基于以太网的水电站综合测试系统研究

关　键，王军强，李婷婷(1．水利部农村电气化研究所，浙江杭州310012; 2．水利部农村水电工程技术研究中心，浙江杭州310012)

基于以太网的水电站综合测试系统研究

关键1，2，王军强1，2，李婷婷1，2
(1．水利部农村电气化研究所，浙江杭州310012; 2．水利部农村水电工程技术研究中心，浙江杭州310012)

摘要:针对农村水电站生产运行过程中对机组稳定及安全运行进行测试和监控的要求;深入研究了一种能够利用工业以太网进行数据传输的综合测试系统，将集成了底层网络控制的数据采集系统与工业以太网进行互联，实现了机组运行的网络化控制，形成了一种可靠、快速、便捷的农村水电站远程测试系统。图3幅。

关键词:农村水电站;以太网;数据采集;远程测试

0　引言

农村水电站相较于大中型电厂虽然在规模和装机容量方面相对较小，但依然是一套“五脏俱全”的复杂系统，因此通过加强实时状态监控和模拟仿真试验等有效手段对电站进行安全检测，在保障电站的稳定、高效和安全运行等方面具有重要的意义。在目前大力推广“无人值班(少人值守)”管理模式和提高农村水电站自动化水平的形势下，提出了一种水电站综合测试系统设计方案，主要针对水电站机电设备的安全检测、模拟仿真和动态监控。本系统克服了目前基于工控机或单片机开发的检测设备功能单一、兼容性不足、不能实现远程的监控测试的功能要求等缺点，通过引入以太网通信传输技术，将底层控制网络和以太网进行互联，实现了水电站机电设备测试与监控的网络化管理，提高了电站测试的自动化水平。

1　系统构架

系统构架由上位机电脑或其他能够接入以太网的控制终端、带有以太网通信模块的数据采集系统、多类型的传感器及其信号变送模块、智能控制模块和限位控制模块组成(见图1)。

图1　系统构架示意

1.1数据采集系统

水电站综合测试系统通过数据采集系统和以太网实现远程网络控制。数据采集系统采用模块化设计概念，具有不同类型信号的扩展调理模块，能够满足目前水电站数据信号采集的类型和数量要求。通过内置16位A/D变换器，可扩展256个模拟信号通道，同时保持高速采样速率。系统集成多路数字I/O通道，包括隔离和继电器触点通道。系统具备脉冲输入输出通道、变频信号源以及模拟输出模块。集成了以太网接口、RS232接口和USB接口模块，可以实现多种控制方式。

1.2以太网接口

工业网络控制要求信息传输的实时性和稳定性，而以太网传输协议采用的传输协议是TCP/IP协议。这是一种应用于大量数据传输的通信协议，不同于底层控制网络所采用的如CAN和Profibus等控制网络总线传输协议，在本质上并不完全满足生产过程实时监控的要求;但随着信息技术的发展，这些问题得以解决。以太网具有的开放性、高速性和通用性的特点，决定了其能够更好的满足控制系统各个层次的要求，使信息网络与控制网络得以融合。通过底层控制网络与以太网互联，进一步实现接入Internet网络，形成控制和管理信息一体化的现代工业网络体系是十分必要的。

目前工业网络化已在国内得到大规模的发展和应用，但在农村水电站的管理方面还较为落后，通过对水电站自动化管理系统的研究，以电站机电设备测试作为基础，将以太网技术应用于水电站的网络化和智能化监控管理，可同时实现电站设备的状态监控与测试。

2　信号参数

测试系统的数据采集是在研究了农村水电站机组特性的条件下，分析选取了能够动态描述机电设备运行状态的信号参数。信号参数主要包括了发电机输出电流和电压信号、励磁电流和电压、功率、转速和频率、水轮机接力器位移、水头压力、流量、机组振动和摆度、压力脉动、压差等信号。

(1)通过电压和电流变送器接入发电机定子(二次侧)电压和电流，电涡流传感器接入主轴转速，差阻式位移传感器接入调速机构接力器行程信号，同时加入数据采集系统中带有的频率信号源和脉冲信号输出，可以对机组的调速机构的各项动态指标进行测试。

(2)通过电动式振动传感器、电涡流非接触式摆度传感器、压力脉动传感器可以对机组及引水系统的运行稳定性进行测试。

(3)通过发电机电功率表或是轴功率测量，接入超声波流量信号和水位(水头)信号，可以对发电机或水轮机功率进行测量。

(4)水位、电流、电压、频率、温度等信号作为机组生产运行时的状态参数进行实时监控。

大量的信号数据中，一部分数据可以通过计算获得，而基础数据则需要通过传感器进行采集。考虑到用于测试系统应具有的便捷性，将各类来自传感器的输入信号通过变送器转换为0～5 V或4～20 mA的基准模拟输入信号，并通过数据采集系统的A/D变换器的功能对模拟通道进行扩展，能够同时接入大量数据信号。

3　控制程序设计

从传感器到客户端，完整的测试系统包括了下位机控制程序、底层控制网络接口通信程序、底层控制网络与以太网协议转换程序和上位控制程序。其中下位机控制程序和底层控制网络接口通信程序技术较为成熟，底层控制网络与以太网协议转换程序和上位控制程序是该系统设计开发的重点。

3.1协议转换程序

由于传输协议的不同，底层控制网络与以太网互联需要通过协议转换程序来完成。按照图2协议转换程序结构图所示(见图2)，数据采集系统通过底层控制网络将数据传输给客户端时，先通过底层控制网络控制器将该网络协议数据包保存在数据缓冲区中，由协议转换程序将数据包映射为应用层数据，并封装起来发送到以太网的应用层。同样，有上位控制信号需要发送至底层控制网络节点时，以太网控制器会将传输层数据存放在数据缓冲区中，并由协议转换程序从数据报文中解析出底层控制网络数据包，通过底层控制网络控制器将数据传输到底层控制网络节点上。

图2　协议转换程序结构示意

以太网传输结构包括了应用层、传输控制层、网络层、数据链路层和物理层。将数据传输至以太网，协议转换的要点在于将数据包进行TCP/IP封装。协议转换程序将底层控制网络协议数据按照以太网协议构架进行对应，这是数据解析和映射的过程。依照TCP/IP协议规则，由IP层从物理层接收完成对应的数据包，并附加来源地址和目的地址，再发送到更高的TCP或UDP层。为了提高传输效率，这里采用UDP面向无连接的通信协议，同时增加回传校验机制，提高传输的可靠性。协议转换程序也进行了同样的协议转换，将来自以太网的数据对应底层控制网络协议进行转换和传输。

3.2基于DASYLab的上位控制软件

根据系统的功能和构架，需要相适应的上位软件来实现多信息数据的融合和监控，同时控制软件还应具备高速、通用、便捷和智能化的特点。因此利用通用环境下的DASYLab高速数据采集、分析和控制软件，以图形化编程完成数据的读取、显示、存储、分析、运算、控制、触发等功能。

系统基于DASYLab的功能模块完成数据信号的实时显示、录入储存、计算分析、限位报警、控制反馈等任务。多类型数据经过转化以数字形式通过以太网进行传输，上位软件读取数据同时进行数据的分类管理。根据需要，软件可对数据进行功能化处理，需要直观显示的数据可以以连续波形的方式进行显示，如水头压力等数据信号;需要组合分析的数据可以合并显示，如甩负荷试验时的转速、导叶开度、励磁电压等数据信号;需要综合分析的数据，也能够利用软件内部函数进行计算显示，如水轮机和发电机的运行效率计算等。

图3　上位控制程序开发与应用界面

图3所示为一种设定水轮机调速机构的接力器位移信号显示方式，上位软件能够动态的实时显示接力器的行程，从而判断水轮机的导叶的开度(见图3)。

4　结论

本文提出的将农村水电站机电设备测试监控系统和以太网数据传输结合起来，是网络化监控管理技术应用在新领域的一次开拓。实际应用证明系统无论在稳定性、便捷性和可操作性上都满足设计的要求，同时可以发现，模块化的数据采集系统本身具有很好的扩展性、适应性和高速响应的特点。在下一步的应用中，可以将金属结构监测系统，如压力钢管的应力和振动测量，甚至是整个水工建筑物的安全监测系统都接入到该系统中，形成一个完整的测试、监测和控制体系。在接入以太网后，可以实现在特定区域内对多座电站进行同时监控和管理，同时为发电调度和防洪调节提出了新的管理思路和方式，从而体现该系统的良好效果和应用价值。

参考文献:

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［2］徐皑冬，王宏，杨志家．基于以太网的工业控制网络［J］．信息与控制，2000，29(2) : 182_186．

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责任编辑吴昊

作者简介:关键(1981－)，男，工程师，主要从事水利水电工程质量检测相关工作。

基金项目:南京水利科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(青年基金) (Y915013)

收稿日期:2016－01－06