水电站计算机监控系统_毕业设计.doc

摘要 本文首先对我国水电站计算机系统的水平及发展趋势做了介绍；其次重点介绍了s7-200/300 plc在水电站监控系统lcu的应用及在水电站技术供水系统的作用和在水电站油压装置中的应用；再次用工程制图画了水电站计算机监控系统结构图及硬件配置表；最后编了plc控制系统程序。 关键词：水电站发展趋势 s7-200 系统结构图 plc编程 abstract the plc s7-200/300 monitoring system in hydropower station lcu application and technical system of water supply in hydropower station of the function and application in the hydropower station hydraulic device; again with the system of engineering drawing hydropower station computer monitoring system structure diagram and the hardware configuration table; the last program the plc control system. key words: hydropower development trend ；s7-200 ；plc programming ；system structure of the system 目录第一章 绪论 4 1.1我国水电站计算机系统的水平及发展趋势4 1.1.1水电站最新技术4 1.1.2水电站发展趋势61.2国内外水电站计算机监控系统的结构模式11 1.2.1根据计算机在水电站监控系统中的作用分类11 1.2.2其次,按计算机控制方式结构来分析下列几种模式系统14第二章s7-200/300 plc在水电站监控系统lcu的应用15 2.1 plc现地控制器16 2.2 控制系统的功能18 2.3 水力发电站排水系统控制系统20第三章s7-200 plc在水电站技术供水系统的作用23第四章s7-200 plc在水电站油压装置中的应用25 4.1 油压装置自动化的必要性与控制要求25 4.2 plc控制系统的硬件设计25 4.3 plc控制系统的程序设计27第5章 水电站计算机监控系统结构图及硬件配置表29 5.1硬件配置表29 5.2水电站计算机监控系统结构图30第6章 plc控制系统程序316.1.润滑与冷却plc控制系统梯形图31 6.2.调相压水综合控制子程序336.3.油压装置自动操作控制程序35附录1 plc梯形图2 水电站计算机监控系统结构图参考文献 第一章 绪论 1.1我国水电站计算机系统的水平及发展趋势 水电站计算机监控技术是一门新兴的科学，它博采硬件工程、软件工程、通信工程、系统论、信息论和控制论等诸多学科之长，并逐步形成具有自己特长的、多学科融合和交叉的一门新兴的科学体系。水电站计算机监控技术的发展方兴未艾，它必将随着硬件技术、计算机技术、通信技术、数据库技术、网络技术和自动化监控技术的不断发展而不断向前推进。在后面的学习中，我们将了解到现地控制单元最新技术和发展趋势、通信系统的最新技术和发展趋势、数据库与软件的最新技术和发展趋势以及水电站计算机监控技术的总体现状和发展趋势。1.1现地控制单元的最新技术与发展趋势在水电站计算机监控系统中lcu直接与电站的生产过程连接，是系统中最具面向对象特征的控制设备。现地控制单元的控制对象主要包括以下几个部分：（1） 电站发电机组设备：主要有水轮机、发电机、辅机、变压器等；（2） 开关站：主要有母线、断路器、隔离开关、接地刀闸等；（3） 公用设备：主要有厂用电系统、油系统、汽系统、水系统、直流系统等；（4） 闸门：主要有进水口闸门、泄洪闸门等。lcu一般布置在水电站生产设备附近，就地对被控对象的运行工况进行实时监视和控制，是水电站计算机监控系统的较底层控制部分。原始数据在此进行采集和预处理，各种控制调节命令都通过它发出和完成控制，它是整个监控系统中很重要、对可靠性要求很高的控制部分。用于水电站的lcu按监控对象和安装的位置可分为机组lcu、公用lcu、开关站lcu等。而按照lcu本身的结构和配置来分，则可以分为基于单片机线型结构的lcu、基于可编程控制器（plc）的lcu、基于智能现地控制器的lcu等三种。第一种lcu多为水电站自动化初期的产品，目前已基本不再在新系统中采用。另外尚有极少数的小型水电站采用基于工业pc机（又称工控机）的控制系统。下面仅讨论目前处于主流地位的基于plc和基于智能现地控制器的lcu部分。基于智能现地控制器的lcu又包括基于pcc（programmable computer controller）的lcu和基于pac（programmable automation controller）的lcu。 1.1.1最新技术1基于可编程控制器（plc）的lcuplc的定义有许多种。国际电工委员会（iec）对plc的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程序存贮器，可以进行内部存储程序，执行逻辑运算 , 顺序控制，定时，计数与算术操作等，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。最初，由于美国汽车工业的需要而产生了可以说是原始的plc。虽然plc问世时间不算太长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路制造技术和数据通讯技术的迅速发展，plc的应用和技术也得到了飞速的发展，其发展过程大致可分三个阶段：（1）早期的plc（60年代末-70年代中期）:早期的plc一般称为可编程逻辑控制器。（2）中期的plc（70年代中期-80年代中.后期）： 在70年代开始采用微处理器作为plc的中央处理单元（cpu）。 这样，使plc得功能大大增强。在软件方面，在原有的逻辑运算、定时、计数等功能的基础上增加了算术运算、数据处理和数据通讯、自诊断等功能。在硬件方面，开发了模拟量模块、远程i/o模块以及各种特殊功能模块，使plc的应用范围得以迅速扩大到需要自动控制的很多行业。 （3） 近期的plc（80年代中、后期至今） 进入80年代中、后期，由于微处理器硬件制造技术迅速发展，同时市场价格大幅度下降，使得各plc生产厂家可以采用更高档次的微处理器。为了进一步提高plc的处理速度，很多制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片。后来plc还融入了ethernet、web server等技术，提供了功能丰富的配套软件，使广大用户使用起来更加得心应手。上世纪80年代至90年代中期，是plc发展最快的时期，年增长率一直保持为30%40%。在这时期，plc的数据采集处理能力、数字运算能力、人机接口和网络通信能力都得到大幅度提高，plc逐渐进入过程控制领域，与部分工业控制设备相结合后在某些应用上逐渐取代了在过程控制领域处于统治地位的dcs系统。由于plc具有通用性强、可靠性高、使用方便、编程简单、适应面广等特点，使它在工业自动化控制特别是顺序控制中的得到了非常广泛的应用。我国将plc应用于水电站生产设备的监控始于上世纪80年代，由于plc一般按照工业使用环境的标准进行设计，可靠性高、抗干扰能力强、编程简单实用、接插性能好很快被电站用户和系统集成商接受，得到了较好的应用。目前在我国水电站使用较广泛的plc有：ge fanuc公司的ge fanuc 90系列，德国siemens公司的s5、s7系列，法国schneider公司的modicon.premium、atrium 和quantum，美国rockwell公司 plc5、control logix，日本omron公司的su-5、su-6、su-8，日本mitsubishi公司的fx2系列等。由于各种plc的设计原理差异较大，产品的功能、性能以及可以构成现地系统的规模有很大的不同。一般来说，根据不同电站在安全性能（包括可靠性、可维护性等）、应用功能、控制规模、系统结构等方面的实际需求进行选择，还是可以找到合适的plc的。目前我国很大一部分电站的自动化系统都是采用plc构成现地控制部分的，通过合理的配置和搭配，它们基本上都能在 系统中担负起相应责任，完成相应的功能。但plc作为一种通用的自动化装置，并非是为水电站自动化而专门设计的，在水电自动化这一有着特殊要求的行业应用中不可避免地也会有一些不适合的地方，现列出以下几点：（1） plc以“扫描”的方式工作，不能满足事件分辨率和系统时钟同步的要求。水电站计算机监控系统都是多机系统，为了保证事件分辨率除了plc本身应具有一定的事件响应能力和高精度时钟外，还要求整个系统内各部分主要设备之间的时钟综合精度也必须保证在毫秒级以内。而以plc为基础的现地控制装置如果不采取特殊措施，就无法保证水电站安全运行对事件分辨率和系统时钟同步的要求。（2） 通用型plc的起源主要针对机械加工行业，以后逐步扩展到各行各业。现在的plc虽然具有较强的自诊断功能，但对于输入、输出部分，它只自诊断到模件级。这对于我国电力生产这样一个强调“安全第一”的行业来说，有一定的欠缺，往往需要另加特殊的安全措施。（3） 通用型plc一般都具有一定的浪涌抑制能力，基本上可以适合大部分行业应用。但对于水电站自动化系统来讲，由于设备工作环境的特殊性，通用型plc的浪涌抑制能力与技术规范所要求的三级浪涌抑制能力还有一些差距。2基于智能现地控制器的lcu在我国水电站自动化系统中应用较多的另一类现地控制单元应该就是智能现地控制器，如abb公司ac450，南瑞集团的sj-600系列，elin公司的sat1703等。其中ac450是abb公司生产的适用于工业环境的advant controller系列现地控制单元中的一种，主要应用于其它行业的dcs中。它包括了以motorola 68040为主处理器的cpu模件和i/o、masterbus等多种可选的模件，支持集中的i/o和分布式i/o，可根据不同的应用需求采用不同的模件来构成适用的现地子系统。sat1703是奥地利elin公司生产的多处理器系统，它包括3个装有不同接口处理器的子系统ak1703、ame1703和am1703。每个子系统由主处理器、接口模板（模块）、通信模块等构成，能实现数据处理、控制和通信功能，在lcu内部采用smi（serial module interconnector）进行通信。sat1703现地控制单元采用os/2操作系统，运行的控制软件为toolbox。sj-600系列是国电自动化研究院上世纪九十年代末为在恶劣工业环境下运行而生产的国产智能分布式现地控制单元，由主控模件、智能i/o模件、电源模件以及连接各模件与主控模件的现场总线网组成。已在全国数十个大中型水电站可靠地运行。sj-600具有以下主要特点：（1）其中，主控模件采用符合ieee1996.1的嵌入式模块标准pc104，具有可靠性高、现场环境适应性强等特点。使用低功耗嵌入式cpu，可选cpu型号从486至pentium系列。（2）32位智能i/o模件。所有模件采用32位嵌入式cpu，该cpu专门为嵌入式控制而设计，软件上采用板级实时操作系统和统一的程序代码，只是按模件的不同而运行相应的任务。采用了大规模可编程逻辑芯片（epld）及flash存储器，简化了系统设计，提高了可靠性。智能化的i/o模件除了可独立完成数据采集和预处理，还具备很强的自诊断功能，提供了可靠的控制安全性和方便的故障定位能力。（3）具有现场总线网络的体系结构，系统采用两层网络结构，第一层是厂级控制网，连接lcu和厂级计算机，构成分布式计算机监控系统；第二层是i/o总线网络，连接主控模件和智能i/o模件（现地或远程），构成分布式现地控制子系统。所有i/o模件均配备两个现场总线网络接口，这些模件都可以分散布置，形成高可靠性的分布式冗余系统。（4）lcu直接连接高速网。网络已成为计算机监控系统中的重要部分，它涉及到电站控制策略和运行方式。以前现地控制器多是使用专用网络与上位机系统进行连接，而不是符合开放性标准的网络。如ac450采用mb300网络与上位机系统连接，而与采用tcp/ip协议的系统连接只能通过专用模件以vip的方式进行受限制的数据传输。（5）提供了直接的gps同步时钟接口，无需编程和设置。gps对时可直达模件级，满足了对时钟有特殊要求的场合，如soe等。（6）提供基于iec61131-3标准的控制语言，在保留了梯形图、结构文本、指令表等编程语言的基础上，开发了采用“所见即所得”技术设计的可视化流程图编程语言。支持控制流程的在线调试和回放，非常适合复杂的控制流程的生成和维护。（7）针对水电站自动化专业应用开发的专用功能模块。 1.1.2发展趋势在全球计算机工业控制领域围绕着计算机和控制系统硬件/软件、网络技术、通信技术、自动控制技术等方面都在迅速地发展，同时，我国水电自动化领域的技术也不断取得长足的发展。随着全国水电站“无人值班”（少人值守）工作的推进，以及多个单机容量700mw的特大型水电站的建设，要求水电站自动化系统及其自动控制装置应具备高度可靠性、自治性、开放性，发展成为一个集计算机、控制、通信、网络、电力电子等新技术为一体的综合系统，lcu应具备完备可靠的硬件结构，开放的软硬件平台和强大的应用系统。完成对电站生产设备有效的安全监控和经济运行。plc和智能现地控制器都在朝着适应新的应用需求的方向发展，如plc根据传统plc的不足，开发新的功能模件或者结合plc技术和ipc技术开发出相当于智能现地控制器的新产品。schneider公司开发了ert模件，ge公司融入了第三方的产品以满足水电站自动化对soe的要求，ge fanuc 2003年推出了新产品pacsystem，分别为90-70的升级产品rx7i和90-30的升级产品rx3i两个系列。与以前的ge plc相比，最主要是cpu部分的彻底更换。rx7i系列仍然采用vme64总线机架方式安装，cpu采用intel piii-700处理器，集成2个10/100m自适应以太网卡，不需要另配以太网模件。主机架采用新型17槽vme机架，而扩展机架、i/o模块、genius网络仍采用原90-70产品。从而使其在兼容以前产品的同时，性能得到了很大地提高。可以看出自动化设备生产商都在不断努力开发新的产品，但有些改进并不是针对水电站自动化这个有一定特殊性的行业的，对水电站自动化来说重要的几点是：（1）cpu模件宜采用符合ieee1996.1的嵌入式模块标准的低功耗cpu，或符合工业环境使用的通用型低功耗cpu。运行实时多任务的操作系统，以利于提高现地控制单元对实时事件的即时响应和处理能力，方便增加、集成水电行业的专用模块和特殊需求的功能。传统的plc由于受其运行模式的限制，在测点数量大量增加、逻辑任务处理量或任务数增加的时候，会对运行处理周期产生较大影响；对现场的实时事件的响应也不够即时。这对实现大容量的大型水轮发电机组的高质量现地实时监控有着一定的欠缺。（2）采用智能化的i/o模件，它除了可独立完成数据采集和预处理，方便分散布置，还可具备很强的自诊断功能，提供了可靠的控制安全性和方便的故障定位能力。（3）标准化的网络连接，这里包括现场总线网和常用的以太网。lcu往往通过现场总线（常用的有can等）向下连接着各种智能仪表、智能传感器和分级监控的子系统（如大型机组的温度、水系统等），通过高速网络（tcp/ip、工业以太网）连接厂级计算机监控系统。所以lcu必须遵循严格的国际开放标准（如iec 61158等），对这两种网络提供有效的支持，提高现场不同厂家设备的组网能力、方便性和可维护性。（4）提供对soe既方便又有良好性价比的支持，提高现场事件信号分辨率，以满足水电站“无人值班（少人值守）”管理模式下对故障的产生原因进行准确分析的需求。目前大部分传统plc对此需求还有所欠缺。（5）提高控制安全性，应在lcu软硬件故障或异常的任何情况下，都不会有错误的控制信号输出。否则，就会造成电站生产设备损坏，甚至会造成电力系统事故。这是至关重要的一点，一般lcu对此尚无足够的重视。（6）网络安全性，随着对通过ethernet进行数据交换的需求日益提高，很多lcu厂家已经提供或正在开发lcu的ethernet模件或者在lcu中内嵌ethernet功能和web服务。无论外挂或内嵌式的ethernet功能和web支持都为应用提供了极大的便利，但是在用户得到应用便利的同时也受到网络安全的极大危险。攻击、入侵、病毒等都可能对控制系统造成致命的危害，所以，必须按照国家相关部委关于“电力二次系统安全防护“的规定认真执行。（7）提高可靠性和可用性，由于水电站的特殊应用环境，要求lcu应具有很强的抗电磁干扰能力、抗浪涌能力和一定的抗振动能力。可以按要求组成冗余的热备系统，确保在监控系统中，无论是不相同的单部件故障还是主机和备机的切换都不会对控制造成影响。部分厂家的lcu还无法满足这些要求或指标太低。（8）提高易用性，这也是用户考虑的一个重要方面。例如，南瑞公司的sj-600就提供了功能强大的可视化交换式组态工具软件mbpro，可以帮助用户方便地进行生产控制应用的生成、调试和维护。schneider公司也提供了完全重新设计的自动化软件unity，支持modicon premium、atrium 和quantum plc。其他lcu厂家也提供了或正在开发不同功能的非常有用工具软件，用户在使用lcu方面将越来越方便。现在我们可以确信的是，在各lcu生产厂家全面透彻地理解我国水电自动化领域对lcu的真正需求以后，都会认真的进行新产品开发。无论plc、智能现地控制器，还是pcc、pac，尽管它们在硬件结构、系统构成、工作原理、系统软件、应用功能等方面都存在大大小小的差异，它们都可能在广泛的水电站计算机监控的应用中找到不同的定位（如一些lcu可以在要求比较低的小水电中得到应用）。但是，要在大型、超大型电站得到很好的应用，则必须结合计算机技术、工业控制技术、通信技术、工业网络技术等方面的发展，不断进行lcu软硬件的技术更新。在未来几年内，对标准化、安全性、可靠性、开放性、可互操作性、可移植性的要求将是水电站用户至为关心的。我们相信自动化产品生产商在最近几年将会推出更多适合各领域个性化应用的控制器及新的功能，以满足不同用户不断增长的需求。1.2通信系统的最新技术与发展趋势通信系统是水电站计算机监控系统的“神经系统”，它直接关系到整个监控系统的实时性、可靠性和安全性等方面。通信技术的现代化，已被公认为水电站电能生产现代化的重要条件和明显标志。随着计算机技术、测控技术和电子技术的飞速发展，在现代通信领域中，各种先进的通信技术、通信设备和通信手段层出不穷。如何提高通信系统的可靠性、准确性和实时性，以及如何扩大通信的距离，一直是通信系统设计和研究过程中必须考虑的一系列关键性的问题。本节通过分类列举出以下几种目前比较典型的通信系统，并对每种系统的优缺点以及适用的场合进行了对比和分析，以了解目前通信系统的最新技术与发展趋势。 1.2.1最新技术目前应用比较广泛、技术比较成熟的通信系统主要有以下几大类。1应用专线的通信系统对于测控距离较短、通信数据量大、通信频繁且实时性、可靠性和保密性要求都很高的远程分布式计算机监控系统，一般采用自行架设专线（如电缆）来作为数据传输的通道。系统主站（电站主控层的上位机）通过扩展的多个串行口及moden，与各地的多个子站相连。子站（或主站）发送的数据通过串行口送给本地moden进行调制之后，通过专线传输给远方moden，远方moden将收到的信号解调为数字信号，通过串行口送给主站（或子站）的pc机，从而实现集中管理。这种网络技术的关键是如何建立主站和各个子站之间的通信协议，以保证整个系统的实时性和避免冲突的产生，可以采用“快速巡查”或“定点查询”的方法来解决这一问题。这种通信系统不但在水电站计算机监控中应用，而且在交通、工业等领域的应用也十分广泛，比如说铁路沿线行车信号灯的监控，就可以采用这种测控网络来实现。2利用公用电话网的通信系统在通信不是很频繁、通信数据量较小、实时性和保密性要求不高的场合，可以租用公用电话网，采用拨号方式建立临时连接的方式来实现通信。采用这种测控系统可以降低系统的硬件成本、缩短建网周期，实现高速高效的目的。该系统中的每个子站只需要定时采集被控对象的状态数据，并保存在自己的数据库中；主站则只能在屏幕上面按状态数据库所保存的最新数据显示各测控对象的状态。当需要检测远方测控对象的状态或对其执行操作时，主站从自己的数据库中找到对应子站的电话号码，通过拨号方式向子站发出“握手信号”，相应的子站接收到“握手信号”后执行摘机命令，从而建立起主站和子站之间的通信渠道。由于这种测控系统的实时性和保密性都比较差，因此只用在一些了解远方测控对象的运行状态和提前预防事故的场合。3采用光纤通道的通信系统利用光缆传输测量与控制数据，可以充分发挥光缆传输的稳定性好、抗干扰能力强、传输容量大等优点。在这种系统中，光纤收发器是主要的设备，它的作用是进行电光、光电转换，并可以直接接收串行口的控制信号，有些光纤收发器还兼具有以太网接入功能。考虑到系统的高稳定性和高可靠性，在设计过程中必须慎重选择串行接口和光纤收发器。这种通信系统的投资较高，但由于其抗干扰和抗雷击能力强，并且通信质量优越，因此在水电站及电力系统的远距离不间断监控中得到广泛应用。4基于internet/intranet的通信系统测控系统以计算机为中心、以网络为核心的特征日益明显。使用internet/intranet的通信系统，使人们从任何地点、任何时刻获取到测量信息（或数据）的愿望成为现实。实现该系统必须解决许多关键性问题，比如数据传输的可靠性、准确性和实时性；网络数据库的连接和更新的动态性、实时性、有高的编程效率和很好的兼容性等；tcp/ip协议和现场总线协议的兼容性，真正达到数据畅通无阻；此外，网络的安全性也是一个不容忽视的环节。基于internet/intranet的网络化通信系统适用于异地或者远程控制和数据采集、故障监测、报警等等，其应用范围也十分广泛。5基于无线通信的通信系统对于工作点多、通信距离远、环境恶劣且实时性和可靠性要求比较高的场合，可以利用无线电波来实现主控站与各个子站之间的数据通信，采用这种通信方式有利于解决复杂连线，无需铺设电缆或光缆，降低了环境成本。这种通信系统的关键是要使射频模块的接收灵敏度和发射功率足够高（可以采用专业无线电台来替代射频模块），以扩大站点间的距离，同时还需要考虑无线电波波段的选择；无线通信调制解调器已经有许多比较成熟的产品，可以根据实际需要来选择。基于无线通信的通信技术，其缺点是抗干扰能力差，因此在水电站及电力系统中的应用受到限制，目前仅应用于距离相对较远的电网层计算机监控系统。1.2.2发展趋势通信技术是计算机监控领域发展主要方向之一。各种新技术、新器件、新理论的出现和计算机网络的飞速发展，必将给通信技术的发展和应用提供广阔的天地。1数据传输方式朝复合式、多样性发展 随着今后测控距离的不断扩大以及监控系统复杂度的不断增加，单一的数据传输方式往往不能胜任要求；在一个远程计算机监控系统中采取多种数据传输方式相互配合使用，可以降低系统的实现难度，有利于整个系统的模块化处理。2进一步融合emit（嵌入式微型因特网互联技术）和ecs（嵌入系统）技术进一步融合emit（嵌入式微型因特网互联技术）和ecs（嵌入系统）技术使现场数据采集和控制子系统的智能化程度得到提高，且能够更方便的与通信中心建立起通信渠道。随着微处理器和嵌入式技术的发展，监控系统的io系统的智能化程度将进一步提高，这样就可以大大减低主控机cpu的负担，使整个系统的实时性和测控性能提高；同时，高智能化的数据采集和控制子系统可以很方便地通过internet/intranet将通信距离无限扩展。3基于虚拟仪器的监控网络将是通信技术发展的一个方向随着虚拟仪器技术的快速推广和发展，实现通信系统基于internet/intranet的通信能力大大提高，基于虚拟仪器和网络技术的通信网络将成为科学研究和生产自动化控制系统的重要组成部分。在我国，通信技术的发展方兴未艾。可以预见，通信技术必将随着我国相关技术的发展而逐步完善和成熟，各种功能的通信系统在不远的将来会广泛地使用在社会的各个领域，通信技术的新发展也必将给水电站及电力系统的计算机监控领域注入新的活力。1.3 数据库与软件的最新技术与发展趋势1.3.1数据库最新技术与发展趋势目前，水电站计算机监控系统的数据库广泛采用专用实时数据库和商用历史数据库相结合的形式，专用实时数据库一般由监控系统的生产厂家自行开发，而商用历史数据库采用关系型数据库系统，如sql server、oracle等。在本书的第4章专门介绍了数据库应用与开发的最新方案和技术，这些技术包括：数据库的集成化技术、数据库的面向对象开发技术、数据库的管理、安装及维护技术等。数据库系统是水电站监控系统的核心，数据库系统的优劣直接影响到整个监控系统的实时性、可靠性、安全性、可扩性以及可维护性。目前，在水电站计算机监控系统中的数据库系统还存在诸多不足：专用实时数据库和商用历史数据库虽然可以集成在一起，但这种集成会带来一些负面的影响，如集成的有缝性、集成化加大资源的开销、集成化对实时性产生影响、集成化引起数据失真等；专用实时数据库由生产厂家自行开发，缺少统一的标准，不利于监控系统的扩展和维护；历史数据库采用关系型数据库，关系型数据库不支持可扩展标记语言（xml）数据的处理方式或支持非常生硬，而xml作为目前最流行的一种标准数据格式，它能为不同应用程序间的数据交换和不同系统间的集成提供了强大的机制；水电站计算机监控系统的分层分布式结构使其比较合适采用分布式数据库，而采用关系型数据库管理系统很难保障各分布点数据库的数据一致性；目前的数据库系统对事务处理能力较差，只能支持非嵌套事务，对长事务的响应较慢，而且在长事务发生故障时恢复也比较困难。从数据库的发展历史来看，第一代数据库为层次和网状数据库系统，其代表是1969年ibm公司研制的层次化模型数据库管理系统ims（information management systems）；第二代即为关系型数据库系统，它以关系模型为基础，目前开发的系统大多是基于关系型数据库的；目前数据库系统正朝着第三代数据库系统发展，日前ibm公司推出的混合型数据库已向第三代数据库迈进了一步，虽然第三代数据库系统是采用混合型数据库还是“纯的xml数据库”尚未定论，但人们对其基本特征已有了共识：（1）第三代数据库系统除了现有的数据管理服务外，还应支持更加丰富的对象结构和数据规范，应集数据管理、对象管理和知识管理为一体，支持面向对象（oop）数据模型，支持xml数据格式；（2）对xml的支持是第三代数据库的重要特性，第三代数据库必须在保持和继承第二代数据库系统的技术基础上有新的突破，如能同时存储和查询xml数据和关系型数据，而不用进行数据转换。用户不仅可以使用同一个数据库对象同时管理传统的sql数据和xml文档，甚至还可以编写一个同时对这两种数据形式进行搜索和处理的查询。（3）第三代数据库系统必须是开发的，支持数据库语言标准、支持标准网络协议、具有良好的可移植性、可连续性、可扩展性和可互操作性等。1.3.2软件最新技术与发展趋势水电站计算机监控系统的软件是整个监控系统的“灵魂”，其形式丰富、层次复杂。从其作用方面划分可分为智能化设备软件、现地监控软件、网络通信软件、上位机软件已经人机接口软件等；从层次上划分有操作系统软件、数据库软件、应用支持软件、应用软件等。关于水电站计算机监控的软件系统在第6章已作较为充分的介绍，其最新技术包括：软件的层次化构建技术、软件的面向对象分析技术、软件的uml建模技术、软件的开发技术、软件的安装和维护技术等。软件是随着硬件的发展而不断向前发展和推进的，软件的最终目标是使硬件发挥其最大效能。软件的发展主要有以下一些趋势：自动化设备软件的智能化趋势，现地监控软件的组态化趋势，通信软件的标准化趋势，上位机软件的网络化趋势，人机接口软件的多媒体化趋势等。1.4水电站计算机监控技术的总体现状与发展趋势目前，对水电站计算机监控系统可以理解为由水电站计算机状态监控系统、水电站计算机视频监控系统、水电站厂内经济运行系统、水电站微机调速系统、水电站微机励磁系统等构成的一个集成化的综合的自动化监控系统。其范围涉及到水电站水轮发电机组、水轮发电机组附属设备、升压站及公用设备、水轮机组辅助设备以及其他水工设施。水电站计算机监控技术作为一种综合的技术，它将伴随着水电站硬件技术、计算机技术、通信技术、数据库技术、网络技术和自动化监控技术的不断发展而不断向前推进，各种子系统如水电站闸门监控系统、水电站厂内水资源综合调度系统、水电站水情测报系统、水电站大坝安全监控系统以及水电站无线通信系统等将不断集成到水电站计算机监控系统之中，水电站全计算机监控系统的概念将逐渐得到呈现和清晰。同时，水电站计算机监控系统也将不断融合进梯级水电站计算机监控系统和电网级计算机监控系统之中，成为电力系统计算机监控系统的一个不可缺少的组成部分。水电站计算机监控技术是一门新兴的学科，它能够博采硬件工程、软件工程、通信工程、系统论、信息论和控制论等诸多学科之长，并逐步形成具有自己特长的、多学科融合和交叉的一门新兴的科学体系。目前，许多水电站采用计算机监控技术提高了水电站的运行和管理水平，并不断地向 “无人值班”（少人值守）的方向发展，但这还远远不够，我们迫切需要继续研究水电站综合自动化系统领域的关键技术，以进一步提高水电站的运行管理水平和综合自动化水平。 1.2国内外水电站计算机监控系统的结构模式 目前, 各国水电站计算机监控系统有各种不同的结构模式, 从控制方式上看, 可分为集中式监控系统、分散式监控系统、分布式监控系统和全开放、全分布式监控系统等。从计算机在水电站监控系统中的作用来看, 又可分为以常规自动化装置为基础的计算机辅助监控系统(casc系统);以计算机为基础的监控系统(c b s c 系统夕以及计算机和常规装置双重化的监控系统(c c s c 系统). 1.2.1根据计算机在水电站监控系统中的作用划分的三种系统1 计算机辅助监控系统(casc ) 这是最早采用的计算机监控系统模式,目前仍有许多电站采用这种方式。采用这种模式, 电站的控制操作主要仍由常规的自动装置来完成, 计算机监控系统主要实现运行监视、数据采集、数据处理事件记录、打印制表、经济运行计算等功能, 可提高电站的安全运行和自动化管理水平, 并可取得一定的经济效益。采用这模式, 运行中计算机监控部分即使发生故障, 水电站仍能维持正常运行,只是部分功能暂不能实现, 这种模式对计算机监控系统的性能要求可以低些, 因而其投资也较低, 比较容易实现。采用这种系统国外的典型实例是巴西的依泰普电站, 此电站只利用计算机对全厂进行监测而没有包括控制功能。2 以计算机为基础的监控系统(cbsc ) c bs c 系统的特点是水电站的主要监控功能均由计算机监控系统完成. 常规的控制装置可以取消, 仅保留一小部分现地操作控制设备在特殊情况下备用。采用这种模式, 对计算机监控系统的性能有很高的要求, 随着计算机及电子技术的发展, 应用冗余技术, 配置双c pu多c pu 的装置均能满足水电站监控系统可靠性的要求, 使监控系统的利用率接近10 %。c b sc 系统是水电站实现计算机监控的主要发展方向, 目前国内外许多大、中型水电站均采用这种系统, 如美国大古力水电站, 委内瑞拉的古里水电站、国内的富春江水电站综合自动化二期工程、丹江口水电站等。3 计算机与常规装置双重监控系统(ccsc) 采用c cs c 系统, 水电站具有两套各自独立的监控系统可以相互备用, 这是一种由ca sc 方式向c bs c 方式过渡的一种系统,随着计算机监控系统运行经验日益丰富及装置可靠性的提高, 今后会有更多电站采用cbsc方式。国内外采用这种系统的例子有美国的巴斯康泰抽水蓄能电站、龙羊峡水电站、葛洲坝二江电站、大江电站等。1.2.2 根据计算机监控系统的控制方式划分的系统, 其结构模式特点分述如下:1 集中式监控系统 水电站早期应用计算机, 由于价格贵, 一般设置一台或二台计算机对整个水电站进行集中监视、控制, 构成集中式监控系统由于水电站所有信息都要送到计算机进行处理所有的操作、控制命令都由计算机发出, 因而计算机故障, 将导致全系统瘫痪，其次. 生产过程所需采集的状态和参数均直接引入计算机, 当机组台数较多时, 现场敷设电缆过多过长，随着微机技术的发展, 计算机价格日益降低, 目前, 大、中型水电站均不采用集中式监控系统方式。在一些机组台数不多、控制功能要求较简单的中、小型水电站上仍然可采用这种方式。国内采用这种控制方式的例子有石塘电站。2 分散式监控系统 7 0 年代以后, 随着水电站台数的增多,装机容量增大, 主结线和辅助设备的复杂, 提出了新的可靠性要求, 集中式监控系统模式的缺点越来越突出, 促使控制系统走向分散化, 同时随着微型机技术和通信技术的发展,特别是局部网络技术的发展, 使控制系统实现负载分散, 危险分散, 功能分散, 地域分散在技术上成为可能, 分散式监控系统是指以功能的分散为主要特征, 就水电站生产过程监控系统的功能而言主要是数据采集和控制调节、事件记录等功能, 因此可以按照这些功能设立多套相应的设备, 独立完成各自的功能, 如葛洲坝二江电厂计算机监控系统。功能分散式监控系统并没有解决信息过于集中的问题, 某个单功能装置计算机故障,则全厂这部分功能将全部丧失, 影响较大近年来, 多为分布式监控系统所代替。3 分布式监控系统 分布式系统是分散式监控系统的一种方式, 它是在克服分散式系统的缺点上提出来的, 分布式监控系统是指以控制对象分散为主要特征, 就水电站而言控制对象主要是水轮发电机组、开关站公用设备、闸门及船闸等, 按控制对象为单元设置多套相应的装置,构成水电站的现地控制单元, 完成控制对象的数据采集和处理, 机组等主要设备的控制和调节, 装置的数据通信等功能。水电站采用分布式处理一般与电站分层控制结合起来, 形成水电站分层分布控制系统, 这种模式在国内外水电站得到日益广泛地应用。上述分散式系统和分布式系统都是在微型机技术和通信技术, 特别是在局部网络技术的发展的基础上, 逐渐发展起来的新型控制模式, 因此从通信方式上来说不论分散式和分布式系统都可选择三种网络结构, 即星形网、环网、总线网。星形, 环形和总线形网络都属于局部网,从采用的通道看主要有双绞线、多芯线、同轴电缆和光缆等, 为提高可靠性, 又可构成双星形网络, 双环网、双总线网等。但这只属于通信结构方式的选择, 在此就不因通信方式的不同, 又划分成各种不同的结构模式进行讨论。水电站的生产过程和管理体制, 都是一个垂直的调度系统, 层次分明, 任务明确, 关系清楚, 为适应这样一种生产方式和分极管理体制, 在分散式和分布式系统的基础上, 推出一种目前国内水电站都普遍采用的当今最流行的一种计算机监控系统结构模式, 即分层分布结构模式, 。此结构模式集分散式、分布式的优点于一身, 另外还具有适合于水电站生产过程和管理体制的分层管理、集中控制的特点, 一般采用分层分布监控系统的大中型水电站都分为两层, 设置全厂控制级与单元控制级, 单元控制级按被控对象(如水轮发电机、开关站、公用设备、闸门等)由多台单元控制装置组成, 一般称为现地控制单元(l cu ), 即机组单元l c u开关站单元l c u等, 全厂控制级计算机控制各种信息通道的联系, 对各r t u 送来的各类数据进行处理,实现全厂的安全监控经济运行和运行管理自动化。为了提高监控系统的可靠性, 全厂控制级根据要求可以配置成单机双机甚至三机系统, 而环形, 特别是总线形局部网为双机、三机系统的实现提供了极大的方便。采用分层分布式结构计算机监控系统的例子很多, 国外的典型实例有美国的大古力水电站, 委内瑞拉的古里水电站, 国内的典型实例有葛洲坝大江水电站, 鲁布革电站, 富春江水电站, 丹江自水电站等等。4 全开放、全分布式监控系统这是近年来发展并得到广泛注意的一种工业控制监控系统, 开放系统概念的形成经历过不少阶段, 八十年代中期以来, 计算机硬件发展很快, 特别是risc技术的出现, 其发展更加迅速. 高性能的硬件设备不断问世, 这使得广大计算机用户在选用最优秀、最先进硬件设备若干年后, 该设备可能就落后了, 甚至停产了, 致使应用系统面临淘汰的危险。为此, 广大计算机用户提出了全新的开放系统观念, 即应用软件可移值性;不同系统之间的相互操作性;用户的可移值性。围绕着应用软件接口标准, 网络通信接口标准和用户操作接口标准遵循国际组织i e e e 、150 、i e c 等的有关标准组成一个开放式的总线网络, 采用以u n i x 操作系统为基础的操作系统。根据分布控制对象而设置的现地控制单元( l c u ) 也按标准通用规约接入总线网络,这样形成的系统除具有上述各类模式的优点外, 最大特点是全开放的系统扩展、升级更新都非常方便。3 水电站机算机监控系统模式的分析和建议首先, 按计算机在监控系统中的作用来分析下列三种模式系统:1以常规自动化装置为基础的计算机辅助监控系统(casc) : 这种系统的优点为当计算机系统发生故障时仍能维持电站的正常运行,只是暂时失掉部分功能,缺点是整个系统的功能比较低,对整个电站自动化水平的提高有一定限制,随着计算机技术的发展,计算机性能日趋完善,可靠性不断提高,价格不断下降, 计算机技术的运用不断深入水电厂自动化的各个领域, 这种系统只能是一种过渡模式, 最终还是要向cbsc模式发展。2计算机与常规装置双重监控系统(ccsc) : ccsc 系统的最大优点是可靠性很高,由于保留着较完整的常规控制系统, 对缺乏计算机知识的运行人员来说可以解除紧张心理, 双重系统的存在当计算机系统检修或试运行初期, 运行人员可以将常规系统投入运行, 不影响整个电站的正常运行, 但采用双重监控系统, 会使系统复杂, 并增加设计、安装调试等工作量及自动化系统的造价。同casc 系统一样,着计算机技术的发展及其在水电站自动化各领域的普遍应用, 运行人员会逐步掌握计算机知识, 因此c c sc 系统也会逐渐向c bs c 系统转化。3以计算机为基础的监控系统( cbsc ) : cbsc 系统的特点在前面已经概述, 是今后水电站实现计算机监控和主要发展方向, 目前, 国内外大、中型水电站基本上都采用这种模式, 这种系统要求计算机监控系统具有极高的可靠性, 以保证在系统某一个单元或某个局部环节故障时不影响整个系统的正常工作的电站的运行. 并要求系统各部分能分别进行检查、维护或更换部件, 在实际运行中, 具有极高的可利用率综上所述, 今后我国大、中型水电站计算机监控系统就其在监控中的作用分类而言、推荐采用以计算机为基础的监控系统( cbsc ) 。尤其是新建的大中型水电站, 可以取消机组常规控制装置, 简化常规控制设计或仅保留部分现地控制功能作为计算机系统的备用, 采用这种模式可以取得更大的经济效益和社会效益。对于一些已经投入运行的水电站, 常规控制回路或装置已经配置, 则可据各自不同的情况和功能要求等选择cbsc 、ccsc 或casc 三种模式中的一种, 不一定强求一致。 1.2.2其次, 按计算机控制方式结构来分析下列几种模式系统: 1.集中式监控系统: 这种结构模式的优缺点在前面已经作过分析, 在机组台数少, 机组容量小和主结线简单,