（水利水电工程专业论文）基于plc的水电厂现地控制单元监控系统的研究.pdf

基于p l c 的水电厂现地控制单元监控系统的研究 摘要 计算机监控系统不仅是实现水电厂综合自动化的基础，也是实现水电厂“无人值 班，少人职守”的前提条件。现地控制单元即l c u ( l o c a lc o n t r o lu n i t ) 监控系统是 水电厂计算机监控系统的基础和核心，其性能的好坏直接影响着整个计算机监控系统 的工作状况，而机组现地控制单元则是机组能否安全运行的关键所在。本文的重点就 是关于水电厂机组l c u 监控系统的研究。 本文针对目前水电厂现地控制单元( l c u ) 存在的问题，吸收当今先进的全开放监控 设计思想，应用高性能的p l c 技术，对基于p l c 的新型水电厂l c u 进行了深入的研究，解 决目前水电厂l c u 存在的问题。该现地控制单元系统无论在技术上还是在结构上都进行 了创新，在应用领域中更具有新意。 论文首先结合目前国内外水电厂监控系统的发展现状以及现地控制单元l c u 的特 点，在分析l c u 结构和p l c 技术的基础上，对水电厂现地控制单元进行了硬件设计和硬 件组态，并对l c u 进行抗干扰设计和冗余设计。接着重点编制了机组l c u 的开停机控制 程序。然后对水电站现地控制单元控制系统进行了组态，设计了友好的人机界面，最 后应用w i n c c 对监控系统进行了运行调试。 关键词：现场总线，p l c ，机组监控，现地控制单元，硬件组态，入机界面 r e s e a r c ho nm o n i t o r i n gs y s t e mo fl c um t h eh y d r o p 0 、e r s l = f t i o nb a s e do np l c a b s 弧a c i - t h ec o m p u t e rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sn o to n l yt h eb a s eo ft h es y n t h e s i s a u t o m , a t i o n ，b u ta l s oi st h ep r e c o n d i t i o no fr e a l i z i n gt h es i t u a t i o nt h a tn o b o d yi sn e e d e d0 1 1 1 d u t y ( o rf e wd u t i e s ) i nt l a el a y d r o p o w e rs t a t i o n l o c a lc o n t r o lu n i t , n a m e l yl c i ji st l a eb a s e a n dk e r n e lo fh y d r o p o w e rs t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m , t h ep e r f o r m a n c eo fw h i c hr e s u l t si nt l a c r u n n i n gs t a t u so ft h ew h o l ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e md i r e c t l y a n dt h ep l a n tl c u i st l a c k e yp l a c ew l a e t l a c rt l a cw a t e ru n i t st r i l li ns e c u r i t y t h ek e y s t o n eo ft h ep a p e ri st h cr e s e a r c h a b o u tt h ep l a n tl c i jm o n i t o r i n g s y s t e mi nt h eh y d r o p o w e rs t a t i o n a i m i n ga tt h ep r o b l e m si nt l a cp l a n th = uo fh y d r o p o w c rs t a t i o na tp r e s e n t , t l a ep a p 啊 a b s o r b st h ea d v a n c e dw i d e l y - o p e nm o n i t o r i n gd e s i g n i n gi d e a sa n da p p l i e sh i g h - p o w e r e d p l c t e c h n o l o g yt or e s e a r c hn 删l a y d r o c l e c t r i ep o w e l p l a n tl c u b a s e d0 1 11 3 l ci n - d e p t h , a n d t os o l v es o i n ce x i s t e n tp r o b l e m si nt h el c i j t h i si c us y s t e mh a sm u c hi n n o v a t i o ni nt h o t e e l m o l o g yo ri nt h es t r u c t u r e ，a n dh a s f r e s hi d e a li nt l a ea p p l i e df i e l d f i r s t , t h ep a p e r1 1 1 1 i 丘e st l a ed e v e l o p m e n to ft h ep r e s e n td o m e s t i ca n df o r e i g n h y d r o e l e c t r i cp o w e rp l a n t ss u p e r v i s o r ys y s t e m a n di l l cl o c a t i o nc o n t r o lu n i tl c i j c h a r a c t e r i s t i c , m a k e st l a ch a r d w a r ed e s i g na n dt l a el a a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no ft h ew a t e rt h e p o w e l p l a n tl o c a t i o nc o n t r o lu n i tb a s e0 1 1a n a l y z i n gt h e 删s l r t t e t u r ea n di nt h ep l c t e e l m o l o g yf o u n d a t i o n , a n dc a l t j q e so i lt h ea n tj a md e s i g na n dt h er e d u n d a n c yd e s i g nt ol c i j t h e n , t h ee m p h a s i si sp l a c e do i le s t a b l i s h i n gu n i tl c i jt os t a r t u p - s h u t d o w l as e h e d u l c c o n t r o lp r o c e d u r e a f t e r w a r d s ，m 羽【c st h ec o n f i g u r a t i o nf o rl a y d r o p o w e rs t a t i o nl o c a t i o n c o n t r o lu n i t ，h a sd e s i g n e dt h ef r i e n d l ym a n - m a c l l i n ec o n t a c ts u r f a c e f i n a l l y ，i th a sc a r r i e d0 n t h em o v c m e l l ld c b u g g i n g u s i n gw i n c c t ot h es u p e r v i s o r ys y s t e m k e y w o r d $ ：f i e l db l l s ，i l c , i j l g tm o n i t o r ，l o c a lc o n t r o lu 咄 h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n , m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规 范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构 的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 垒勿梢 签字日期： a o , j 7 砂 保证人( 导师) 签名： 鼽穆 签字日期：扣0 j - 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北 水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学位论文在解密 后应遵守此规定) 学位论文作者签名：越红柏、 导师警移份衫t o i 。弘。夕 签字日期： 扣刁岁 签字日期：扣。、j6 、 | 华北水利水电学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着我国电力体制改革的不断深入，全国绝大部分电厂己经与主电网实旆了厂 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，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。在我国的水电开发中，中 小型水电厂占有很大的比例，在电源组成结构中占有重要地位，对其计算机监控水 平有较高的要求，一些老式水电站由于受到当时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，因而进行现地控制单元监控系统改造是必然的趋势，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，无人值守”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，实旌减人增效，具有非常重大的现实意义i l 】。 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。在此前提下开展以可编程控制器p l c 为基础的水电厂现 地控制单元的研究，以提高水电机组运行的可靠性【习。 1 2 水电厂计算机监控系统 1 2 1 国内外发展及现状 在科学技术发达的欧美地区，将计算机应用于水电厂自动化控制比较早2 0 世 纪6 0 年代，美国首先将计算机用于水电厂监控系统，到t t o 年代，计算机在水电站 中的应用就比较广泛，1 9 7 8 年投入运行的大古力发电厂计算机监控系统，采用了分 布处理式的可编程监控系统p m s c 模式，它采用了分层分布系统。随着高性能的微 绪论 机出现，自动发电控制( a g c ) 、自动电压控制( a v c ) 、事故追忆、故障录波、报 表打印等功能成为现实。法国罗那河、加拿大詹姆斯湾梯级水电厂等均成功地实现 了梯级系统的计算机监控。同时，由于水电厂计算机控制技术的发展和自动化元件 可靠性的提高，“无人值班少人值守”在国外电厂已逐步成为现实。从应用的水平 上看，美国、日本、法国等国家处于领先地位。从世界的范围来看，水电厂的计算 机监控系统还处于不断更新、变化的阶段，还没有形成典型的系统，各国的计算机 监控系统很少是完全相同的。随着计算机科学飞速的发展，硬件和软件的更新换代 周期不断减少，可以预计，这将会对水电厂计算机监控系统带来新的改革，产生更为 深远的影响【引 4 1 。 同国外相比，我国计算机在水电站自动化方面的应用起步较晚，但进展很快。 从7 0 年代开始，我国电力行业的科技人员即开始为计算机在水电站的应用发展进行 不懈的追求和探索，经过多年的辛苦努力，我国水电站计算机监控系统技术得到了 很大的发展。改革开放以来，一些水电站从国外引进了一批监控系统，如鲁布革、 葛洲坝大江、潘家口、广蓄一期、天生桥二级等，通过引进、消化、吸收，使我们 对国际水平、世界潮流、国内的优势及差距都有了更深的理解。而令国人更值得庆 贺的三峡水电站已经开始投产发电，装机总容量为1 8 2 0 万千瓦。多年平均年发电量 为8 4 6 8 亿千瓦时，相当于我国1 9 9 2 年全年发电量的近七分之一。三峡水电站采用了 世界上最大的巨型水电站计算机监控系统，该套监控系统的监控对象包括了电站中 所有设备。由于机组容量大，控制监视对象多，计算机监控系统的输出输入信息采 集点总量多达3 9 0 0 0 多个，是目前已实现一流自动化水平的葛洲坝电站的4 倍多。我 们有理由相信，水电站计算机监控将会有全面的推广和广泛的应用【5 11 6 1 。 1 2 2 现地控制单元( “) 的发展趋势 水电厂计算机监控系统通常可以分成两大部分，一是对全厂设备进行集中控制 的部分，称之为厂级或厂站级监控系统；另一部分是位于水轮发电机层、开关站等 设备附近的控制部分，称为现地控制系统。现地控制系统的主要组成部分就是现地 控制单元“= u n o 翻ic o n t r o lu n i t ) ，在早期曾采用过与电网调度远程终端r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i o n 样的名称，考虑到l c u 的含义更确切，自1 9 9 1 年”现地控 制单元学术会议”之后，基本上统一称之为“那。l c u 一般布置在电站生产设备附近， 就地对被控对象的运行工况进行实时监视和控制，是电站计算机监控系统的较底层 2 华北水利水电学院硕士学位论文 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 成控制闭环，它是整个监控系统中很重要、对可靠性要求很高的控制设型7 l 。 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。随着全国水电厂“无人值班”( 少人值守) 工作的推进， 以及多个单机容量7 0 0 m w 的特大型水电厂的建设，要求水电厂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、 网络等新技术为一体的综合系统，l c u 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，完成对电厂生产设备有效的安全监控和经济运行 8 1 。 p l c 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p l c 开发新的 功能模件或者结合p l c 技术和i p c 技术开发出相当于智能现地控制器的新产品。 s c h n e i d e r 公司开发了e r t 模件，g e 公司融入了第三方的产品以满足水电自动化对s o e 的要求。r x 7 i 系列仍然采用v m e 6 4 总线机架方式安装，c p u 采用i n t e lp i i i - - 7 0 0 处理 器，集成2 个i o i o o m 自适应以太网卡，不需要另配以太网模件。主机架采用新型1 7 槽v m e 机架，而扩展机架、i o 模块g e n i u s 网络仍采用原9 0 一7 0 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。 现在可以确信的是在各l c u 生产厂家全面透彻地理解我国水电自动化领域对l c u 的真正需求以后，都会认真的进行新产品开发。无论p l c 、智能现地控制器，还是p c c 、 p a c 。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自动化应用中找到不同的定位( 如一些 l c u 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，不断进行呶j 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用户至为关心的自动化产品的重要 特征。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i n 】。 1 3 几种典型的控制系统 目前应用控制技术进行发电过程控制已经成为提高水电厂自动化水平，提高发 3 电效率，实现水电厂“无人值班”( 少人值守) 的重要方法和途径。控制技术主要有 集散控制技术、现场总线技术、可编程控制器( p l c ) 、工业控制机( i p c ) 等。 随着水电厂自动化的需要和计算机控制技术的迅速发展，历史上出现了几种比 较典型的控制系统 9 1f 捌。 1 ) 集中式控制系统c c s ( c o n c e n t r a t e dc o n t r o ls y s t e m ) 由一台计算机承担整个电厂的监测与控制任务，电厂运行参数的采集和处理由 一台计算机完成。目前，这类系统技术上已经落后，不符合控制系统分布、开放的 发展趋势。但是在我国，这种系统为推动电站自动化控制系统的发展起到了重要作 用，其开拓性的实践是今天控制系统丰富多彩的基础。 2 ) 集散式控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 在7 0 年代中期产生了集散控制系统( d c s ) ，d c s 是集4 c 技术一一计算机技术 ( c o m p u t e r ) 、控制技术( c o n t r 0 1 ) 、通信技术( c o m m u n i c a t i o n ) 和c r t 显示技术为一体 的高新技术产品，d c s 由四部份组成：管理级、监控级、控制级和现场级。一般都是 由d c s 生产厂家自行开发的，所有部件都是专用的。从目前的d c s 来看，一个控制器 完成几十个回路的运算和几百点的采集、再加适量的逻辑运算，经现场使用，效果 比较好。如图1 一l 所示： 常规仪表i o现场总线仪表 常规仪表i o 图i - i 集散式系统结构图 f i gi - it h es t n , _ c t m md i a g r a mo fd i s t r i b u t e ds y s t e m d c s 采用网络通信技术实现集中监视、操作和管理，具有控制功能强、操作简 便和可靠性高等特点，可以方便地用于工业装置的生产控制和经营管理，是针对生 产过程实施监视、操作、管理和分散控制的4 c 技术的结合。 4 华北水利水电学院硕士学位论文 3 ) 现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) f c s 是在d c s p l c 基础上发展起来的新技术。现场总线是。从控制室连接到现场 设备的双向串行数字通信总线”，现场总线的“现场”更多的是指现场设备，而不 是指位置。f c s 主要特点是采用总线标准，一种类型的总线，只要其总线协议一经确 定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。它既是一个开放的通讯网络，又是 一种全分布的控制系统。它把智能设备作为网络接点挂在总线上构成自动化系统， 实现基木控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、优化及管控一体化等综合自动 化功能。 f c s 是一种分层分布式控制系统，其发展前景很好。它在很多方面继承了d c s p l c 成熟技术- 。例如在人机界面操作站、基于w i n c c 的编程组态方法、热备冗余思想和方 法、远程i 0 和现场变送器等仪表的两线制供电、本质安全防爆等方面。但就目前水 电厂计算机监控系统的实际情况来看，采用完全f c s 的可能性还小。因为很多设备的 智能化、数字化进程影响了现场总线技术的进一步应用【1 2 。 4 ) 以可编程控制器为基础的开放控制系统 p l c ( 可编程控制器) 作为微型计算机的一个分支，是一种数字运算操作的电子系 统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执 行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟 式的输入和输出，控制各种机械或生产过程t 均。 p l c 大家族中比较典型的最新一代可编程控制器被称为p c c ( p r o g r a m m a b l e c o m p u t e rc o n t r o l l e r ) ，作为新一代的工业控制器，是一种更开放、具有互操作性 的分层分布式控制系统，它代表了当今工业控制技术的一大趋势。它面向控制并融 合了p l c 和i p c ( 工控机) 两者的特点，取长补短，同时具有良好的兼容性、强大的 通讯功能、优良的实时性、灵活的组网技术、丰富的功能函数、品种繁多的硬件模 块、多种高级语言的使用等，从而以较高的性能价格比，构成当代高水平的工业控 制平台f 堋。 1 4 本文的主要内容和研究意义 1 4 1 本文研究的主要内容 现地控制单元为水电厂计算机监控系统的一个重要组成部分，它构成分层结构 5 中的现地级。现地级一般包括机组现地控制单元、开关站现地控制单元、公用设备 现地控制单元等，如果将泄洪闸门的控制纳入电厂计算机监抨系统，则现地级还皮 包括泄洪闸门现地控制单元，现地级一方面与电厂生产过程联系、采集信息，并实 现对生产过程的控制，另一方面与电厂级联系，向它传送信息，并接受它下达的命 令。因此，可以说，现地控制单元是水电厂计算机监控系统的基础，而机组现地控 制单元则更是机组能否安全运行的关键所在。主要内容如下： 1 ) 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，结合目前水电站的设备管理状况，提出可编程控制器在水电厂现地 控制单元研究中的重要性。 2 ) 对i c u 结构模式、结构体系和p l c 技术进行分析研究，为本文的系统结构设 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厂现地控制装置硬件 体系结构。 4 ) 提出l c x j 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 ) 利用监控软件w i n c c x 寸现地控制单元进行组态和调试运行以达到水电厂自 动化监控系统的实现。 1 4 2 本文的技术路线 本文在论述过程中主要用到了一下几种技术：水电厂控制技术、p l c 技术、数 据采集与处理技术、网络及通讯技术、硬件系统组态技术以及监控系统组态技术。 技术路线图如1 - - 2 所示。 6 华北水利水电学院硕士学位论文 1 4 3 本文研究的意义 图i - 2 技术路线图 f i g1 - 2 t h e e t h n i c a l 本文融合了先进的全开放式的分层分布监控系统设计理念，应用贴近实际的 p l c 技术以及监控组态软件技术对水电厂现地控制单元的硬、软件结构体系进行了 研究和设计，这对水电厂现地控制单元存在问题的解决以及现地控制单元在技术上， 在结构、性能上等各方面的应用，都有其实用价值。主要表现一下几点： 结构简单，层次清晰 维护方便，易于使用 易于扩充和升级 性能优良 7 现地控制单元l c u 第二章现地控制单元l c u l c u 布置在机旁，其监控对象为水轮发电机组及其辅助设备，它向电厂级发送采 集的各种数据和事件信息，并接受电厂级的命令对设备进行监控，同时又能脱离电 厂级独立工作。 2 1l c u 基本功能 1 ) 数据采集与处理 l c u 应能自动采集和处理各类实时数据，包括模拟量的采集与处理、开关量的采 集与处理、有功、无功电度量采集及处理和温度量的采集及处理四个部分【1 5 l 【1 6 1 。 ( 1 ) 模拟量的采集与处理 模拟量定义为除温度量以外的所有电量和非电量。l c u 周期性采集机组、主变和 线路各种模拟量，并对所采集的模拟量进行越复限比较，经模拟数据滤波、数据合 理性检查、工程单位变换、数据改变( 是否大于规定死区) 、越限检查和趋势分析、 信号抗干扰、限值比较等处理后上送主控级及现地显示。 ( 2 ) 开关量的采集与处理 开关量包括事件顺序记录( s o e ) 开关量和普通开关量两种。s o e 开关量指事故、 断路器分合及重要电气保护、水机保护的动作信号。监控系统采用快速扫查方式检 测这些动作信号并以毫秒级的时间分辨率进行记录。普通开关量是指各类故障信号、 报等信号、隔离开关位置、设备状态等。监控系统对普通开关量的采集为定时扫查 方式。对开关量信号的处理包括光电隔离、硬件及软件滤波、基准时间补偿、数据 有效性合理性判断、启动相关量处理功能，最后经格式化处理后存入实时数据库。 ( 3 ) 有功、无功电度量采集及处理 l c u 电度量处理由交流量采集装置将采集到的电度量数据通过通讯方式传送至 l c u 。系统应配备全电子多功能电度表用以测量机组、变压器和线路的有功无功电 度，对有功、无功电度量进行分时累计及电度计算，并且与电站总电能计费系统及 监控系统进行通讯。 ( 4 ) 温度量的采集及处理 温度的感温元件为电阻，测温点均接入i u 的p l c 温度采集模块，其中各个部位 测点进入可编程测温装置。当某一点温度异常时，l c u 能对其进行追忆，在离线方式 8 华北水利水电学院硕士学位论文 下人为地定义追忆点。轴承温度点分别进行保护处理，任意一组满足启动温度保护 的条件，且温度保护功能投切压板投入，则进行温度保护动作停机。当机组温度越 上限或上上限时，l c u 应能作出报警处理。 2 ) 安全运行监视 与主控级配合，实现安全监视，主要包括实时状态监视，越线检查，开停机过 程监视等。l c u 配置现地指示装置，可以用光子牌显示有关设备的运行状态及故障 信号等，可以对各种运行参数和水轮发电机组的运行工况，机组辅助设备和公用设 备的运行状态、断路器位置、隔离刀闸和接地刀闸的位置、保护动作信号、通讯通 道的运行状况等进行监视。为保证监控系统的安全运行，运行人员在操作时需用口 令登录。 3 ) 控制与调节 现地控制单元对于接收的控制命令，不论是来自电厂级还是现地人机接口均应 进行控制允许合理性校核，只有在控制允许合理性得到确认之后，才发出执行命令 1 1 6 】l 切。 ( 1 ) 机组现地控制单元在现地控制或电厂远方控制均应具有以下控制调节功能： 一，实现机组顺序控制，包括机组开机顺序控制，机组正常停机顺序控制，机 组事故停机操作，开机过程中冗余设备( 如技术供水、高压油泵等) 自动选择等；二， 机组转速及有功功率调节和机组电压及无功功率调节；另外，对被控设备进行操作， 运行人员能通过l c u 级的人机接口设备对单台设备控制。 ( 2 ) 开关站现地控制单元应具备以下控制调节功能；一，应能实现对单台设备的 操作；二，应能实现线路断路器关合( 同步) 操作。对需要进行倒闸操作的开关站， 应能实现自动顺序倒闸操作。 ( 3 ) 公用设备现地控制单元应具备以下控制调节功能，能实现对可操作的单台设 备进行操作和主备设备的自动备投操作。 ( 4 ) 大坝泄洪闸门现地控制单元可根据需要选择是否设置。 4 ) 通讯功能 与监控系统电厂级通信，包括随机和周期性地向电厂级传送实时过程数据及有 关诊断数据，并能接受电厂级下达的控制和调整命令。与本现地控制单元相关的调 速、励磁及保护系统进行通信。 5 ) 时钟同步功能 9 现地控制单元l c u 各现地控制单元级的时钟同电厂监控系统主站级的时钟应能进行同步控制，供 事件顺序记录使用的时钟同步精度应高于所要求的事件分辨率。 6 ) 自诊断及自恢复功能 现地控制单元配置完备的硬件及软件诊断功能，内容如下： ( 1 ) 周期性在线诊断。 对现地控制单元级处理器及接口设备进行周期性在线诊断，当诊断出故障时， 应自动记录和发出信号；对于冗余设备，应自动切换到备用设备。在现地控制单元 在线及人机对话控制下，对系统中某一外围设备能使用请求在线诊断软件进行测试 检查。 ( 2 ) 离线诊断。应能通过离线诊断软件或工具，对现地控制单元设备或设备组件 进行查找故障的诊断。 ( 3 ) 掉电保护和自恢复功能。包括软件及硬件的监控定时器( 看门狗) 功能。 7 ) 人机接口功能 l c u 应配置必要的人机接口功能，以保证调试方便，在电厂级故障时，电厂运行 人员能通过现地控制单元人机接口完成对所属设备的控制和操作，从而达到保证电 厂设备的安全及生产的正常运行。人机接口功能的配置可根据l c u 硬件配置的不同而 有所区别。般来说，l c u 如果采用了工控机结构，则人机接口功能可考虑配置完善 一些，否则人机接口功能的配置可考虑简化一些，但必须确保l c u 调试方便及能够独 立运行。人机接口功能除了要满足实现单项设备控制、闭环控制要求外，还应具有 顺序控制等软件的编辑、编译、下装功能，以及现地数据库编辑、下装功能等。 2 2l c u 结构类型 现地控制单元l c u 主要是用来对机组进行监视控制的设备，一般布置在发电机旁 边，是计算机监控系统较低层和基础的部分，原始数据都在此采集，各种控制调节 命令都最后在此发出。l c u 的监控对象包括： 电厂发电设备，包括发电机、水轮机、主变、励磁、调速系统等。 公用设备，主要有厂用电、直流、油水风等。 开关站，主要有母线、断路器、隔离开关等。 泄洪闸门设备，主要有各种进水口快速闸门，泄洪闸门等。 华北水利水电学院硕士学位论文 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 、泄洪闸门l c u 等。如果按照l c u 的结构和配置来分，可以分为微机一总线型结构的l c u 、以可编程 控制器为基础的l c u 、以智能i 0 模件为基础配置的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【1 2 1 瑚。 1 ) 微机一总线型结构l c u 采用微机一总线型结构的l c u 在国内外较为普遍，例如南瑞自控公司的s j - 4 0 0 等，其基本结构是采用总线型的母板，如s i 一4 0 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 控自行开发的船模件系列。采用的模件种类有监控板、存储器板、a d 或d a 转换板、 面板接口板、串行或并行接口板、总线背板及总线扩充板、电源及其监视板等总计 近6 0 种。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。但由于当时制造水平的限制，这种l c u 的工艺水平尚存在一些问题，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 2 ) 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。究其原因如下： 第一，可靠性高、抗干扰能力强，能适应恶劣的工业环境。 p l c 采用微电子技术，硬件上采用强抗干扰措施如隔离、滤波、接地等，对元器 件精心挑选等电磁兼容设计软件上采用如数字滤波、软件陷阱、差错校验等抗干 扰和故障恢复技术。另外p l c 还具有完善的自诊断功能，使故障查找和判断迅速准确， 能及时诊断出p l c 系统的软硬件故障并能保护故障现场，是一种高可靠的工业产品。 第二，采用模块化结构，系统组成灵活方便。 各种系列的p l c 都具有各自的系列产品、各种模块供用户选用。p l c 在硬件选择 和软件编制上都具有很大的灵活性。用户可以根据不同任务的要求，选择不同类型 的模块，组成不同硬件结构的控制装置。其次，相同硬件构成的p l c ，利用不同软件 可以实现不同的控制任务。 第三，功能完善。 现代p l c 具有数字量和模拟量输入输出、逻辑运算和算术运算、p i d 调节、各种 智能模块等功能。除了适用于离散性开关量控制系统外，还可应用于连续的流程控 制系统。 第四，编程简单，使用方便。采用诸如梯形图语言等编程方式，面向问题，面 1 1 现地控制单元l c u 向控制过程，容易理解、掌握，程序易于修改，调试方便。 基于上述原因，以p l c 为基础的l c u 深受系统集成商和用户的欢迎。目前国内用 于工程的p l c 品牌很多，主要有美国的g e - 9 0 系列、a b 系列、m o d i c o n 系列：日本k o y o 公司的s u 系列、0 m r o n 系列、三菱系列、德国西门子系列等。下图为基于p l c 的单机 型l c u ，如图2 1 ： 图2 1 基于p l c 的k = u 结构图 f i g2 - 1t h e 栅c i u r ed i a g r a mo fi j c ub a s e do rp l c 3 ) 以智能i o 模件为基础配置的l c u 研制l c u 通常会遇到两个问题。一是如何提高事件的分辨率，二是时钟同步的问 题。为解决以上两个问题，一般需要配置中断扩展板和高精度时钟板，近年来，以 网路为基础的智能i o 模件也开始在工程中使用，这种模件的特点是分布式，每块模 件上均带有c p u 和电源，可独立工作，每块模件可灵活地选配各种i 0 单元。每个模 件通过网络进行连接，没有总线。虽然智能i o 模件技术先进，但缺乏大量的工程实 践，因此也不予采用，但我们对此密切关注，因为它是以后的一个发展方向 从常用的结构看，也有多种配置方式，一体化工控机加p l c 的方式、触摸屏加p l c 直接上网的方式、控制面板加p l c 直接上网的方式等。不论哪种方式，都是以p l c 为 基础。本文研究的是以德国西门子s 7 系列为基础的l c u ，因为它有大量的工程实践， 性能先进而稳定，编程简单，备品备件容易采购【1 9 】。 2 3 可编程控制器p l c 可编程控制( 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 ) 简称p l c 2 0 l ，是本世纪6 0 年代 发展起来的被国外称为“先进国家工业自动化三大支柱( p l c 技术、机器人、计算机 华北水利水电学院硕士学位论文 辅助设计和分析) ”之首的工业自动化理想控制装置。它是一种将微机技术用于工业 控制的专用计算机，采用可编程序的存储器，用来存储用户的命令，通过数字或模 拟量的输入输出，完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些确定的功能， 控制各种类型的机械或生产过程。它具有软件程序设计简单易学、硬件配置方便、 安装使用方便、组合灵活、适应能力和抗干扰能力强以及运行稳定可靠等特点。 2 3 1p l c 的发展 虽然p l c 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，p l c 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 t l 【2 1 1 ： ( 1 ) 早期的p l c ( 6 0 年代末- - 7 0 年代中期) ：早期的p l c 一般称为可编程逻辑控制 器。其特点是：c p u 由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器；功能简单，主 要能完成条件、定时、计数控制等功能：机种单一没有形成系列；没有成型的语言 ( 2 ) 中期的p l c ( 7 0 年代中期- - 8 0 年代中后期) ：在7 0 年代开始采用微处理器作为 p l c 的中央处理单元( c p u ) 。这样，使得p l c 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 p l c 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p l c ( 8 0 年代中、后期至今) ：p l c 融入j e t h e r n e t 、w e bs e w e r 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。以l c d 为显示的人 机智能接口普遍使用，高级的己发展到触摸式屏幕；除手持编程器外，大量使用了 笔记本电脑和功能强大的编程软件。如s c h n e i d e r 公司的p l 7 、s i e m e n s 公司的s 7 。在 这时期，p l c 的数据采集处理、数字运算、人机接口和网络通信能力都得到大幅度提 高，p l c 逐渐进入过程控制领域。由于p l c 具有通用性强、可靠性高、使用方便、编 程简单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。 p l c 自闯世以来，日本、德国、美国等国家相继推出了各自的p l c , 常见的有德国 西门子公司的s 7 系列、日本三菱公司的f x 系列和a 系列、欧姆龙公司的c 系列、美国 a b 公司的p l c 5 系列等等。我国近1 0 年以来在p l c 的研制、生产、应用方面发展很快， 如上海宝钢的第一、二期工程共采用了3 5 0 多台p l c 实现自动控制，在北京吉普车生 产线、天津化纤厂等都采用y p l c 控制。在电力系统中p l c 应用日趋广泛，如：秦川电 现地控制单元l c u 站、加拿大c a e 公司为葛洲坝设计的监控系统等等。 2 3 2p l c 的一般结构和工作原理 1 ) p l c 的一般结构 用p l c 实施控制实质上就是按照一定的算法进行输入输出变换，并将这个变换 予以物理实现，可以说入出变换、物理实现是p l c 实施控制的两个基本点。所谓入出 变换实际上就是信息处理，它是当今最常用的微处理技术，只不过p l c 使其应用于工 业现场。但p l c 的物理实现却不同，这也正是它与普通微机的区别所在，普通微机一 般只需考虑信息本身，而p l c 则还考虑到要适应工业现场，这就是要求i 0 电路专门 设计。综上所述，p l c 一般采用典型的计算机结构，其结构框图如图2 2 所示【2 2 】。 现地自动化单元其它设备 图2 2 可缡程控制器的结构示意图 f i 9 2 - 2 t h e $ n 1 4 3 t u m d i a g r a m o f p r o g r a m m a b l e c o n t x o u c r c p u 一般由控制电路、运算器和寄存器组成，c p u 通过地址总线( a b ) 、数据总线 ( d b ) 和控制总线( c b ) 与存储单元、输入输出接口连接；系统程序存储器用来存放控 制和完成p l c 各种功能的程序；用户程序存储器用来存放由编程器输入的用户程序； 输入输出部分是p l c 与被控设备相连接的接口电路；电源部分将交流电源转换成供 p i g 的中央处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，使p l c 能正常工作。 2 ) p l c 的工作原理 与微机在许多方面有相似之处，但其工作方式却与微机有很大不同。微机一般 采用等待命令的t 作方式。p l c 贝i j 采用循环扫描方式，在p l c 中用户程序按先后顺序存 放，c p u 从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周 而复始不断循环。这种工作方式是在系统软件控制下，扫描输入的状态( 输入刷新) ， 按用户程序进行运算处理，然后向输出发出相应的控制信号( 输出刷新) 。 ( 1 ) p l c 采用循环扫描的上作方式闭刚 1 4 华北水利水电学院硕士学位论文 p l c 采用循环扫描的上作方式，可以看成是一种由系统软件支持的扫描设备，不 论用户程序运行与否，都周而复始地进行循环扫描，并执行系统程序规定的任务。 每一个循环所经历的时间称为一个扫描周期。每个扫描周期又分为几个工作阶段， 每个阶段完成不同的任务。如图2 3 所示： 图2 3p 1 c 的工作过程框图 f i 9 2 - 3 t h e w o r k i n g c o u i s e f r a m e o f p i c ( 2 ) p l j c 的i o 滞后现象 由于p l c 采用循环扫描工作方式，且对输入和输出信号只在每个扫描周期的i o 刷新阶段集中输入并集中输出，所以必然会产生输出相对输入的滞后现象。扫描周 期越长，滞后现象越严重。但般扫描周期只有十几毫秒，最多几十毫秒，因此滞 后现象在慢速控制系统中还是允许的，但在快速响应系统中就成了需要解决的问题。 2 3 3p l c 的显著特点 p l c 可编程控制器以其显著特点引起人们广泛的关注，并且在众多行业中得到广 泛应用。其具有以下显著特点： 1 ) 高可靠性。为满足工业生产对控制设备安全可靠性的要求，p l c 采用微电子 技术，应用良好的综合设计，选用优质元器件，大量的开关动作由无触点的半导体 电路来完成，并采用隔离、滤波、屏蔽等抗干扰技术以及先进的电源技术、实时监 控技术、故障诊断技术和冗余技术，使p l c 的平均无故障时间在两万小时以上 2 ) 编程容易、便于使用。p l c 具有丰富的指令系统和较大的用户存贮容量。采 用