廖坊水电站计算机监控系统改造的实现

第32卷第3期⒛∞年6月Mechan忆a1&ElectⅡcal T|ⅤoI。32N°.3廖坊水电站计算机监控系统改造的实现(1北京中水科水电科技开发有限公司,北京邓小刚1,赵勇飞1,江 明2,谢常青3100∞8;2.江西廖坊水电站,江西抚少Ⅱ3佴ooo;3.湖南湘江航运建设开发有限公司,湖南长沙4100o5)摘 要:针对廖坊水电站计算机监控系统改造中,新、旧两套不同监控系统的过渡、实施情况,介绍了系统的设计原则、实施方案、硬件构成、软件设计、运行方式等。探讨了厂站层设各与现地控制单元PLC的网络通讯、数据交互、切换方∞E功能的实现等问题。对水电站监控改造中可能出现的问题及解决方式、案进行了讨论。关键词:水电站;计算机监控系统;改造;通讯;PLC;S0[中图分类号:T″刀+。5 文献标识码:B 文章编号△臼2-“87(20O9)∞—00⒛-O3方案可供选择0概述廖坊水利枢纽工程是江西省重点建设项目,为抚河干流中游河道上控制性大(二)型水利枢纽工程,设计安装3台灯泡式贯流lJL组,单机容量165Mw,总装机容量⒆.5Mw。电站三台机组于⒛“年9月全部发电投人商业运行。电站建设期间曾选择了国内某知名厂家的计算机监控系统,但为满足电厂稳定运行的要求,电站方于⒛07年招标进行系统改造。新的监控系统采用北京中水科水电科技开发有限公司研发的H9000水电站计算机监控系统,在改造过程中实现了两套系统的分步实施、平稳过渡。丬系统改造原则廖坊水电站计算机监控系统改造中,由于原系统的硬件设备投运时间较短,本身质量不存在大的问题,因此尽量保留了原有的硬件。为了充分利用以前的硬件设各投资,经论证采用了如下方案:保留原监控系统全部PLC硬件设各和厂站层设各,只改造部分现地控制层硬件设备的方案。系统改造遵循以下设计原则::其一是在改造完成前,运行人员分别在两套系统中分别监视和控制相对应的不同设各,功能逐步转移到新系统中。由于该方式在改造过程中不涉及原监控系统的功能变化,实施过程可以减少交互环节,但在改造完成前存在部分数据在新系统中不能进行蓝控的问题。其二是在改造过程中,通过通讯方式,原监控系统与新监控系统进行数据交互,运行人员可在两套系统中对全厂所有设备进行监视和控制,由于该方案涉及两套监控系统的复杂交互过程,存在着一定的沟通环节与实施问题。目前两种方案都有应用,相比较而言,第二种方案的折零方式应用更为广泛,即新的监控系统通过与原系统通讯的方式获取未改造设备的实时数据,只监视未改造设备的状态,而不进行控制,原雀控系统保留对未改造设各的监视控制功能。最终完成所有功能的转移。根据现场实际情况,廖坊水电站计算机监控系统改造采用第一种方案,因此在监控系统改造期间,采用新旧两套监控系统同时运行的方案,根据机组的检修计划,系统改造与机组检修同步进行,逐步接人新系统,最终实现全系统的改造。(1)计算机监控系统维持原有系统硬件设各基本不变以最大程度节省改造成本(2)采用成熟的、可靠的、标准化的软件、网络结;,3系统硬件构成位SUNBLADE乃Oo服务器、两台ICS C4100系列工控机、∞s及模拟屏改造完成前5套现地控制单元CLCLTl等设各。在计算机监控系统改造中,基本保留了原监控系统包括主机、现地控制单元LCU、网络设各、GPs、返回屏等在内的全部硬件设备。原监控系统采用集交流采样装置、温度巡检仪、原监控系统设备包括三台构和汉HP公司的“化操作系统;(3)各LCU以可编程序控制器及触摸显示屏等构成,PLC直接上网;(4)监控系统对外通讯应符合国家有关部门的自动化系统安全规范(5)人机接卩功能强,操作控制简洁、方便、灵活。;s0E装置三功能一体的微机综合采集装置,该装置在一个功能出现问题时,会导致整个装置上送数据故障,因此相应增加更为稳定的交流采样装置、温度巡检仪、sOE装置来进行收稿日期:⒛09—Os-⒛作者简介;邓小刚,男,工程师,从事水电站计算机监控系统的开发、研制工作。2系统实施方案水电站计算机监控系统的改造,往往是逐步完成的,尤其改造前后采用两套不同的监控系统,必然存在两套监控系统并存的现象,为实现对全厂设备的监视控制,一般有两种第3期张捷:EC61131-3标准在H9000Ⅴ4.0现地LCU中的应用叩语言被称为结构化文本,该语言类似的有效工具之一。于BAsIC编程,利用它可以很方便地建立、编辑和实现复杂的算法,特别在数据处理、计算存储、决策判断、优化算法等涉及描述多种数据类型的变量应用中非常有效。例如,采用sT语言中的循环语句,可以很方便地对一组数据赋值,而使用义数据结构类型数据,这大大地增强了程序的可读性,并保证了结构数据能正确地存取。(6)可柔性地选择编程语言。IEC61131-3有三种图形化语言和两种文本语言,编程人员可根据自己的喜好及实际应用的要求自由地选择这五种语言。一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述。m语言则需要进行N次重复赋值语句的调2 1EC61131-3标准Π应H9000V4.OJ见朔鱼LCU中的应用Uni″用才可以完成对所有变量的赋值工作,大大降低了编程人员的编程效率,同时也大大增加了编程人员的重复性劳动,造成了时间上的浪费。Pro软件是施耐德公司最新开发出来的软件系:统,该软仵完全符合E“113i~s标准,具体表现如下4sT语言在工程中的应用(1)支持对变量类型错误的检测。在对程序进行编写的时候,如果所使用的变量类型错误,或者没有改变量,变量下面会出现红色的波浪线,表示该变量使用错误。用户可以定位该变量并且根据系统提示的变量类型来更改该变量的类型。使用田语言,可以编写出很多功能强大,而且便于使用者使用的软件模块,下面我们就举例说明叩语言的具体应用。例如,客户可能需要一个功能模块,该功能模块主要用于对某些变量的新值与旧值比较,如果新旧值不一致,则将该点的位置与该点产生变化的时间输出到某缓冲区中,(2)支持程序组织单元POU。用户可以设定功能块,并在程序中调用相应的功能块;同时,也可以根据程序功能的要求,将程序分解为各种程序功能块,并且按照具体的时序要求调整各个程序功能块的位置,以达到所需要的功能要求。供其它程序使用。如果采用LD语言来解决该功能需求是非常困难的,首先,新值与旧值的数目不清楚,如果数目发生变化,则需要重新编写程序;其次,很难对新旧值进行比较,因为LD语言只能对单值进行比较,所以,如果比较数目过多,工程人员将会花费大量时间输人比较函数,对变量值一一进行比较,这样做重复劳动过多,同时,很有可能因为工程人员的疲劳而产生错误;最后,与变量比较相类似,工程人员在将所需要的数据送到相应的缓冲区时仍然需要做大量的重复性工作,大大降低了工作效率。对于该程序要求,(3)支持SFC顺序控制流程。用户可以使用sFC按步控制设备的输出以及程序的流程,并且产生控制步时间,并使相应的步有效或无效。(4)支持多任务。用户可以通过设置来产生时阄中断任快速任务、辅助任务以及主任务。使得用务、事件中断任务、户可以在某一中断产生的时候,进入相应的中断程序,完成相应的中断任务,从而可以在精确的时间内执行任务。使用sT语言就可以比较轻松地完成所需功能,首先,我们可以先定义一个数组用来存储每一个扫描周期的最新数据;然后,定义另外一个数组用于存储上一个扫描周期的数据;在程序中利用循环语句比较新、旧数据之间的数值,如果某数组中的新旧值不同,则将该数组的下标取出,作为发生变化点的位置值送到相应的缓冲区中,同时将该扫描周期的时间一并送到缓冲区中等待其它程序的调用。可见使用LD语言很难完成的功能,采用sT语言仅需要几句话就完成了,而且程序结构简单,不容易出现错误,大大提高了工程人员的工作效率。(5)支持数据结构。用户可以像C语言一样,定义数据结构或者数组变量,在程序中调用这些结构及变量可以完成对复杂程序的编写,以及对数据的运算。(6)支持编程语言的选择。用户可以在主任务中使用各种编程语言或者各种语言的综合,也可以在某种编程语言中使用其它编程语言,实现编程语言的分层。例如,可以在DFB块中使用sT语言。3sT语I△言与LD语言的差别LD语言与IEC61131标,在实际工程项目中,自动化工程师一般习惯于使用,语言完成所需要的控制,因为准中的其他语言相比较具有简单、可视化强等优点;而且5结论综上所述,作者通过使用Un灯Pro软件,验证了IEC61131标准可以极大地丰富工程人员的编程方法,大大提高工程人员的工作效率,并且被H∞00Ⅴ4.0现地LCU所采用,具有极其广阔的应用前景。一般的自动化控制程序均为顺序控制,不涉及复杂的功能设计与算法,所以,使用ω语言是工程师完成简单控制第3期邓小刚,等:廖坊水电站计算机监控系统改造的实现代替,以提高系统可靠性。4系统软件设计系统体系结构改造方案及设备配置上,为提高系统的实时性及可靠性,系统采用分层分布式系统结构。监控系统分为厂站层、现地控制单元层两层。厂站层按功能分布,配置为一台工程师工作站、两台通讯工作站,各两台操作员工作站、项功能分布在系统的相关节点上,每个节点严格执行指定的任务和通过系统网络与其它节点进行通讯。系统数据采集处理与控制功能上,监控系统采集、管理各类实时数据,接收电站计算机监控系统以外的其它厂内外系统的数据信'息,对采集的每种数据进行相应的处理,以支持系统完成控制和记录功能。现地控制层按对象分散设置现地控制单元,包括机组LCU、公用及升压站LCU通过自带交换机自成一套独立的现地监视控制单元,经由所在单元LCU配置的现地通讯机UC9410,通过串口采集辅助设各和元件数据佾温度巡检、交流电气量采集、调速器、SOE装置等),与该单元的PLC直接励磁调节器、直流系统、通讯,通过触摸屏及盘柜指示灯及按钮可现地监视控制该LCU设备,同时提升了数据交互的速度和可靠性,现地控制单元对该LCU数据的采集不再依赖于整个网络结构的状态系统层次分明,保证了该现地∝U的独立性和安全性,在上,位机与下位机网络中断时,现地控制单元可对本单元设备进行独立的完全的监视和控制功能。原监控系统采用上位机配置单网络主机,现地LCU为GE公司的9090系列双机热各PLC的方式。常规模式中,计算机监控系统采用冗余快速以太网网络结构配置方案,即监控系统的所有节点分别连接至两个相同或不同的网络上,保证网络结构的冗余,以提高系统可靠及安全性。本方案采用将双机热各PLC的IP地址与上位机配置在同一网段的方式予以实现。在两套PLC主动进行主各切换时,上下位机通过标志位判断主PLC并与之进行数据的采集和命令的发送。为实现上位机可以主动切换主用CPU进行相应处理。针对GELCU等设备,各单元采集控制功能分布在本LCU中。本方案相应加强各层和设各的处理能力,提高各层和整个系统的可靠性,响应速度快,合理分解与协调整个系统的功能。厂站层节点改造方案及设各配置上,两台操作员站改造后以主/热备方式并行工作,负责所有数据的采集、设各的控制,历史数据的维护、处理及完成所有趋势报告和规定的计算,负责用户客户程序运行;工程师站改造后主要用于系统人机接口应用软件的开发,系统仿真、操作人员的培训软件、及系统管理,也具有操作员工作站的功能,必要时,可对电站设备实现监视和控制;调度通讯工作站改造后主要负责向省调、地调传送数据工作等,并预留同远方控制中心等的接口;PLC定义特定数据区,由上位机在发出切换令时将切换标志写入数据区,PLC程序检测到该标志时完成主备CPU切换。6sOE功能实现由于原监控系统LCU控制器采用GE公司的⒇90系列厂内通讯工作站主要提供同返回屏、电度表、直流系统、厂内MIs、保护装置等的通讯。其他系统包括水情、E⒛0系列VO模块,不能配置快速中断开关量采集模块,开人模块不能实现SoE功能。为了完成soE双机热备PLC和并保证分辨率小于1ms,采用北京中水科水电科技开发有限公司自主研发的sOE事件顺序记录装置,该装置特点:以路开关量输入为一块插板偶个),使用、维修和更换非常方便8;现地控制单元改造方案及设各配置上,为提高监控系统”“可靠性,满足无人值班(少人值守)的要求,采用PLC+触摸屏现地人机交互方式。PLC配置冗余的以太网模块,直接与厂站层计算机通讯。各LCU配置串行通讯模块,以实现与各自单元的继电保护、温巡装置、交流电气量采集装置、励磁、调速器、各辅机PLC等现场设备的通讯。监控系统通讯接口改造方案上,为提高与外部系统通讯的可靠性,与外部系统通讯接口按冗余方式设计,即厂内通讯计算机作为调度通讯工作站的备用,当调度通讯工作站故障时,由厂内通讯计算机完成与外部通讯的功能。系统时钟接口改造方案上,上位机部分操作员工作站通过串口接收GPs装置的时钟信号,并在网络上进行广播,实现网络上各个节点计算机的时钟同步。现地各LCU的时钟同步由G\"装置提供脉冲对时信号。测量分辨率可达0.5ms,所有通道确保同一时刻采集;事侔记录缓存容量达2000条;内部时钟精度分辨率达0.1ms。装置通过串行接口提供通讯功能,监控系统现地通讯机UC7⒋0通过通讯采集实时sOE事件记录,并采用UDP方式直接广播,保证数据的实时性。7系统改造的问题及解决方案在水电站监控系统改造过程中容易出现的问题之一是资料的缺失,如前期图纸等往往在现场变更后没有进行更新和记录,导致改造过程中,设各实际情况与图纸不符。其次,上位机部分涉及与众多其它设各进行通讯,包括与各级调度MIS系统、G\"装置、返回屏、电能部门、保护系统、水情系统、计费系统等进行数据交互,往往出现规约和点表缺失的情况,必须通过排查测试进行确认,无形中增加了相应的改造时间与难度。这种情况对电厂在管理上提出了相应要求,在日常维护中必须做好资料的记录更新和保存工作。在改造前必须对原监控系统进行充分了解,分析清楚原(下转第”页)5网络功能实现监控系统改造方案中改变了原网络局部结构,采用按照单元区分的分层分布式链路结构,所有辅助设备和元件与其所在单元的EU直接通信,改变原监控系统中机组辅机PLC先上以太网再返回现地LCU的迂回路由方式。每套现地第3期张煦,等:以太网Vo扫描通信技术在监控系统中的应用再通过LTU的V0模块驱动模拟屏显示。其结构如图2所示。“双CPU热各冗余的配置(下简称两模块双网0,即在每一个主CPU机箱只配置了一块NoE模块。两种配置模式如图3所示。图2单σV双以太网的模式的模拟屏驱动器4双CPU冗余热备方式下的l/O扫描应用及实例4.1在双CPU冗余热备方式下使用I/o扫描当PLC正在运行时,主节点主CPU所在机箱的NOE模块(以下简单称主NOEl通过以太网向从节点发送Modbus读/写请求,并与从节点PLC存储器来回传输数据,主节点备用1.4块NOE的双网2,2模块双网图3双CPt1冗余热备配置下的NOE配置模式由于只有主NoE能够和从节点建立起I/o扫描服务“”两模块双网实际上在任何时候都只有一块NoE进行对从“”节点的扫描。考虑到两模块双网的这一特点,在乐滩程序,CPU所在机箱的NOE模块(以下称各NOEl的VO扫描服务则处于停止状态。当发生主各CPU热各切换时,主NOE通过发送TCMP复位关闭与从节点PLC的所有联接。热各切换完成后,新的主NoE将与从节点PLC重新建立联接,重新启动I/o扫描服务。在此过程中,从前主NOE断开与从节点的连接到当前的主NoE与从节点建立连接的这工段时间里yO扫描服务是中断的。,的设计中,通过检测热各状态字区分主备CPU,确定哪块NoE或者说哪个网段所扫描的数据是有效的。此外,如果从节点也是双机热备的配置,由于热备切换后同一NOE所对应的IP地址会发生变化,此时需要对从节点同一网段的不同IP地址都进行配置。5使用丨/O扫描应注意的问题I/o扫描的使用应有所限制,重要的控制流程不建议使五强溪电厂开关站LCU的配置是双网双CPU冗余热备←块NOE模块),通过2块主NOE向各机组LCU发送Modbus读请求,再分别将两块NOE读取的数据进行或运算得到最后的数据。在Ilo扫描的配置里,对于断链后主节点输入的寄存器内的数据采用了清零处理,因为如果保持最后一次读取结果的话,如果发生网络故障,其中一个NoE不能与从节点建链,当从节点数据发生变化,两块主节点NoE写到寄存器里的数值将会不同,进行或运算后无法得到正确的数据,所以在这种情况下,只有清零才能够保证运算后的数据是正确的。4.21/o扫描实现LCU之间的通讯较之五强溪电厂开关站LCU的双网双σV热各冗余配“”置,广西乐滩水电厂采用了两块NoE模块的两模块双网(上接第⒛页)用yO扫描方式。如果主节点重要的控制流程使用的信息来自从节点,或作为闭锁条件甚至自动流程的触发条件时,当从节点PLC故障时,必然会对主节点相应的控制流程造成影响。两个LCU相互关联后,自然降低了他们之间的独立性。当然,这并不是yO扫描的特性,使用yO扫描或其他通信方式实现LCU之间交换数据,会造成系统中不同单元间的关联性增加,因而在使用当中应当特别注意。正确的使用以太网扫描功能为自动化控制工程带来方便。如本文的实例,在五强溪水电厂计算机监控系统更新改造中,返回屏LTU通过I/o扫描获取各LCU数据,用于返回屏的显示,就是一个成功的应用实例。来可取之处和不足,在改造中保留好的地方,改进不足之处。尤其是一些运行人员喜爱的风格、方式,对电厂一些设各的一些特殊情况,在进行改造实施之前,必须分析清楚,做好准各,做好记录,必须充分了解现场情况,关注细节。改造过程往往还涉及到工期的问题,时间比较紧张,充分的准备措施不可缺少,考虑到可能出现的问题,防患于未然。表明系统改造情况良好。廖坊水电站计算机监控系统改造的成功经验可为其它同类水电站改造提供经验与借鉴。参考文献[刂王德宽,筝H⒇00v⒛水电站综合自动化系统:01亠⒛∞,中国水力发电年鉴l9l赵勇飞,等.\".⒛8结束语廖坊水电站监控系统改造工程于⒛07年11月开始实施,至⒛08年3月完成了三台机组、开关站、公用LCU,以及上位机监控、通讯等全部软件的改造工作。目前的稳定运行PLC及变频调速技术在泵站恒压供水中的应.用D].工业仪表与自动化装置,⒛∝,⑷lsl刘晓波-等.白山梯级水电厂计算机监控系统升级改造lAl.水力发电技术国际会议论文集(第1集)lC].2006\"田