基于PLC的水電機組狀態監測系統在廣州蓄能水電廠的應用

李昌俊

（廣州蓄能水電廠，廣東 從化 510950）

基于PLC的水電機組狀態監測系統在廣州蓄能水電廠的應用

李昌俊

（廣州蓄能水電廠，廣東 從化 510950）

通過對水電機組的狀態監測及診斷系統的原理及研究現狀進行了研究，以廣州蓄能水電廠的狀態監測及診斷系統為例，從狀態監測系統項目的選擇、系統組成結構、功能應用等方面進行了分析，同時對該系統對機組檢修所起到的效果進行了探討。

狀態監測系統；PLC

水電廠機組狀態監測與診斷系統為快速推廣應用“無人值班、狀態檢修”的現代水電管理理念打下了有力的基礎，在世界范圍內均得到了廣泛的應用。本文通過廣州蓄能水電廠的狀態監測與診斷系統開發、應用的案例，從狀態監測系統項目的選擇、系統組成結構、功能應用等方面進行分析，探索該系統在機組檢修中的應用效果。

（一）機組狀態監測系統的基本原理

水電廠機組狀態監測與診斷系統是利用計算機測控技術的發展，尤其是網絡化遠程通信技術(Internet/Intranet)的發展，通過在水輪發電機組上建立一套機組狀態監測與跟蹤分析系統，實現對主機(包括水輪機和發電機)的在線監測，并將數據上網，使得在計算機網絡可達到的范圍內(包括各主管技術部門、中試所等)，都可有效地對機組狀態進行監測分析。利用在線監測數據和處理結果，綜合MIS、SCADA、計算機監控系統等信息和專家知識，進行故障分析及診斷(包括數據共享和遠方診斷)，實時掌握水輪發電機組健康狀況，為狀態檢修提供輔助決策，并實現與其它系統的信息共享。讀取相應的自動診斷狀態報告，以盡早發現潛伏性故障，提出預警，避免發生嚴重事故，保證機組的安全、經濟運行，提高經濟效益和社會效益。同時促進實施水電廠“無人值班(少人值守)”的管理模式。可見，狀態監測系統的特點是一是開放式，極具靈活性和與其他系統的兼容性，二是智能化，提高分析、診斷的自主性，三是網絡型，基于Internet技術，實現資源共享，四是高可靠性，滿足長期在線監測的目的。

（二）國內外機組狀態監測系統的研究現狀

根據日本的資料統計，以狀態監測和故障診斷技術為基礎的預測性檢修，可使每年的維修費用減少25%～50%，故障停機時間減少75%，其他國家也有類似的統計報道。

在國內，各地區的大中小型水電站也建立了狀態監測系統。例如福建水口水電廠構建的PSTA2003狀態檢測與診斷系統，由上下位機組成，是基于終端采集器和傳感器的數據應用系統；云南漫灣水電站利用 1997~1998年機組自動化元件和監控系統改造的機會，完成了初步的在線監測系統安裝，并于2007年采用第三方公司提供的狀態監測系統進行升級；三峽左岸機組狀態監測趨勢分析系統是基于 WEB瀏覽器建立的。桐柏抽水蓄能電站采用了奧地利VA TECH公司的DIATECH系統作為機組的在線狀態監測和診斷系統。

可以看出，狀態監測系統的常規建立方式一是通過在水輪機和發電機上設置一套完全獨立的監測系統對現有監控系統進行補充完善，二是利用電廠自動化監控系統升級的機會進行改造將狀態監測系統融合到監控系統中。

但是這也帶來了兩個問題。一是采用第三方公司的獨立監測系統需要購買整套系統，在機組設備上布置一套獨立的數據采集終端和傳感器會給設備帶來一定的安全隱患。二是電廠設備設計運行周期長，特別是等待主干設備如監控系統升級需要更長的年限，這就阻礙了尚未達到設備升級時間的電廠建立狀態監測系統的步伐，而采用監控系統擴展方式來建立狀態監測與診斷系統則是給監控系統增加了額外的數據流業務，給系統穩定性帶來一定影響，同時因為連入Internet的數據查詢終端多樣性和不安全性，必須給監控系統采取有效的安全隔離措施。

鑒于水電廠機組的監控系統結構中是由現地單元控制層負責將數據采集終端和傳感器的采集數據通過 PLC上送上位機，因此利用新增PLC從舊PLC中提取數據來建立狀態監測系統的數據通道則可以帶來以下好處：①可靠性，獨立于監控系統采集數據，避免了監控系統 SCADA讀取現地控制單元RTU時、以及從監控系統讀出數據時因通道干擾的發生的數據變化從而讀取錯誤的數據的可能性。②獨立性，狀態監測系統和監控系統 SCADA并行運行，不會對監控系統產生干擾，即使狀態檢測系統離線也不會對機組設備產生任何影響。③安全性，新增的PLC與舊PLC之間通過串口電纜相連，串口通信協議保密性強，能隔離不同網段的病毒互相傳播，將新舊PLC之間的網段和新PLC與狀態監測系統之間的網段設為不同網段，就能夠很好地滿足電力信息系統的安全性要求。④成本低，在現有設備基礎上做的改動很小，且新增的 PLC能提供備品及其他升級改造用途。

（三）廣州蓄能水電廠機組狀態監測系統的改造方法

廣州蓄能水電廠 B廠的計算機監控系統是以數據總線為通信介質，能遠程監控、自動運行的智能型分層分布的開放式控制系統。整個系統由調度層LDC、中控室層SCADA和單元控制層 RTU組成。它使用了德國西門子的一整套設備和檢測系統對發電機組運行狀態進行監視，現場發電機組的模擬量數據采用S5系列PLC進行數據采集，S5PLC通過CP1430通訊卡連接到OLM模塊。OLM模塊將電纜傳輸轉換成光纖傳輸，通過工業以太網交換機組成了星型的工業以太網絡，主干網用千兆光纖傳輸，監控室計算機采用西門子的 PROKON-LSX監控軟件進行數據監控。

系統架構如圖 1所示，它是一個典型的工業以太網應用方式：

圖1 現有系統架構

可以看出，其數據采集終端和傳感器將機組設備狀態數據上送計算機監控系統采用的是傳統的 C/S架構，其固有的擴展行缺陷不能適應遠程辦公和電廠無人值守作業的需求，員工更希望能在網頁上或者任意一臺辦公網絡上的計算機都能瀏覽到該狀態數據。但廣蓄 B廠監控系統設備升級年限未到無法進行整體升級，同時無法對上位機監控系統進行兼容性擴展，而在機組設備上加裝傳感器建立一套獨立的狀態監測系統有一定的安全隱患，因此最適宜的方法是建立基于PLC的狀態監測系統，其改造方法如下：

在計算機監控系統方面，通過在RTU盤柜內新增S7 PLC，與原有的S5PLC連接通訊，從S5中取得機組運行的狀態數據，再通過局域網，傳送到工控機中運行的 WINCC服務器中并保存到SQL Server數據庫中。采集到的數據發送到辦公網WEB數據庫，員工即可用瀏覽器進行數據監測。

具體接入方式如圖2：

圖2 機組監測系統接入方式

監測系統接入圖中，RTU1～4分別為廣蓄B廠的4臺機組控制盤柜，RTU7為廠用電控制盤柜，RTU10為模擬屏盤柜；每套S7模塊對應一臺機組，負責從對應的西門子S5讀取機組運行狀態信息；S7通過profibus工業總線和S5連接，兩者都需要增加現場總線卡；S7通過增加網卡與工控機連接，運行在工控機中的WINCC可以取到S7中的數據。工控機通過UDP向WEB服務器發送數據，其中經過隔離裝置，可以對病毒進行隔離，防止病毒通過工控機對機組運行產生影響。

（四）基于PLC的狀態監測系統組成及功能應用

廣州蓄能水電廠狀態監測與診斷系統引入了水輪發電機組的振動、擺度、軸瓦溫度、壓力、速度、功率、頻率、流量、開度、閥門位置及線路電壓、電流、開關及刀閘位置、水庫水位等信息。整個系統分為軸瓦溫度監測子系統，振動擺度監測子系統，閥門開關位置監測子系統，機組信息監測子系統，廠用電監測子系統，500kV線路監測子系統，歷史數據診斷查詢子系統和曲線趨勢預警子系統。

自系統投入運行以來，將以往需要人員到廠房現地操作員站上進行數據查詢的工作方式改為在聯網辦公電腦上即可查詢，消除了因人員在操作員站上誤操作而影響機組運行的風險，同時因工作方式的便利性提高了工作效率，員工因查看實時運行數據而發現并解決設備運行隱患的次數大為增加。

對于以往存在的機組軸承瓦溫跳變、振動數據變化較大的問題，通過診斷系統分析圖 3中的峰值抖動分析得出模擬量傳送卡件松動的結論，并據此查找到卡件底座固定螺絲松動的根本原因，消除了由于此類故障模式而導致保護誤動跳機的缺陷。

圖3 機組狀態監測系統監測界面

系統提供的預測報警功能則根據設定值來變化數據顏色提示報警；歷史數據分析功能為檢修人員進行設備故障定位提供了重要的參考依據，縮短了故障查找時間，為電廠的經濟高效運行提供了有效支持。

（五）結語

本文通過分析基于 PLC的機組狀態監測系統的構建方法和實際應用，闡明了狀態監測系統能有效提高電廠綜合自動化水平，實現抽水蓄能電站的遠程辦公及提升“無人值守”的電廠管理原則，在水電廠機組狀態監測系統建設應用方面有重要作用。

[1] 陳湘勻,彭能容.開放式結構的水電廠無人值班計算機監控系統[C].第四屆全國冶金、電力、石油和化工行業自動化技術交流暨“十五”重點推廣產品演示會論文集 2002.

[2] 劉昕.廣州蓄能水電廠 B廠計算機監控系統[M].自動化博覽,2002,19(01).

[3] 虞和濟,等.基于神經網絡的智能診斷[M].冶金工業出版社,2000.

[4] 楊廷勇 施沖.基于神經網絡和專家系統的水電廠狀態監測系統[M].水電廠自動化與大壩監測,2002.

TP273+.5

A

1008-1151(2010)06-0162-02

2009-12-23

李昌俊（1983－），男，廣州蓄能水電廠助理工程師，從事計算機監控系統及自動化設備的檢修和維護。