计算机监控系统改进设计与应用

郭光海，周建胜，潘培华

（宁波市水库管理中心，浙江 宁波 315600）

0 引言

我国水电站开始使用计算机监控系统对水电站发电生产过程实行监测和控制是在20 世纪90 年代末，这30年间计算机软硬件、网络信息、工业控制等技术发生了日新月异的变化。计算机监控在设计思路、总体结构、硬件选配、软件开发等各方面都有很大的提升，同时原有的水电站计算机监控也出现了设备老化、运行缓慢、故障率高等问题，影响了水电站的安生生产，因此有必要与时俱进地对其进行升级改造，重点放在系统先进性、合理性、可靠性方面显著提升，结构采用开放环境下全分布式配置，并应用了环形以太网通信方式，硬件选用目前先进的主流产品，软件选用国际流行的工控软件，系统整体运行先进安全可靠，显著提高水电站生产的安全可靠性，满足水库及水电站现代化和信息化管理的需求。

白溪电站计算机监控系统自2001 年投产以来已运行20 年，被誉为宁波的“三峡”，承担市区60%以上的供水任务，在系统中担任重要作用。目前设备老化严重，经常出现计算机监控主机死机、运行速度缓慢、PLC 系统故障、通信中断、测温及保护通信故障等问题，直接影响电站运行及供水安全，面向我国电力系统对调度电厂工业控制和信息系统安全保护日益提高的要求已捉襟见肘。现在技术更加先进，设备更加可靠，更能满足水库及水电站安全生产标准化、现代化和信息化的要求。因此有必要对原有计算机监控系统进行改进，并针对以上问题进行重新设计。

1 改进设计原则

白溪电站监控系统按照以计算机监控为主，辅助现地控制的原则进行总体设计，注重监控自动控制与现地控制方式的协调配合，监控系统与发电设备同步投入。现地控制作为主控站与现地控制单元（LCU）通讯中断时的热备用，它硬接线于LCU，具备值守人员进行日常操作的值班条件。系统重点按先进性、合理性和可靠性原则进行设计和配置。

1.1 先进性

系统关键核心设备和软件均采用国际著名厂商生产的产品，保障了系统的先进性和可靠性。硬件方面，机组LCU 的核心设备PLC 采用GE 公司生产的PAC RX3I 系列产品，其中CPU 采用32 位486 以上工业级微处理器（IC695CPE305），主要性能指标如下：时钟频率为1.1 GHz；具有Flash 内存，内置用户程序容量5 M；支持实时时钟；I/O离散点为32 kbits，I/O模拟量为32 kwords；背板总线为速度不低于27 MHz 开放式的PCI 总线，无瓶颈，支持带电热插拔。软件方面，组态软件采用工业自控领域先进的GE Cimplicity 工控组态软件进行二次开发，该组态软件的开发系统提供多种工具及管理程序，满足各种应用系统的开发需求，提供了具有国际标准的BASIC、C++、JAVA、TCP/IP 等软件接口，使得应用程序具有跨平台的广泛应用环境[1]。

1.2 合理性

现地PLC 控制可在网络通信故障或上位机失控时操作备用，LCU 可用现场自动方式独立工作，维持相应机组、送变电设备、公用设备等的正常运行；或在现地方式下，由值班人员通过LCU 进行手动控制，完成机组、公用、送变电设备等的起、闭，断路器的投、切等操作。

1.3 可靠性

针对水电站生产安全及技术特点，在保证操作可靠、通讯安全性前提下还在以下方面进行改造。

（1）数据库及控制功能分布处理，系统功能分布在网络的各个节点中，系统任一节点的故障不影响其他节点的正常工作，不会造成关键性故障或使外部设备误动作。

（2）充分利用PLC 的高可靠性及逻辑控制方面的优点，保证机组、公用设备、开关站设备等的顺序控制。由PLC 完成监控对象的闭环控制，保证受控对象的安全可靠运行。现地LCU 在脱离主控级的情况下，可以保证受控对象的安全运行。

（3）电站各LCU 均配置交、直流开关电源，充分保障了监控设备供电的可靠性。

（4）专门配置了低压防雷系统，在必要的电源处、信号线路处设置抗浪涌保护装置，以防止感应雷对控制系统造成的干扰和破坏。

（5）机组LCU 屏上装设有独立于计算机监控系统的机组水力机械事故停机和事故紧急停机的常规设备及电气回路。

（6）微机保护装置中重要的保护动作信号以开关量形式与对应的各LCU直接相连。

（7）提高系统的抗干扰能力，现地控制单元的人机界面采用液晶触摸屏，避免了现场电磁场的干扰；现场交流电源均经过隔离、滤波处理后进行供电，另外PLC的I/O 信号接口、通信接口均采用光电隔离措施，具有较强的抗雷击、抗电磁干扰能力。

2 总体结构

电站计算机监控系统从功能上分为中央控制层和现地控制层，如图1 所示。电站采用开放式环境下全分布计算机监控系统，以保证系统中选用不同计算机时的互操作性，系统扩展和设备更新时的可移植性。

图1 系统总体结构

2.1 中控层

中控层是电站的实时监控中心。负责全厂的自动化操作控制，采集和处理来自LCU 的数据，编制和计算各种运行参数、制作各种运行报表、形成运行档案等，全站的人机对话如事故和故障告警、运行监视、对设备各种整定值的设置和修改、对设备的手动操作等，与LCU和电力调度、水情测报等之间的通讯。

2.2 LCU（现地控制层）

LCU 按控制设备分为机组LCU、公用设备LCU、送变电LCU、坝区LCU。各LCU 对所管辖的生产过程进行完善的监控，经过DI、DO 与生产过程相连；通过485通信与微机励磁系统、调速器系统、火灾报警装置、继电保护、直流系统等交换信息，在人机界面上动态实时显示各种运行参数和继电保护动作情况；通过以太网接口接到以太网上，向中控层上传信息并接受执行中控层命令，同时各LCU 间亦可交换信息。各LCU 对中控层有相对独立性，它们能在与中控层断网情况下独立完成生产过程的实时数据采集及预处理，数据监视、调整和控制等功能[2]。

3 硬件配置

计算机监控系统采用全开放系统，由各现地LCU 单元、主控工作站、打印机终端以及远程终端和相应的外设构成。

3.1 LCU（现地控制层）

LCU 由PLC、液晶TFT 彩显触摸屏、各输出继电器、双电源切换模块等组成，机组LCU 还包括自动准同期装置、多功能仪表等自动化设备。LCU 主要完成基础数据的采集及预处理，另外具有监视和控制功能。现地的彩显触摸屏，在与中控层脱离后仍然能实现对机组进行必要的监视和控制，如机组运行参数的监视；机组的开、停机；增、减有功、无功；而与中控层通信恢复后又能自动转为中上位机控制[3]。

LCU 与现场其他智能设备间的通讯采用专用通讯管理机完成。该装置采用RISC嵌入式工业计算机，具有高可靠性。可以将现场不同设备的通讯规约转换为标准的以太网应用层协议（如Modbus TCP），并直接接入局域网与PLC 及上位机相互交换信息。主要用来完成与现场辅助设备（如微机保护装置、多功能电量表、微机励磁、微机调速器等）的通讯。通讯管理机选用MOXA IA240型号，性能指标如下：CPU 为Intel Xscale IXP-422 266 MHz 处理器；128 Mb RAM，32 Mb Flash Disk；4 个RS-232/422/485 串 口；2 个10/100 Mb/s 以 太 网 口；具 有LCM 显示屏和键盘方便现场调试和操作；采用Linux 通信平台。

3.2 通讯设备

电站采用环形以太网进行通信，在各主计算机工作站、通信服务器、工程师工作站、管理工作站以及各LCU 均配置以太网交换机，传输介质采用网线或光缆。在现地每个LCU 单元各配置一台环形以太网交换机，选用GE IC086SLM042SS 型号，采用模块化结构设计，提高设备的扩展性和灵活性。单模100M 光口2 个，100M电口4个；符合工业级设计及IEEE802.3标准。

中控室核心交换机用于控制中心自动化控制系统网络，采用可网管模块化交换机。交换机选用GE IC086SLM162 型号，设备均布置于中控室的网络设备屏内。具体技术指标如下：支持OPC Server，可以与工业监控组态软件无缝连接，实现实时网管。交换机内部含温度感应器，能探测到外界的实时温度，且显示在管理页面中，如出现了超出的设定温度界限，交换机可自动报警；交换机支持内存卡配置功能，即交换机自带内存卡插槽，交换机本身的配置程序可自动保存在内存卡里面，以方便日常维护。

3.3 网络型卫星同步时钟装置

GPS 选用东大金智iPACS-5785 型号，采用BSS 标准卫星同步时钟，接收GPS 信号，并通过以太网接口对各工作站相连发送对时信号，使全厂装置时间同步，时钟的同步精度为±1 ms。

4 系统软件

系统软件符合国际开放系统组织推荐的开放式系统，选用国际流行的工控软件（Cimplicity），供运行人员二次开发使用。操作系统采用实时多任务多窗口的Microsoft Windows 操作系统。Cimplicity 能提供多种工具及管理程序，满足各种应用系统的开发需求，采用真正的客户端/服务器构架，实现无缝扩展；与Proficy 软件套件紧密集成；通过功能强大的API，能够利用Cimplicity 采集、管理、维护形成的数据和报警信息开发自己的直接接口；能够实现定制程序或第三方程序的无缝集成；交互式可视化环境及JAVA、FORTRAN、C、C++等高级语言编译系统提供了各种开发工具和较强的编程能力。

网络通讯及网络管理采用Client(客户)—Server(服务器)模式，通讯软件基于TCP/IP网络接口，为系统各进程间提供了网络透明的通讯服务。数据库管理软件采用Microsoft SQL Server，能提供各测量值的越复限处理、定时定期数据的检索、归档，事件事故的动作次数、报警，各数据的瞬时状态等，并可根据需求计算较为复杂，便于使用的运算点。还可利用数据库软件对历史数据进行查阅、打印、检索并存档。

在顺序控制方面通过顺控管理程序检查顺控程序语法，启动管理各顺控执行程序及对条件有限制的顺控程序加锁等，完成与数据库与人机接口的信息互换并执行一个顺控流程。顺控执行程序可放在LCU-CPU 中或直接由PLC 去完成[4]。主要控制操作内容：操作安全闭锁；操作过程监视；泵组的开、停机顺序控制；断路器、隔离开关、阀门等设备的控制等。编程软件使用PLC 生产厂家自带，用户根据电站实际生产过程的控制顺序要求，进行各种PLC 软件功能的编辑和开发。PLC 编程采用梯形图（LD）语言，沿袭了继电器控制电路的形式，在梯形图中，输入触点代替按钮，输出线圈代替负载，左右母线代替继电器与接触器控制电源线。图2 所示为开机准备好的梯形图，非常形象、直观、实用。

图2 开机准备好梯形图

在交互式方面报表编辑和图形编辑用的较多。报表编辑提供了表格线、汉字和字符输入方法，通过鼠标器和键盘在界面上建立报表格式，定义报表项与数据库报表功能块的动态连接。图形编辑程序提供用户开发人机接口的各种画面，通过鼠标及键盘，选择图符库、字符编辑、汉字编辑、图形编辑、颜色编辑等，在界面上开发出所需的画面，并建立图形、颜色、字符、数据与数据库之间的动态连接，这样就能实时显示与现场情况一致的动态画面及操作流程[5]。图3 所示为停机流程。矩形块的颜色：条件满足时，矩形块为红色。箭头的颜色：停机过程未完成时，当箭头的上一个条件满足且下一个条件未满足时，箭头为闪烁的红色与黄色；当箭头上一个条件满足且下一个条件也满足时，箭头为红色；当箭头的上一个条件未满足时，箭头为粉色虚线；停机过程完成时，所有的箭头为黄色虚线。

图3 停机流程

售后服务方面远程诊断服务为用户提供一套远程诊断软件，一般的故障或系统运行中遇到的困难，用户可以用树梅派与开发公司的软件人员通过因特网相连，由软件完成远程诊断和在线修正。

5 计算机监控系统使用情况

该电站计算机监控系统经过6 个月的设计安装调试已正式投产运行，运行人员因为有以前的经验，经过短期的培训适应了新的监控系统，操作习惯变动不大，很快熟悉了监盘操作和日常档案数据整理，人机界面感觉舒适，各项动画和动态显示直观清晰。机组经过正常开停机、事故停机、紧急停机流程均正常，所有辅助设备运行能正常启停，所有主接线开关操作正确，所有监测数据适时准确。经过一年的运行目前一切正常，机组每天开停机一次均按流程正确执行，经过一个雷雨季节的考验未发现异常。一年内3 次根据调度命令进行倒闸均操作正常，经过全厂两台机组大修，各项数据及通信状态正常。综上所述本次计算机监控系统升级改造解决了多年存在的隐患，能满足电站安全生产需要。

6 结束语

该电站计算机监控系统在设计思路、总体结构、硬件选配、软件开发方面经过有针对性地设计改进，在系统先进性、合理性、可靠性方面显著提升，结构采用开放环境下全分布式配置，并应用了环形以太网通信方式，硬件选用目前先进的主流产品，软件选用国际流行的工控软件，系统整体运行先进安全可靠，人机互动感觉友好，并解决了多年运行中经常出现的计算机监控死机、运行速度缓慢、PLC 系统故障、通信故障等问题，提高了自动化水平，保障了电站安全经济高效运行，满足水电站现代化和信息化管理的需求。