引言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 電網(wǎng)容量和用電負(fù)荷的日益增長(zhǎng), 電力系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化和可靠性的要求越來(lái)越高。電力系統(tǒng)自動(dòng)化對(duì)可靠性的需求, 使人們注意到“PLC” (可編程邏輯控制器) 這種高可靠性和強(qiáng)抗工業(yè)干擾的技術(shù)。90 年代以來(lái), PLC 發(fā)展迅猛且應(yīng)用的局域網(wǎng)技術(shù)日趨成熟, 產(chǎn)品不斷向系列化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展, 在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中, 新一代的PLC改名為PCC 已逐漸躍居主導(dǎo)地位, 成為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的關(guān)鍵技術(shù), 在電力系統(tǒng)也不例外。
PCC( Programmable Computer Controller) 是一種可編程計(jì)算機(jī)控制器, 它是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)計(jì)算機(jī), 采用“面向用戶的指令” , 因此編程方便；它直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境, 具有更強(qiáng)的抗干擾能力、更高的可靠性、廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍；大容量的存儲(chǔ)能力、標(biāo)準(zhǔn)通信接口, 基于過(guò)程總線的系統(tǒng)互聯(lián)、高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境,自診斷能力, 都使得PCC 在電力系統(tǒng)的應(yīng)用具備了出色的友好“平臺(tái)”。
1. PCC 系統(tǒng)CPU的特點(diǎn)
繼承了PLC 與微機(jī)技術(shù)的PCC 技術(shù)形成第一代自動(dòng)化軟硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu), 采用32 位CISC 和RISC 的CPU, 多處理器結(jié)構(gòu)。圖1為本系統(tǒng)所用的CPU 模塊結(jié)構(gòu)。圖中除了主CPU 外, I/ O – Processor 即I/ O 處理器主要負(fù)責(zé)獨(dú)立于CPU的數(shù)據(jù)傳輸工作。DPR - Controller 即雙向口控制器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的管理。一個(gè)模塊上的3 個(gè)處理器,既相互獨(dú)立, 又相互關(guān)聯(lián)(通過(guò)DPR) , 從而使主CPU 的資源得到了合理使用, 同時(shí)又最大限度地提高了整個(gè)系統(tǒng)的速度。
圖1 CPU模塊結(jié)構(gòu)
2. PCC 在發(fā)電廠監(jiān)控中的應(yīng)用
以某熱電廠機(jī)組設(shè)備改造為例, 介紹應(yīng)用PCC 實(shí)現(xiàn)的智能分布式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。該熱電廠有大小機(jī)組7 臺(tái), 裝機(jī)容量194 MW, 現(xiàn)準(zhǔn)備對(duì)主要的4～5 號(hào)機(jī)及整個(gè)電氣系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)改造。
2.1 設(shè)計(jì)原則
系統(tǒng)按分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 采用開(kāi)放系統(tǒng)、分層控制等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想, 將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、圖形和圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起, 技術(shù)成熟, 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富, 能夠滿足近期的功能要求和遠(yuǎn)期的發(fā)展需要。整個(gè)設(shè)計(jì)遵照國(guó)際90 年代IEC1000 系列標(biāo)準(zhǔn), 滿足ISO9001 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
(1) 整個(gè)系統(tǒng)分為5 個(gè)采集控制站, 計(jì)有4 號(hào)機(jī)組監(jiān)控、5 號(hào)機(jī)組監(jiān)控、35 kV 出線監(jiān)控、同期控制、01/ 1～3 號(hào)機(jī)/ 6 kV 監(jiān)控。兩個(gè)操作員工作站。
(2) 通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器( KFD) 、發(fā)電機(jī)有功進(jìn)行遙調(diào)。在4、5 號(hào)機(jī)控制屏上設(shè)有手操有功調(diào)節(jié)和KFD 無(wú)功調(diào)節(jié)及與汽機(jī)聯(lián)系指揮信號(hào)。
(3) 不含同期點(diǎn)的出線, 原控制回路取消, 采用計(jì)算機(jī)控制。含有同期點(diǎn)的出線, 應(yīng)用成熟的計(jì)算機(jī)同期裝置, 采用計(jì)算機(jī)控制。
(4) 事故音響, 預(yù)告信號(hào)原回路取消, 功能由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
(5) 廠用電BZT功能由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn), 對(duì)4、5號(hào)機(jī)強(qiáng)行勵(lì)磁及主變風(fēng)扇啟動(dòng)控制均由計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行判別控制。
2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)配置如圖2 所示。
圖2 系統(tǒng)配置框圖
2.3 系統(tǒng)管理層
操作員工作站、工程師工作站和通訊服務(wù)器組成智能分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的管理層。管理層通過(guò)PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)與5 個(gè)PCC 采集控制單元相連, 各工作站和服務(wù)器分別相當(dāng)于PROFIBUS 網(wǎng)上的一個(gè)獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)。管理層采用多機(jī)及雙網(wǎng)絡(luò)方式運(yùn)行, 各工作站及通訊服務(wù)器之間還組成一個(gè)小的局域以太網(wǎng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與共享, 互為備用, 提高了系統(tǒng)的可靠性; 軟件平臺(tái)采用32 位多任務(wù)、多進(jìn)程設(shè)計(jì), 可支持Windows95/ 98/ NT操作系統(tǒng)軟件, 配有多種應(yīng)用軟件接口, 并支持OEM開(kāi)發(fā), 為用戶提供了二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)； 硬件平臺(tái)可采用小型機(jī)、微型機(jī)或工作站等設(shè)備。
通訊服務(wù)器完成與地調(diào)、模擬盤、GPS 天文時(shí)鐘接收裝置以及電廠已有的幾臺(tái)RTU 設(shè)備的通信；還通過(guò)HUB 與該廠的MIS 網(wǎng)相連, 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)結(jié)合在一起, 實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)信息的管理。若用戶具備與Internet 連接的條件, 管理層還可以提供PVI 瀏覽器方案, 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方讀取數(shù)據(jù)。
2.4 系統(tǒng)控制層
PROFIBUS 網(wǎng)上的各采集控制單元組成智能分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制層?？刂茖影凑諜C(jī)組或線路等監(jiān)控對(duì)象的不同分別組屏, 可以使各單元組合置于過(guò)程對(duì)象附近, 減少電纜投資。各監(jiān)控單元分別完成相應(yīng)監(jiān)控對(duì)象的模擬量、數(shù)字量采集以及數(shù)字量的輸出控制。模擬量采集采用交流采樣。系統(tǒng)具有可擴(kuò)充的模塊化結(jié)構(gòu), 電源、CPU、網(wǎng)絡(luò)板、I/ O 板、模擬量輸入板、通訊板等都是獨(dú)立的模板以總線方式連接在底板上, 它取代了標(biāo)準(zhǔn)的框架裝配的局限性, 可在標(biāo)準(zhǔn)的DIN 軌道上任意拆裝、組合。每個(gè)單元都有一電源模塊。系統(tǒng)電源是系統(tǒng)可靠性與完整性的第一保證, PCC 的輸入電壓有AC、DC兩種, 可實(shí)現(xiàn)交/ 直流切換。系統(tǒng)配有當(dāng)?shù)卣{(diào)試通信口, 便于對(duì)不同的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備進(jìn)行跟蹤與調(diào)試, 方便了參數(shù)設(shè)置及運(yùn)行監(jiān)視的維護(hù)。帶電插拔采集板件使得現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)變得簡(jiǎn)單方便。在軟件支撐環(huán)境方面, PCC 采用高級(jí)語(yǔ)言編程, 為用戶提供透明的服務(wù)接口, 同時(shí), 也支持直流采樣, 使得功能實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)增容都十分方便靈活。
操作系統(tǒng)為實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng), 在操作系統(tǒng)中一個(gè)任務(wù)的循環(huán)周期可根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)確定。操作系統(tǒng)主要分三層:
(1) 操作系統(tǒng)核。
(2) PCC 軟件包。包括: 系統(tǒng)管理、系統(tǒng)任務(wù)、功能庫(kù)、一般任務(wù)、高速任務(wù)級(jí)、通訊軟件。
(3) 應(yīng)用程序。包括: 循環(huán)任務(wù)、非循環(huán)任務(wù)。操作系統(tǒng)為保證系統(tǒng)的高可靠性提供了監(jiān)視和安全的功能, 包括: 模塊檢測(cè)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)檢測(cè)、棧溢出檢測(cè)、I/ O 數(shù)據(jù)傳輸檢測(cè)、循環(huán)周期檢測(cè)、硬件看門狗等。
由于PCC 的CPU 采用68000 + RISC 的32 位微處理器, 具有極強(qiáng)的運(yùn)算處理能力, 可使大量運(yùn)算、控制功能、保護(hù)功能分散在各智能單元, 大大提高了站內(nèi)通信網(wǎng)的利用率, 使整個(gè)系統(tǒng)效率達(dá)到最高。另外, 系統(tǒng)軟硬件方面良好的自診斷功能,可把故障范圍減至最小。
2.5 現(xiàn)場(chǎng)層
智能分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的外圍層為現(xiàn)場(chǎng)層, 包括采集層使用的傳感器、二次控制回路等。現(xiàn)場(chǎng)層根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快( ≥500kbps) , 軟硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的特點(diǎn), 可以用CANBUS(或RS485) 來(lái)連接廠內(nèi)的其他自動(dòng)化裝置如保護(hù)單元、故障錄波、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備等的主干網(wǎng), 并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)連接到采集層, 與上一層進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)通訊。
2.6 網(wǎng)絡(luò)通信
采用的PROFIBUS( Process Field Bus) 網(wǎng)絡(luò)是一種高速數(shù)據(jù)鏈路, 是具有標(biāo)準(zhǔn)通訊能力的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線, 用于PCC 與PCC 之間, 或與其它接到本網(wǎng)絡(luò)上的智能設(shè)備(如顯示單元、上位機(jī)等) 間傳送數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)。PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)作為傳輸速度最快的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線(500 kbit/ s～10 Mbit/ s) , 物理連接方式簡(jiǎn)單, 既可以用雙芯屏蔽通訊電纜, 也可以用光纖等；多主多從的“Peer To Peer”方式, 采用Token Ring 結(jié)構(gòu), 網(wǎng)上最多可連入多達(dá)128 個(gè)結(jié)點(diǎn), 最大傳輸距離達(dá)4800 m； 與第三方系統(tǒng)通訊方便, 兼容性能；可任意的增加和刪除網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn),而對(duì)其他結(jié)點(diǎn)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有影響, 可靠性高。PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議符合德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245。系統(tǒng)的CPU 模塊、專用的網(wǎng)絡(luò)模塊和通訊模塊( 本系統(tǒng)未使用) 提供了多種標(biāo)準(zhǔn)通信接口( TTY, RS422 , RS232 , RS485 等) , 使得CPU 的局部I/ O 總線擴(kuò)展、遠(yuǎn)程擴(kuò)展I/ O(通過(guò)RS485 電纜)以及CPU 間的現(xiàn)場(chǎng)總線組網(wǎng)非常靈活, 從而方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)縱向或橫向集成。
3. 系統(tǒng)改造后效果
應(yīng)用PCC 實(shí)現(xiàn)的電廠機(jī)組設(shè)備改造, 充分發(fā)揮了可編程編輯控制器( PLC) 的標(biāo)準(zhǔn)控制功能和工業(yè)計(jì)算機(jī)的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的集成優(yōu)勢(shì), 不僅方便地實(shí)現(xiàn)了各機(jī)組、廠變、出線及同期控制單元的開(kāi)關(guān)量和模擬量的采集, 而且其雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的管理層、具有大型機(jī)分析運(yùn)算能力的PCC 模塊組成的控制層均為實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功調(diào)節(jié)、同期控制、強(qiáng)
