基于PCC的水电站计算机监控系统设计

2012-03-12 09:00:58来源: 互联网 关键字:PCC  水电站  计算机  监控系统
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。

  

一种基于PCC的水电站计算机监控系统设计

 

  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。

  

一种基于PCC的水电站计算机监控系统设计

 

  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。

  

一种基于PCC的水电站计算机监控系统设计

 

  因为ε是a,b的函数,用求极值的方法可知应满足:

  

一种基于PCC的水电站计算机监控系统设计

 

  解出a,b:

  

一种基于PCC的水电站计算机监控系统设计

 

  则:

  

一种基于PCC的水电站计算机监控系统设计

 

  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:

  

一种基于PCC的水电站计算机监控系统设计
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:

  

一种基于PCC的水电站计算机监控系统设计

 

  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。

  

一种基于PCC的水电站计算机监控系统设计

 

  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。

关键字:PCC  水电站  计算机  监控系统

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0312/article_14981.html
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