佛子嶺水電站計算機監控系統的設計與應用

王華強 ，姚 亮 ，楊滁光

(1.合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽安利合成革股份有限公司，安徽 合肥 231202)

佛子嶺水電站建成于1954年，共裝有8臺水輪發電機組，總裝機容量6.1萬千瓦，在安徽電網中主要擔任調峰和事故備用。其中的6#和7#發電機組在上世紀80年代投入運行，主要是SIEMENS S7-200系統，并且無上位機監控，自動化程度較差，運行維護需要投入的人力物力多。遂與合肥工業大學電氣與自動化工程學院合作，改造6#和7#機組的運行監控系統。

電站按“無人值班”(少人值守)集控中心遠方監控設計原則下，采用德國SIEMENS公司的S7-300PLC為基礎的監控方式。系統采用Advantech工控機、德國SIEMENS公司的S7-300 PLC和WinCC/KingView組態軟件，為用戶提供可靠、穩定和先進的遠程監控解決方案。

1 水電站監控系統結構

水電站計算機監控系統采用分層、分布、開放的模式，主要由監控管理層(中央監控室)、現地控制層、保護室三部分構成。通信協議選用TCP/IP協議，所有工控機均選用Windows XP系統。

水電站計算機發電機組監控系統的系統結構如圖1所示。

(1)監控管理層(中央控制室)

中央監控室層負責對所有工藝狀況的集中監視和協調控制，并分析、記錄和顯示被控工藝段的主要生產工藝的流程以及相關生產過程參數及參數所處狀態等，以實現水電廠生產過程的綜合控制。中央監控室配置兩臺工控機，采用一用一備的原則，如果其中一臺出現故障，另外一臺可以確保系統正常工作。中央控制器的工控機上采用KingView組態軟件，在KingView上監控整個水電站的生產過程、運行狀況以及報警處理。

圖1 發電機組監控系統結構圖

投入運行后，KingView是系統的數據收集處理中心、遠程監視中心和數據轉發中心，監控組態軟件與各種控制、檢測設備(如PLC、智能儀表等)共同構成快速響應控制中心。運行人員可以隨時查看機組運行的實時數據以及流程畫面，實時監測現場各個實時趨勢畫面；系統自動記錄并保存各種實時數據，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，可人為干預工作過程，修改水電生產參數和狀態。同時也大大加強了監控系統控制級與現地級的信息交互性。

(2)現地控制層

現地控制層直接控制工藝流程，包括一些重要的生產設備的運行，獨立完成控制和數據采集。現地控制層采用分布方式，即現地控制層依據現場設備分成一個小單元，每個單元建立一個相對獨立的LCU。在該水電站監控系統中，現場分為6#和7#兩個機組，對每臺機組設立一個LCU，另外一些輔助系統(如油系統、水系統和氣系統等)也單獨設立一個LCU。

每一個LCU的結構模式如圖2所示。這種模式通過工控機來進行數據處理和底層通信等功能。但是這種模式也存在一個缺點，就是當工控機出現問題時，將會導致LCU單元與中央控制室失去聯系。解決的辦法就是采用冗余的方式，在系統中備用一臺完全相同的工控機。

由圖1可知：

①發電機組的監控采用SIEMENS S7-300PLC作為控制器，主要監控水輪機等發電設備的開機和停機過程，并控制同期裝置，實現自動同期上網。

②現場同樣為每臺機組配置一臺工控機，現場工控機上采用WinCC組態軟件，工控機作為現地人機聯系接口，可顯示開停機流程、數據庫一覽表等畫面。

③發電機定子溫度等模擬量由18路溫度巡檢表檢測并通過485總線傳送給現場控制層的工控機，在組態軟件WinCC上顯示出來。

④其他一些輔助系統，則采用SIEMENS的S7-200系統，數據同樣傳送上位機中的組態軟件WinCC。

(3)保護室

保護室只配置一臺工控機，工控機上采用組態軟件WinCC，主要負責監控發電機組的運行狀況，并且在出現故障時進行及時的緊急處理。

圖2 LCU+工控機模式

2 水電站的通信網絡

(1)OPC技術(監控管理層與現地控制層之間的通信)

由于采用分布控制、集中監視，所以中央監控室一般與控制現場之間距離較遠。為了保證通信的質量、保證數據的準確性以及監控的及時性，在中央控制室之間采用光纖作為介質。

在本項目中，控制室與現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，這就對通信質量提出了較高的要求。

(2)現地控制層網絡

現地控制層采用Ethernet/IP工業以太網為現場總線。由于6#機組和7#機組以及各LCU之間距離很近，所以現場各工控機、PLC之間采用雙絞線為介質，通過交換機組建一個局域網。

(3)保護室與現地控制層之間的通信

圖3 OPC通信結構

保護室是為了對現場出現報警等狀況，需要到現場處理時，能夠迅速做出反應，對數據的準確度以及可控性要求不高。而且由于離現場不遠，所以用一根雙絞線直接將保護室的工控機連到現場的局域網中。

3 監控系統功能與特點

(1)應用了基于DCS的計算機監控系統軟件

應用基于DCS的計算機系統監控軟件 (如S7-300的編程軟件)、KingView和WinCC組態軟件，使用戶輕松掌握計算機監控系統技術，極大地提高了運行、維護人員對監控系統的使用、維護和二次開發的便利性，大大減輕了維護工作量；使系統不僅滿足目前的應用需求，還可以根據將來的需求進行擴展；提高了系統的可用性、可維護性、可擴展性和可靠性。

(2)輔助系統設立獨立的現場控制模塊

1.本科生對本專業的滿意情況對其是否選擇考研行為有一定影響。在選擇考研的學生中，對本專業的滿意率是51.15%；對于考研所報考的專業，56.6%的學生選擇了“當前熱門專業”；32.2%的學生“不喜歡本科學校或專業，希望通過考研來選擇自己滿意的學校或專業”。在不選擇考研的學生中，對本專業的滿意率達到了90%，遠高于選擇考研的學生。

現場控制層設立獨立的輔助系統控制模塊。如油系統、氣系統、水系統等輔助系統，采用獨立的控制系統，通過現場工業以太網通信的方式將數據傳輸給主系統。若中央控制系統出現問題，只會造成控制室內無法顯示數據，但是不會影響到系統的正常工作；同時，若某獨立系統出錯，也不會影響整個系統的運行，提高了系統的可靠性。

(3)人機對話界面友好

在監控管理層(中央控制室)中采用 KingView，在現場控制層中采用WinCC組態軟件，監控畫面直觀地表達出生產過程，能夠實時地顯示數據，并且能實時多任務、使用靈活、功能多樣、運行可靠。而且接口開放，易于擴展，二次開發容易。另外，在依照現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)與現場原有獨立的控制單元實現通信

由于水電站監控系統的復雜性，很多控制單元，如調速器、水輪機的溫度等都是現場控制的，沒有實現中央集中監控，給運行維護帶來了極大的不便。而本文的這套系統通過現場總線以及OPC通信協議，與現場各獨立的控制單元都能實現通信，可以采集數據以及發出控制指令，從而可以在控制室內實現集中監控。

(5)通過104規約與升壓站進行通信

水電站發電主要分為發電機組和升壓站兩個重要部分。本文系統主要是針對生產工藝，即對發電機組相關的監控。但是為了讓工作人員更加方便地監視整個水電站發電的工作狀況，本設計采用通過電力系統104規約與升壓站進行通信，將升壓站的數據實時顯示在同一套監控設備上，即同一臺工控機上。并將這些監控畫面顯示在同一套監控軟件中，這樣工作人員只需要操作一臺設備就可以監視整個水電站發電的工作狀況，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，可以及時發現控制系統中的故障，以便采取措施并加以排除，從而提高了水電站監控系統的可靠性，保證了電站設備的安全運行。

本文提出的佛子嶺水電站監控系統設計方案，解決了電站現場運行的可視化及集中監控問題。系統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結構設計，技術先進、結構合理、功能完善。整個水電廠計算機監控系統可以實現水電廠生產過程的自動化控制和生產數據的綜合管理，從而達到保證產品質量，提高生產效率，改善企業管理水平等目的。

[1]顧紀銘.OPC技術在水電站監控系統中的應用研究[D].南京：河海大學計算機及信息工程學院，2007.