（水利工程专业论文）plc在水电机组现地控制单元中的应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 西门子s 7 系列可编程控制器简单、可靠、功能强大。本研究针对目前水电厂机 组现地控制单元( l c u ) 存在的问题，研究和设计高质量、高性能的基于p l c 的新型 水电厂机组l c u ，解决目前水电厂l c u 存在的问题。该现地控制单元系统在结构上 进行了创新，在应用领域中具有新意。本文的研究工作主要体现在如下几个方面： l 、根据有关工业标准，确定了硬件体系的设计原则。通过对计算机监控系统的 控制模式、开放体系结构、现场总线技术和可编程控制器应用技术进行研究，设计了 适合水电机组的西门子s 7 p l c 水电机组l c u 的硬件体系结构。 2 、提出了水电机组l c u 的软件设计原则，对软件功能的需求进行分析，设计了 机组l c u 功能。 3 、结合现场试验对系统的性能进行了总结评价，对其技术经济性进行了分析。 这种新型现地控制单元已应用于生产实际，效果良好。它的的研究与设计有助于 我国水电厂计算机控制技术的提高，对提高水轮发电机组运行水平具有显著意义。 关键词：机组现地控制单元( l c u ) ，可编程控制器，机组控制，现场总线 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i e m e n ss 7s e r i e sp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r s ( p l c s ) a r es i m p l e ，r e l i a b l ea n d p o w e r f u l t h i sp a p e rd e s i g n sah i g hq u a l i t y ，h i g hp e r f o r m a n c ep l a n tl o c a lc o n t r o lu n i t ( l c u ) t os o l v es o m ep r o b l e m si nt h er u r m i n gl c u s t h i sl c ui si n n o v a t i v ei ni t s s y s t e m s t r u c t u r ea n de x t e n d st h ep l c sa p p h c a f i o nf i e l d t h er e s e a r c hm a i n l yi n c l u d e s ： 1 a c c o r d i n gt or e l a t e di n d u s t r ys t a n d a r d s , t h ed e s i g np r i n c i p l e so ft h eh a r d w a r ea r e p r o p o s e d w i t hd o i n gr e s e a r c hi nt h ec o n t r o lm o d eo fc o m p u t e rb a s e ds u p e r v i s o r ys y s t e m ， o p e ns t r u c t u r e ，f i e l db u s e sa n dp l ca p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y , s i e m e n ss 7p l cb a s e dl c u f o rt h ep l a n ti sd e s i g n e d 2 t h el c us o t w a r ed e s i g np r i n c i p l e sa r ep r o p o s e d ，w i t ha n a l y z i n gt h eu s e r s r e q u i r e m e n t t h el c uf u n c t i o n sa r ed e s i g n e d 3 e c o n o m ya n da d v a n c ei nt e c h n o l o g yi sa n a l y z e db a s e do n t h ef i e l dt c s t e s t h i sn e wd e s i g n e dl c uh a sb e e np u ti n t oo p e r a t i o ni ng e z h o u b ah y d r o p o w e rp l a n t i t f u n c t i o n sp e r f e c t l y t h es u c c e s so ft h ed e s i g no ft h el c ui s p r o m o t i n gn a t i o n a lp l a n t c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n di m p r o v i n gt h ep l a n t su n i tr u n n i n gl e v e l k e y w o r d s ：l o c a t ec o n t r o lu n i t ( l c u ) ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) ， u n i tc o n t r o l ，f i e l db u s i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 睁 口，年i f 月? 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：私指导教师签名：洌启皂n l f 年，t 月矿日 伽f 年月豸稻 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 绪论 水电是电能的重要组成部分，水电整个生产过程不需燃料，基本没有废弃物排放， 因而在经济、社会迅速发展、环境问题日益严重的今天，其优势越发明显。改革开放 以来，我国水电建设取得了突飞猛进的发展。从9 0 年代开始，随着我国水电设计、 建设、带4 造安装及运行技术水平的逐步提高，以及对外开放、国际合作交流的发展， 单机容量7 0 0 m w 、5 5 0m w 、4 0 0 m w 及3 0 0 m w 的大型水电机组相继投产，我国水 电己跨入了世界大电厂、大机组运行的行列，水电生产、运行、管理也迈入了一个稳 定提高的新阶段。截止到2 0 0 1 年底，我国水电总装机容量己达7 7g w ，年发电量2 5 7 0 亿k w h 。分别占全国发电总装机容量和发电量的2 4 和1 7 。大中型水电厂1 4 0 多座，其装机容量约5 0 g w ，其中1 g w 以上的特大型水电厂1 8 座l lj 。 水电建设的发展不仅为国民经济的发展提供了廉价的电力，而且为电网的安全、 稳定、经济运行发挥了巨大的作用，三峡工程建设和跨区域电网的发展，使水电在电 网中的地位与作用更加突出。随着我国电力体制改革的不断深入，原中国国家电力公 司所属的发电企业拆分重组形成5 家发电集团公司，全国绝大部分电厂已经与主电网 实施了厂网分开，各发电企业及各发电厂之间的竞争愈加激烈，增强发电厂竞争实力 的关键是提高劳动生产率，如何对己建成投产的水电厂实施全面技术改造，采取先进 成熟的技术与设备，不断提高水电站设备自动化水平，提高水电厂整体管理水平，适 应我国电力建设发展的需要，是摆在电力生产管理部门面前的一项紧迫而繁重的任 务。随着水电厂“无人值班”( 少人值守) 工作的不断深入开展，对水电厂的生产运行 和管理提出了更高的要求，以“厂网分开、竞价上网”为基础的电力体制的改革也对水 电厂自动化技术提出了新的要求。同时，计算机技术、信息技术、网络技术的飞速发 展，给水电站计算机监控系统无论在结构上还是在功能上，都提供了一个广阔的发展 舞台。对于大中型水电机组而言，单机容量大，在电源组成结构中站有重要地位，对 华中科技大学硕士学位论文 其自动化水平有较高的要求，由于受到国内技术水平的限制，设备自动化水平和技术 水平不能满足现代电力市场的需要，设备安全可靠性较差，维护工作量大，人员配置 较多，进行机组监控系统改造，不但可以实现包括机组经济安全运行、出力调整、数 据处理、运行参数显示、打印和存储、实时状态显示、事件顺序记录和事故追忆等常 规设备难以实现的功能，还可以减少运行值班人员，实现“少人值班”的目标，并为远 方监控和水电站办公自动化创造条件。因此，研究功能强大、可靠性高的现地控制单 元，对提高设备健康水平，实掩减人增效，具有非常重大的现实意义。 葛洲坝水力发电厂位于湖北省宜昌市南津关下游，是新中国水电建设史上的一座 丰碑。她奠基于七十年代初，竣工于八十年代末。共装机2 1 台，其中大江电厂安装 1 4 台机组，二江电厂安装7 台机组，总容量2 7 1 5 万千瓦，年均发电量1 5 7 亿千瓦时。 电能通过7 回2 2 0 千伏高压、4 回5 0 0 千伏超高压和葛上士5 0 0 千伏超高压直流输 电线路。作为当时的最大水电工程设备使百分之百国产，由于我国的水电厂监控技术 当时很落后，起点低，因此葛洲坝电站监控设备改造也在不断的进行，机组现地控制 装置历经了s x j 1 顺控装置到s j 4 0 0 现地控制装置再到s j 6 0 0 现地控制装置的过程， 在这个改造过程中主要采用的是国内生产的设备。由于制造水平的限制，设备的可靠 性还不能满足要求，与葛洲坝电厂的地位不能相适应。水电厂“无人值班”( 少人值守) 要求的提出，对计算机监控系统提出了更高的要求，为提高自动化水平，适应形势， 提出了实施机组现地控制单元技术改造研究。 1 2 国内外发展趋势 水电站计算机控制技术的发展始于二十世纪六十年代，七十年代末随着计算机技 术的迅猛发展，性价比不断提高，开始广泛应用于水电站自动化的各个领域。世晃各 国对水电站计算机监控系统的研究和开发都十分重视，理论研究和工程实施十分活 跃，一些科学技术发达的国家在工程应用上做了大量工作，水平较高。如：美国在大 古力和石河段等几座大型梯级水电站已经实现了计算机控制；日本在实现中小型水电 站和抽水蓄能电站计算机控制方面比较突出，最典型的有新高濑川和主原两座抽水蓄 能电站；法国在梯级水电站的计算机控制方圆已处于领先地位，典型的有罗纳河梯级 华中科技大学硕士学位论文 水电站和莱茵河梯级水电站k j ，q j 。我国的水电站计算机监控系统经过水电行业科研、 规划、设计、生产等部门几代人的辛勤劳动，经历了从无到有，并逐步发展壮大，技 术水平和研发能力已逐步赶上国外先进水平。 计算机应用于水电站自动化的课题，在我国曾是一个长期研究而在很长段时间 内未能圆满解决的问题州。5 0 年代开始，直至7 0 年代广东流溪河和四川龙溪河等水 电站的计算机监控试点，在这一段漫长的时期，虽经原机械部、水电部、电子部所属 多个全国性大型科研院所的努力，在改进基础自动化元件，研制“四遥”、“功调”、“巡 梭”及“屏幕显示”等新技术、新装置方面取得一定成绩，但总体水平还是很差，无一套 水电站计算机监控系统在国内成功投运。当时存在的主要问题可以归纳为：主计算机 不可靠，可利用率低；无法解决计算机系统的抗干扰及合理接地问题；水电站实时监 控的系统功能设计及设备选配问题；应用软件的组织及软件结构问题等。 1 9 7 9 年由原电力部科技委在福建古田主持召开的“全国水电站自动化技术经验交 流会”提出了1 9 7 9 1 9 8 5 年的七年奋斗目标。要求认真抓好基础自动化工作，提高主、 辅机和自动化元件的制造质量，加强梯级电站和大型电厂综合自动化试点工作，加强 充实原南京自动化研究所( 现名为国家电力公司电力自动化研究院自动控制研究所简 称电自院自控所) 和中国水利水电科学研究院自动化所等两个水电站自动化科研和试 制基地，建议尽快引进国内外先进技术，加强基础理论研究，建立技术交流情报网( 后 改称信息网) 等等。会议制定的七年水电厂自动化科学技术发展规划所确定的部重点项 目有：长江三峡、葛洲坝、富春江、新安江等水电厂综合自动化的研究，以及浑江、 永定河梯级水电站集中控制和经济运行的研究等。 1 9 8 7 年1 0 月“全国水电厂自动化技术总结和规划落实工作会议”在南京自动化研 究所召开。会议听取了浑江、水定河梯级水电厂、富春江和葛洲坝水电厂“六五”期间 计算机监控系统试点的总结报告等，拟定了计算机监控系统在水电站应用的模式，着 重讨论了七五”期间水电厂应用计算机规划和关于水力发电厂采用计算机监控 系统的若干要点等文件，建议“七五”期间1 4 个新建水电厂和1 2 个已运行电厂启动 或实现计算机监控工作。总共安排2 6 个水电厂实现不同程度的计算机监控功能和经 济运行。 华中科技大学硕士学位论文 1 9 9 3 年5 月由原电力部科技司、生产协调司会同水电规划设计总院，中国电力企 业联合会联合在成都召开了“全国水电厂计算机监控系统工作会议”。据不完全统计， 当时全国有2 4 个水电厂及梯级水电厂( 或水电厂群) 的计算机监控系统已经基本形成 并投入运行。提出了水电厂计算机监控系统的几种成熟模式，监控系统产品基本达到 了工业化生产和实用水平，认为我国水电厂计算机监控系统已达到国外8 0 年代水平。 会议提出水电厂全厂( 综合) 自动化方面计算机推广应用的主要规划目标是： “八五”期间应有4 0 个左右大型电厂( 群) 实现计算机自动经济运行及安全监视。 到2 0 0 0 年大型水电厂和集中管理的梯级电厂( 群) 都应实现不同程度的计算机 监控。按照此规划，预期2 1 世纪初全国大中型水电厂总装机容量的7 0 左右实现不 同程度的计算机监控。会议还制定了相应的技术政策和措施，如“新建大型水电厂以 及有条件的梯级水电厂( 或水电厂群) 都要坚持采用计算机监控系统设计建设的技术政 策”。 1 9 9 4 年1 0 月太平湾会议和1 9 9 6 年5 月湖南会议又提出了水电厂“无人值班”( 少 人值守) 的目标。在总结了广州抽水薷能水电厂( 引进监控系统) 和沙田电厂( 南瑞监控系 统) 等经验后，太平湾会议确定永定河、浑江、太平湾长甸梯级水电站和葛洲坝二 江电厂等作为我国第一批“无人值班”( 少人值守) 的科研示范工程。湖南会议决定再扩 大试点，确定龚嘴和映秀湾水电总厂、万安、隔河岩、柘溪、葛洲坝、鲁布革、白山、 紧水滩等9 个水电厂为第二批试点单位。到1 9 9 9 年底，我国通过部安生司“无人值 班”( 少人职守) 验收的有广州抽水蓄能电厂、太平湾长甸梯级水电站和葛洲坝二江 电厂等7 个电厂。这些电厂计算机监控系统都按“无人值班”( 少人值守) 若干舰定的要 求经过了全面严格的考验。 1 3 主要研究内容 水电厂要实现“无人值班”( 少人值守) ，对电厂主辅设备都是有要求的。这些在 电力工业部电安生kz 9 9 6 目4 8 4 号文水电厂“无人值班”( 少人值守) 的若干规定( 试 行) 中已有明确的规定。如对主设备要运行稳定、安全、可靠，其一类率特别是完 好率要达到规定的要求等等。对计算机监控系统提出的要求包括“水电厂应装设必要 4 华中科技大学硕士学位论文 的全厂自动化系统，其功能应包括自动安全监视、自动打印记录制表、自动事件顺序 记录，有条件时宜有自动经济运行功能”。“对于装设计算机监控系统的情况，在开、 停机，调相转换等自动顺序操作过程中，需要有中断程序后，能直接停机的功能”。“当 计算机控制系统软、硬件发生故障时，仍应能自动停机、跳闸和关闭进水阀和快速闸 门”。 从4 8 4 号文的上述规定来看，对计算机监控系统的要求可以归纳为： ( 1 ) 具有自动安全监视等全厂自动化功能，并在水电厂自动安全运行的基础上， 有条件的亦具有自动经济运行功能。即在正常运行时是由遥控命令及厂内自动化装鼍 来实现正常操作。 ( 2 ) 在计算机执行程序中断后，或软、硬件故障时应有完善的安全措施，如自 动停机，跳闸，关闭闸门等。即事故后完善的安全补救措施，能在异常情况下具有自 诊断、自恢复、或自动复归的能力。 因此，计算机监控系统应具备的特点和功能有：开放环境，分层分布结构，数据 采集和处理，安全自动监测，自动发电控制。自动电压控制，经济运行，事件顺序记 录，重要模拟量趋势分析，事故相关量趋势分析，事故相关量追忆。电量、水量累加 计算，报表打印，语音报警等功能，并要求可靠性高，可利用率高，维修时间短等【6 j 。 随着现代计算机技术的发展，新技术、新产品不断出现，特别是功能强大、硬件 可靠的大中型p l c 的出现，为新型水轮机发电机组现地控制单元的研究及制造提供了 可靠的硬、软件基础。在此前提下开展以西门子s 7p l c 为基础的“p l c 在水电机组控 制单元中的应用”研究、设计和制造，以提高水电机组运行的可靠性和调节质量，不 但对水电事业的发展是一促进，丽且也会带来巨大的社会和经济效益。能有效地解决 目前水电机组现地l c u 的不足，提高水轮发电机组运行的安全稳定性，具有极大的 发展前景。主要内容如下： l 、引出本文将要研究的主要问题。首先对水电站计算机监控系统的国内外发展 趋势进行分析，结合葛洲坝水电站的设备管理状况，提出对西门子s 7 可编程控制器 水电机组控制单元研究的必要性和迫切性。 ， 2 、对l c u 结构体系、开放的体系结构和现场总线技术进行研究，为装置的系统 华中科技大学硕士学位论文 结构设计提供基础。 3 、提出一种以西门子s 7 系列可编程控制器为基础的水电机组现地控制装置硬件 体系结构。 4 、提出l c u 软件的设计原则，进行软件功能设计，对软件进行技术实现。 5 、根据前述装置软硬件的研究开发，对系统性能进行测试和效益评价。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1l c u 的结构模式 2l c u 体系结构设计 l c u 主要是就地对机组运行实现监控和控制，一般布置在发电机附近，是计算机 监控系统较底层的控制部分。原始数据在此进行采集，各种控制调节命令都最后在此 发出，因此可以说是整个监控系统很重要的、对可靠性要求很高的“一线”控制设备。 现地控制单元可用来选择远方，就地控制方式，可就地进行手动控制或自动控制，实现 数据采集、处理和设备运行监视，通过局域网与般控系统其他设备进行通信，以及完 成自诊断功能等。由于l c u 直接与电厂的生产过程接口，对发电机生产过程进行监 控，实时性要求很高，以便完成调速、调压、调频以及事故处理等快速控制的任务。 在上位机系统出现故障或退出运行时，l c u 应仍能正常运行和实现对水轮发电机组发 电的基本控制。因此可以说l c u 是水电厂计算机监控系统中最具面向对象分布特征 的设备。 现地控制单元的控制对象包括以下几部分： a 电厂发电设备，主要有主机、辅机、变压器等。 b 开关站，主要有母线、断路器及隔离开关。 c 公用设备，主要有厂用电系统、风水油系统、蓄电池支流系统等。 d 闸门设备，主要有球阀和泄洪闸门等。 ( 1 ) 现场总线技术1 7 , 8 , 9 在自动化领域中一直由集敖控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 占据主导 地位。计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统，电动单元组合式模 拟仪表控制系统，集中式数字控制系统以及集散控制系统后，进入上世纪9 0 年代以 来，一场拉动自动化仪器仪表工业“革命”和仪器仪表产品全面更新换代的技术在国 际、国内引起人们广泛的注意和高度重视，其发展的势头已成为世界范围内的自动化 技术发展的热点，这就是被业界人士称为“自动化仪表与控制系统的一次具有深远影 7 华中科技大学硕士学位论文 响的重大变革”的现场总线技术，以及基于现场总线的工业过程智能自动化仪表和基 于现场总线的开放自动化系统。在此基础上进一步发展，构成了新一代的自动化仪表 与控制系统的先进体系，向更高层次的“综合自动化”推进。 8 0 年代后期从网络通信诞生的现场总线技术是术，经历十几年左右的迅速发展， 许多计算机和测控行业的大公司自己或相互联合推出各自的现场总线标准。目前国际 上有4 0 多种现场总线，其中比较著名或用得较为普遍的现场总线标准有基金会现场 总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s - - f f ) 、p r o f i b u s 开放的现场总线、l o n w o r k s 现场总线、 w j r l d f i p 总线、c a n 总线【1 1 , 1 2 】。 现场总线实际上是将安装在工业过程现场的智能自动化仪表和装置与设置在 控制室内的仪表和控制设备连接起来的种全数字化、串行、双向、多站的通信网 络。基于这种总线的新一代控制系统被誉为第5 代控制系统，即现场总线控制系统 ( f i e l dc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 【1 3 】。 现场总线的突出特点在于它克服了d c s 系统中通信由封闭的专用网络系统实现 中所产生的缺陷，把基于封闭专用的解决方案变成基于公开标准化的解决方案。同时 把集中与分散相结合的d c s 集散控制结构，变成新型的全分布式结构，把控制功能 彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。 现场总线的特点主要表现在以下几个方面： 以数字信号完全取代传统d c s 的4 2 0 m a 模拟信号，且信号双向传输。一对双 绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大为减 少，连线设计与接头校对工作量也大为减少。同时，通信总线延伸到现场传感器、变 送器、控制器和伺服机构，操作人员在控制室就能实现主控系统对现场设备的在线监 视、诊断、校验和参数整定，从而提高了系统的精度、可监视性和抗干扰能力，节 省了硬件数量与投资。 相对于传统的d c s 三层结构而言，现场总线在结构上只有现场设备和操作管理 站两个层次，将传统d c s 的i o 控制站并入现场智能设备，取消了i o 模块。现场仪 表都内装有微处理器，它们各自进行采样、a d 转换、线性化或校正运算处理、报警 判断以及控制算法等功能，输出的结果直接送到邻近的调节装置上，完全不需要经过 华中科技大学硕士学位论文 控制室主控系统，从根本上改变了传统d c s 集中与分散相结合的结构体系，实现了 结构上的彻底分散。 现场总线网络系统是开放的。将系统集成的权力交给用户，用户可以按自己的需 要和考虑，把来自不同供应商的产品组成规模各异的系纠。因而现场总线称为自动 化领域的开放互连系统，其开放性和互操作性体现在可以用不同厂家的现场仪表去替 换出现故障的另一厂家的现场仪表，更换后通信能够恢复正常，同时又可以查询新的 现场仪表的自身信息。 现场总线的拓扑结构通常采用树形结构，如图2 - 1 所示。在这种形式下，每个现 场设备只能连到点，在大多数应用场合下该点可以是接线盒，也可以是其中个现场 设备的接线区。它采用同一对线进行现场设备通信和对现场设备供电，因而可以明显 减少连线和安装费用。 接线面板 图2 一l 现场总线的拓扑结构 ( 2 ) 现场总线技术在水电站监控系统的应用f 1 5 , 1 6 】 水电站监控系统现场控制层主要由智能仪表、现场设备和现场总线组成。智能仪 表是带有微处理器芯片的仪表，由于带有常规仪表所没有的复杂计算功能，因此可以 实现很多的控青4 功能。现场控制层可以完成数据采集、数据分析、数字通信等功能。 由现场总线来数据采集、传递、控制和调节等功能，实现了功能分布、位置分布、真 实的开放式分布系统。系统的优点：可靠性高。由于整个系统采用现场总线技术， 实现了现场设备最底层的通讯，务智能仪表具有基本的控制功能，使整个系统的基本 功能在现场完成，确保即使现场总线出现故障，也不会影响整个系统。性能价格比 9 华中科技大学硕士学位论文 高。与其它监控模式相比，由于现场总线控制系统节省投资和安装费用，因而性能价 格比高。 目前大、中型水电站励磁和调速器目前均己实现了微机智能化，具备了数字化通 信和适应现场总线的要求。在油、气、水系统的各类辅机中，仅有一部分仪表己经智 能化，可以适应现场总线的要求，多数仪表及自动化元件还需要改进。但大多数辅机 自动化仪表及元件都是由c p u 为核心构成，极易实现智能化和数字化通信。在水电 站机组现地单元级实现现场总线控制系统是具备条件的，是水电站基础自动化发展的 方向，它将提高水电厂计算机监控系统的可靠性、经济性和技术性能，使单元级控制 系统进入一个新的开放式分布分散智能化控制系统的阶段。由于水电厂辅机自动化仪 表及装置还有一个完善过程，所以在现场总线的应用中必然要实现一个过渡模式，就 是将现场总线仅作为通讯网络使用，将现场控制设备通过i o 直接挂在现场总线上， 这样就将难以解决的通讯问题转化为系统内的现场总线通讯，同时也解决了网络数据 传输的瓶颈现象。 随着现场总线技术的不断成熟，充分利用现场总线技术的可靠性高、开放性好、 可互操作等优点来开发研究新型的水电厂计算机监控系统f c s ，在水电厂的扩建和技 术改造中具有广泛的推广前景。 2 1l c u 结构分类1 7 】 l c u 按监控对象和地理位置可分为机组l c u 、公用l c u 、开关站l c u 等。如果 按照l c u 的结构和配置来分，可以分为单板机总线型结构的l c u 、以可编程控 制器为基础的l c u 、智能y o 模件配工业实时网而构成的l c u 等三种，结构和配置 会直接影响到l c u 的性能，下面分别进行介绍。 单板机总线型结构l c u 采用单板机总线型结构的l c u 在国内外较为普遍，例如南瑞自控公司的 s j o o 等，其基本结构是采用总线型的母板，如s j _ 叫o o 就是采用i e e e 7 6 9 总线标 准，或称为多总线( m u l i t b u s ) 。采用的模件有美国i n t e l 公司的i s b c 8 6 0 5 a 单板机， 以及南瑞自控自行开发的m b 模件系列。采用的模件种类有监控板、存储器板、开 1 0 华中科技大学硕士学位论文 入开出板、a d 或d a 转换板、面板接口板、串行或并行接口板、总线背板及i o 总线扩充板、端配板、电源及其监视板等总计近6 0 种：其基本特点是由引进或国产 的芯片设计成各种功能的单板，并配以控制面板、输入输出匹配电路、电源等，构 成现地控制装置；采用p l m 的功能语言编程，可用来实现数据检测及闭环控制。采 用这种结构可以设计功能性能都很理想的l c u 。已在不少水电厂成功地投入使用， 但由于当时我国制造岁水平的限制，这种l c u 的工艺水平不高，接插和焊点容易出 现问题。给调试和维持带来困难，这也可以说是第二种l c u 出现的原因。 以可编程控制器为基础的l c u 我国将可编程控制器用于水电站发电设备监控的例子不少【惜j 。究其原因是，可编 程控制器般均按工业环境使用标准设计，可靠行高，抗振等性能好，为系统集成商 省去了机械设计、加工、装配、焊接等技术和工艺要求等的工作，并且接插性能好， 整机可靠性高。目前用于配置l c u 的可编程控制器的种类有：美国g e 公司的9 0 系 列，如9 0 一7 0 或9 0 _ o o ；k o y o 公司的s u 一5 ，s u 6 ，s g - 一8 系列i 美国a b 公 司的p l c 5 、p l c - 2 和s l c 系列；日本o m r o n 公司的c 2 0 0 、c 5 0 0 、c 2 0 0 0 系列： 美国m o d i c o n 公司的q u a n t u m 系列；日本m i t s u b i s h i 公司的f z 2 a 系歹4 等。 智能i o 模件配工业实时网的l c u 近年来权威人士指出，计算机技术经历了“以大型机为基础的计算”、“以p c 机为 基础的计算”和“以网络为基础的计算”三个阶段，这也反映到l c u 研制的动向上来。 类似的有以单板机为基础的l c u ，以p l c 为基础的l c u 和以网络为基础的l c u 。这 类l c u 的代表产品a b bm o d c e l l 智能数据处理模件及其国产化产品的代表 s j 6 0 0 系列l c u 。 2 3 p l c 的发展1 9 】 可编程序控制器的英文为p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l i e r 1 9 6 9 年，美国数字 设备公司( d e c ) 研制出第一台p l c ，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成 功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积 小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其她工业领域 霪广应用。到j 9 7 1 年， 华中科技大学硕士学位论文 已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现， 也受到了世界其他国家的高度重视。1 9 7 1 日本从美国引进了这项新技术，很快研制 出了日本第一台p l c 。1 9 7 3 年，西欧国家也研制出它们的第一台p l c 。我国从1 9 7 4 年开始研制。于1 9 7 7 年开始工业应用随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在 已有第五代p l c 产品了。 在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原 料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工 业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按 照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制； 以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的 离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以p l c 发展成了取代继电器 线路和进行顺序控制为主的产品。在多年的生产实践中，逐渐形成了p l c 、d c s 与 i p c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r , i 业控制计算机) 三足鼎立之势。 p l c 具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点， 这是它能持久的占有市场的根本原因。 p l c 在9 0 年代已经形成微、小、中、大、巨型多种p l c 。按y o 点数分，可分 为： 微型p l c ：3 2 y o 小型p l c ：2 5 6 y o 中型p l c ：1 0 2 4 i o 大型p l c ：4 0 9 6 i o 巨型p l c ：8 1 9 5 y o 对应中型及其以上p l c ，均采用1 6 位一3 2 位c p u ，微、小型p l c 原采用8 位c p u ， 现在根据通讯等方面要求和计算机技术的发展，有的也改用1 6a t e 3 2 位c p u 。 p l c 控制器本身的硬件采用积木式结构，各厂家产品结构大同小异。以日本欧姆 龙c 2 0 0 h e 为例，为总线模板框式结构，基本框架( c p u 母板) 上装有c p u 模板， 其它槽位装有y o 模板；如果y o 模板多时，可由c p u 母板经y o 扩展电缆连接i o 华中科技大学硕士学位论文 扩展母板，在其上装i 0 模板：另一种方法是配备远程i o 从站等。这些都说明了p l c 厂家将硬件各部件均向用户开放，便于用户选用，配置成规模不等的p l c ，而且这种 硬件配置的开放性，为制造商、分销商( 代理商) 、系统集成商、最终用户带来很多 方便。 p l c 内的f o 模板，除一般的d i d o 、a d d a 模板外，还发展了一系列特殊功 能的i o 模板，这为p l c 用于各行各业打开了出路，如用于条形码识别的a s c i i b a s i c 模板，用于反馈控制的p i d 模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模板、单轴位 置控制模板、双轴位置控制模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等，这在以后 还会有很大发展。另外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、 地隔离等方面也会更加完善。 p l c 中的c p u 与存储器配合，完成控制功能。它与d c s 系统处理温度、压力、 流量等参数的系统不同，采用快速的巡回扫描周期，一般为o 1 - 4 ) 2 秒，更快的则选 用5 0 毫秒或更小的扫描周期。它是一个数字采样控制系统。 为了完成控制策略，为了替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统 梯形图，而编制了一套控制算法功能块( 或子程序) ，称为指令系统，固化在存贮器 r o m 中，用户在编制应用程序时可以调用。指令系统大致可以分为两类，即基本指 令和扩展指令。细分一般p l c 的指令系统有：基本指令、定时器计数器指令、移位 指令、传送指令、比较指令、转换指令、b c d 运算指令、二进制运算指令、增量减 量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等，这些指令多是类似汇编语言。另外p l c 还提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程 带来极大方便1 2 。 由于各p l c 厂家产品在指令系统上的差异及编程方法上用户要求不同，近年来 i e c 制订了基于w i n d o w s 的编程语言标准i e c 6 1 1 3 1 3 ( 注：1 9 9 3 年i e c 颁布可编程 序控制器的国际标准i e c l l 3 1 ) ，它规定了指令表( i l ) 、梯形图( l d ) 、顺序功能图 ( s f c ) 、功能块图( f b d ) 、结构化文本( s t ) 五种编程语言。这包括了文本化编程 ( i l 、s t ) 和图形编程( l d 、f b d ) 两个方面，而s f c 则在两类编程语言中均可使 用。i e c 技术委员会( t c 6 5 ) 以来开展了i e c 6 1 4 9 9 项目，将i e c 6 1 1 3 1 - 3 进行了扩展， 华中科技大学硕士学位论文 它是针对通过通信网络互联的模块化分布系统的体系结构的标准，将对i e c 6 1 1 3 l 一3 有所改善。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的 标准化文件，是p l c 发展的一大趋势。 一个或若干p l c 与p c 机联接系统，p c 机起到原编程器及人机界面操作站的作 用，这是2 0 世纪9 0 年代的新潮流，这样为系统集成带来了商机，同时编程软件和人 机界面软件( 监控软件或称组态软件) 及软件接口( 或称驱动软件) 也得到了发展。 近年来，p l c 厂家在原来c p u 模板上提供物理层r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 接口的基础上， 逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很 快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展，所以p l c 构成的p c s 系统比d c s 的开放性所处的现状稍好一些。目前罗克韦尔a b 公司已形 成了多层结构体系，即e t h e r n e t 、c o n t r o l n e t 、d e v i c e n e t 等现场总线( 原d h + 网也 可兼容) 。西门子公司在p r o f i b u s d p 通讯网络及p r o f i b u s f m s 网络以外，提出了s 7 r o u t i n g 网络，即p r o f i b u s d p 和i n d u s t r i a le t h e m e t 两层结构。 p l c 的发展特别是现场总线技术及以太网技术的发展，为其在水电领域的应用提 供了坚实的基础，适应了水电厂综合自动化控制的需要。近十几年来，p l c 在水电领 域盼应用越来越广泛，从辅机控制到主设备控制。经验表明：随着p l c 人机界面、网 络等功能的提高，继续提高机组l c u 的可靠性，完善其控制功能，仍然是水电机组 现地控制单元研究的重要课题。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 l c u 硬件技术实现 3 。l 硬件体系结构主要研究内容 水电厂以安全、优质、经济地生产电能为其总目标，提高电厂乃至枢纽的自动化 水平对整个枢纽的经济运行具有相当重要的意义，而机组现地控制单元( l c u ) 则是 水电厂枢纽综合自动化系统的一个主要部分。 充分提高水电厂自动化监控水平和经济运行水平，对保证国民经济的迅速发展有 着极其重要的意义。电力生产过程的特点是电磁干扰大、信号量多、控制过程复杂。 对自动化装置的实时性、可靠性、可利用率、测量精度和控制功能等方面有较高的要 求，传统的监控设备功能已越来越不能够满足电力工业目益发展的需求，而以新一代 计算机技术为基础的自动化单元监控装置以其技术先进、功能强、实时性高等优点而 目益得到广泛应用。 通过第2 部分的分析研究，针对目前葛洲坝电厂的具体情况，在l c u 硬件体系结 构上，采用西门子s 7 系列p l c 构件机组的现地控制单元，机组现地控制单元( l c u ) 系统采用全开放分层分布式结构。机组监控功能分散设置，分层分布，使某个节点故 障对整个系统的影响降到最低，并充分利用微机电调( w t ) 、微机励磁( w u ) 、微 机保护( w b h ) 和原设备常规二次控制回路功能与职能，协调配合，共同完成机组的 监控任务。系统结构如下图3 1 。 整个装置以网络为基础，连接各个智能设备，该装置分为两层： a 监控系统主干网络采用1 0 0 m b p s 双冗余以太网结构，连接上位机主机以 及工程师站，当某一段网络出现故障时整个计算机监控系统都不会受到影响。其 功能如下： 与上位机之间交换数据： 各个l c u 之间相互交换数据； 工程师站通过以太网对l c u 装置进行装置程序编辑、维护以及下载； 华中科技大学硕士学位论文 网络拓扑结构可以采用总线、星型或者环行 网络速率为1 0 1 0 0 m b p s ； 规约为t c p i p 。 b 现场总线网络，采用标准、开放的p r o f i b u s d p 现场总线，速率最高可以 达到1 2 m b p s 。 图3 1 西门子s 7p l c 水电机组现地控制单元硬件体系图 3 2 硬件体系设计原贝1 2 1 , 2 2 , 2 3 本项研究依据国家电力公司“关于创建国际一流水电厂考核标准( 试行) 实旌细 则( 发输电中( 2 0 0 2 ) 1 2 8 号) ”、d l t 5 7 8 9 5 水电厂计算机监控系统基本技术条件、 i e e e8 0 2 3 网络技术标准、d l f f 5 0 6 5 1 9 9 6 水力水电厂计算机监控系统设计规定、 d i 门5 0 8 1 1 9 9 7 水力水电厂自动化设计规范、g b 4 9 4 3 8 2 数据处理设备的安全、 g b 7 4 5 0 8 7 电子设备雷击保护原则、e i a t i a 一5 6 8 布线标准等，结合现场实际情况， 按照经济、实用、先进的原则进行设计。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 葛洲坝水力发电厂在是华中电网的主力电厂，在系统中处于举足轻重的地位，对 设备可靠性要求高，选用的设备必须是成熟的、标准的硬件系统；体现合理、先进、 功能强大的方针。同时整个系统必须安全可靠、实用经济、技术先进、易于维护、有 较强的升级换代能力。具体设计原则为： ( 1 ) 系统的可靠性 为达到无人值班的目标，监控系统应具有极高的可靠性。采用国际著名厂商的成 熟而可靠的、标准化的硬件、网络结构，应有长期的备品和技术服务支持；采用分布 处理技术和冗余技术。系统关键部位采用冗余配置，互为备用。 ( 2 ) 系统的开放性与可扩性 系统主要硬件设备选型应符合计算机技术发展迅速的特点，采用全分布开放式系 统，能在水电厂环境下长期连续稳定运行，符合开放系统要求，便于功能和硬件的扩 充和升级。 ( 3 ) 系统的安全性 系统应是标准化的成熟产品，功能完善并模块化，并具有完备的、确保硬件的安 全性措施，防止监控系统硬件故障或缺陷对现场设备造成危害。 ( 4 ) 抗干扰能力 系统现地网络采应用光纤技术，避免现地电磁场的干扰。对计算机系统的电源应 进行隔离。现场信号采取光电隔离或其它隔离措施。 3 3 装置硬件结构 现地控制单元是实现水电厂计算机监控的关键设各，可用的设备型号也较多， 选择余地较大，故选型时应根据葛洲坝水电站的实际情况及所要求的控制功能、控 制方式和资金情况等加以慎重考虑。 p l c 机型的选择是一项比较关键的工作，需要综合考虑现场信号的制式、控制组 态、i o 点数、可靠性、经济性等各方面的因烈“i 。在这个系统中，我们的出发点是 输入采用d c2 4v 信号，这样一方面可利用p l c 本身的d c2 4v 电源，另一方面较 低的电源电压可降低成本，调试也变得相当便利、安全；输出主要选用继电器输出， 华中科技大学硕士学位论文 以尽可能直接用于驱动执行元件【2 5 1 ；重要的是p l c 要能直接采用以太网方式直接上 网，数据库功能强大。基于这些考虑，葛洲坝水电站选用l c u 装置采用德国s i e m e n s 公司的s 7 系列可编程( p l c ) 作为控制器，同时配置了相应的电源、转速测量、同 期、温度测控等装置。该型号p l c 自推出以来，以其卓越的性能价格比，在全世界得 到了广泛的应用。西门子s 7 系列可编程控制器主要技术优点如下： 在指令功能上具有丰富的指令集且指令执行速度高；支持间接寻址方式： 内冕