(tǒng)。若中央控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，只會造成控制室內(nèi)無法顯示數(shù)據(jù)，但是不會影響到系統(tǒng)的正常工作；同時，若某獨立系統(tǒng)出錯，也不會影響整個系統(tǒng)的運行，提高了系統(tǒng)的可靠性。
　(3)人機對話界面友好
　在監(jiān)控管理層(中央控制室)中采用KingView，在現(xiàn)場控制層中采用WinCC組態(tài)軟件，監(jiān)控畫面直觀地表達出生產(chǎn)過程，能夠?qū)崟r地顯示數(shù)據(jù)，并且能實時多任務(wù)、使用靈活、功能多樣、運行可靠。而且接口開放，易于擴展，二次開發(fā)容易。另外，在依照現(xiàn)場工作人員要求多次修改畫面后，工作人員對畫面更加熟悉、親切、易于操作。
　(4)與現(xiàn)場原有獨立的控制單元實現(xiàn)通信
　由于水電站監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜性，很多控制單元，如調(diào)速器、水輪機的溫度等都是現(xiàn)場控制的，沒有實現(xiàn)中央集中監(jiān)控，給運行維護帶來了極大的不便。而本文的這套系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線以及OPC通信協(xié)議，與現(xiàn)場各獨立的控制單元都能實現(xiàn)通信，可以采集數(shù)據(jù)以及發(fā)出控制指令，從而可以在控制室內(nèi)實現(xiàn)集中監(jiān)控。
　(5)通過104規(guī)約與升壓站進行通信
　水電站發(fā)電主要分為發(fā)電機組和升壓站兩個重要部分。本文系統(tǒng)主要是針對生產(chǎn)工藝，即對發(fā)電機組相關(guān)的監(jiān)控。但是為了讓工作人員更加方便地監(jiān)視整個水電站發(fā)電的工作狀況，本設(shè)計采用通過電力系統(tǒng)104規(guī)約與升壓站進行通信，將升壓站的數(shù)據(jù)實時顯示在同一套監(jiān)控設(shè)備上，即同一臺工控機上。并將這些監(jiān)控畫面顯示在同一套監(jiān)控軟件中，這樣工作人員只需要操作一臺設(shè)備就可以監(jiān)視整個水電站發(fā)電的工作狀況，給工作人員的操作帶來了極大的便利。
　(6)自診斷功能
　現(xiàn)地控制單元配置了完備的硬件及軟件診斷功能。PLC具有自診斷功能，可以及時發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)中的故障，以便采取措施并加以排除，從而提高了水電站監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，保證了電站設(shè)備的安全運行。
　本文提出的佛子嶺水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，解決了電站現(xiàn)場運行的可視化及集中監(jiān)控問題。系統(tǒng)在保證可靠安全的前提下，完全按照冗余化和開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)合理、功能完善。整個水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)水電廠生產(chǎn)過程的自動化控制和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的綜合管理，從而達到保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善企業(yè)管理水平等目的。
參考文獻
[1] 顧紀(jì)銘.OPC技術(shù)在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].南京：河海大學(xué)計算機及信息工程學(xué)院，2007.