（水利水电工程专业论文）基于现场总线的电厂排水自动化系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 垄曳 排水系统是水电厂电力安全生产的重要环节，目前排水自动化系统 普遍存在自动化水平落后，控制和维护分离的现象。为改变这种现状，本文将 现场总线技术和控制、维护和管理的综合集成的思想引入到排水自动化系统中， 将自动控制和智能维护相结合，以提高排水系统的自动化水平和可靠性，为水 电厂的安全生产提供有力的保证。 本文共分五章，首先论述了排水自动化系统的现状以及存在的问题，并介 绍了现场总线技术及其特点、发展现状和方向，阐述了控制、维护集成自动化 的思想，强调了用现场总线技术和控制维护集成思想对现有的排水自动化系统 进行升级和改造的必要性和可能性。其次对当前实现排水自动化的各种方法进 行了比较，借鉴c m m s 的思想对用户的需求进行了分析，在此基础上提出了基 于现场总线技术的排水自动化控制和维护系统的总体设计框架，包括系统的组 成和功能。 然后分析了状态检测和故障诊断的原理，重点论述了基于模型参考的故障诊 断方法和基于专家系统的故障诊断方法，并论述了在排水自动化系统中故障诊 断的实现方法。在对现场总线通信模型阐述的基础上，分析了本系统采用的 p r o f i b u s d p 现场总线协议在各层的具体实现以及通信实现的具体过程，并着 重对该现场总线通信的实时性和可靠性进行了论述。 本文最后结合工程实践，论述了排水控制和维护集成自动化系统的现地自 动化单元的软件功能、结构和软件设计要点以及集控及维护站的软件功能、结 构和软件设计要点。少， 在本课题研究的基础上，基于现场总线的排水自动化控制维护系统已经在 清江高坝洲水电厂投入使用，系统运行良好。 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nah y d r o p o w e rp l a n t , d r a i ns y s t e m i sa ni m p o r t a n tp a r to fs a f e p o w e r p r o d u c t i o n n o w a d a y s 。t h e r e i sal o wl e v e lo f a u t o m a t i o nj nd r a i na u t o m a t i o ns y s t e m s , a n ds e p a r a t i o no fc o n t r o la n dm a i n t e n a n c e i no r d e rt oc h a n g et h i sc o n d i t i o n , t h e d i s s e r t a t i o ni n 舡o d u c e st h ef c s ( f i e l dc o n 忙o ls y s t e m ) t e c h n o l o g ya n dt h ei d e ao f i n t e g r a t i o no fc o n t r o l ，m a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n t ( c m m s ) i n t od r a i na u t o m a t i o n s y s t e m ，a n di n t e g r a t e s t h e i n t e l l i g e n t c o n t r o la n d i n t e l l i g e n tm a i n t o n a n c e ，a n d i m p r o v e st h el e v e lo fa u t o m a t i o na n dm l i a b i l i t yo f d r a i na u t o m a t i o ns y s t e m 。a n d g u a r a n t e e s t h es a f ep r o d u c i n go f p o w e ri nah y d r o p o w e rp l a n t n 壕d i s s e r t a t i o nc o n s i s t so ff i v ec h a p t e r s 。f i r s t , t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h e p r e s e n tc o n d i t i o na n dt h ee x i s t i n gp r o b l e mo f 也ep r e s e n td r a i na u t o m a t i o ns y s t e m s a n di n t r o d u c e st h ef i e l db u sa n di t sc h a r a c t e r s t i e s ，t h ep r e s e n tc o n d i t i o na n d 也e d k e c t i o no fd e v e l o p m e n t i ta l s od e s c r i b e st h ei d e so fi n t e g r a t i o no fc o n t r 0 1a n d m a i n t e n a n c ea n de m p h a s i z e st h ei m p o r t a n c ea n dn e c e s s i t yo fi m p l y i n gt h ef i e l db u s t e c h n o l o g ya n di n t e g r a t i o no f c o n t r o ia n dm a i n t e n a n c et od r a i na u t o m a t i o ns y s t e m t h e n , t h ed i s s e r t a t i o n c o m p a r e s a l lk i n d so fm e t h o d so fi m p l e m e n to fd r a i n a u t o m a t i o nw i t he a c ho t h e ra n d a n a l y s e st h er e q u e s to f u s e ra c c o r d i n gt ot h ei d e ao f c m m s b a s e do nt h e s ea n a l y s e s ，i tp u t sf o r w a r dt h ed e s i g nf r a m e w o r ko fd r a i n i n t e g r a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mo fc o n t r o l a n dm a i n t e n a n c eb a s e do nf i e l db u s t e c h n o l o g y , i n c l u d i n g t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no f t h e s y s t e m t h e n , t h i sd i s s e r t a t i o n d e s c r i b e st h et h e o r yo fs t a t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sa n dd i s c u s s e st h em e t h o d o fm o d e lb a s e df a u l td i a g n o s e sa n dt h em e t h o do ff a u l td i a g n o s e sb a s e do ne x p e r t s y s t e m i nd e t a i l i ta l s od i s c u s s e st h em e t h o d o f i m p l e m e u to f f a u l td i a g n o s e si nd r a i n a u t o m a t i o ni nh y d r op o w e rp l a n ti nd e t a i l b a s e do nt h ec o m m u n i c a t i o nm o d e lo f f i e l db u s ，i ta n a l y s e st h ei m p l e m e n tm e t h o do fp r o f i b 啦- d pp r o t o c o li ne v e r yl a y e r a n dd i s c u s s e st h er e a lt i m ea n d r e l i a b i l i t yo f f i e l d b u sc o m m u n i c a t i o ni nd e t a i l a tl a s t , t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dt h es o r w a r cf u n c t i o n , s o f t w a r ec o n s t r u c ta n d k e yp o i n to fd e s i g no fs o r w a r eo f l o c a la u t o m a t i o nu n i t , a n dt h es o f t w a mf u n c t i o n , s o l c a r ec o n s t r u c ta n d k e yd 0 i n to fd e s i g no f t h es t a t i o no fc o n t r o la n dm a i n t e n a n c e h a v eb e e nd i s c u s s e d b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h e s u b j e c t , t h e d r a i nc o n t r o la n dm a i n t e n a n c e a u t o m a t i o ns y s t e mb a s e do nf i e l db u st e c h n o l o g yh a sb e e np u ti n t o p r a c t i c e s i n g a o b a z h o uh y d r op o w e rp l a n to f q i n g j i a n gc o r p o r a t i o na n dt h i ss y s t e mi si nag o o d w o r k i n gc o n d i t i o n k e y w o r d s ：f i e l db u s - b a s e da u t o m a t i o ns y s t e m ，f a u l td i a g n o s i s ， c m m s ，m o d e l b a s e df a u l td i a g n o s i s n 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 提要：本章分析了水电厂排水自动化系统的现状以及将现场总线技术和控 制、维护综合集成自动化引入排水系统的必要性，接着介绍了现场总线技术及 其特点、分类以及发展现状和发展方向。最后阐述c m m s 的思想，提出了基于 现场总线技术实现排水系统的控制、维护综合集成自动化的构想。 1 1 电厂排水自动化的现状 水电站厂内排水系统的任务是：避免厂房内部积水和潮湿，保证机组过水 部分和厂房水下部分的安全检修。一般分为两种：一种为机组和厂房水下部分 的检修排水，当需要检查和修理水下部分的设备或建筑时，必须将水轮机蜗壳、 尾水管和压力引水管道内的积水排除。另一种为渗漏排水，包括机械设备如水 轮机顶盖与大轴密封的渗漏排水、下部设备的生产排水、厂房下部生活用水的 排水以及厂房水工建筑的渗水，如大坝廊道中的渗漏排水。 检修排水量大，位置较低，需要大容量的水泵电动机。渗漏排水量小，需 设置集水井将渗漏的水收集起来，用水泵将水抽出。所需的水泵电动机的容量 也小，但是，要求水泵电动机频繁启动。因此在水电站中检修排水和渗漏排水 分开设置。 排水系统的分布一般比较分散。在湖北清江公司高坝洲水电厂的廊道中相 距最远的两个排水泵站之间的距离可达到1 5 k m ，中控室距离最远的排水泵站可 达2 5 k m 。设备分散是水电厂排水系统的个重要的特点。既要求现地设备可靠 运行又要求在中控室实现远程监控，这对于传统的控制方式来说有一定的难度。 以往的控制系统多采用点对点的现地单元控制。就目前水电厂的现状而言， 有许多水电厂使用常规的继电器来实现排水自动化控制。一方面，继电器不能 实现较为复杂的控制策略，而且控制方式固定，一旦要对系统进行改进或修改 控制流程，就需要更改线路。另外一方面，就信号传输的抗干扰性而言。当中 华中科技大学硕士学位论文 控室与现地单元之间有较多的开关量和模拟量需要交换时，需要较多电缆用于 信号的传输，远距离进行模拟量的传输必然会造成信号的干扰，长距离的开关 量的传输也会造成误动作。 在排水系统的维护的方面，常规的继电器控制方式无法观测现场设备的状态 演变，预防故障的产生；无法对廊道等重要场所的积水情况以及各设备的长期 运行工作状况记录存档，给电厂的运行管理带来诸多不便；无法实现集中监控， 运行人员只能到远离中央控制室的现场，实地观测排水系统的运行状况；在系 统性能降低和出现故障时，运行维护人员也只能通过例行的巡检来发现和处理， 严重影响了处理问题的及时性，妨碍了电厂综合自动化水平的提高。 为了达到排水系统的“无人值班”的要求，实现现地设备的安全、可靠地 运行，设备应能实现智能控制和智能诊断，无须人为的干预：同时在分散控制 的基础上，应能在中控室内实时监测现地设备的状态，并进行故障诊断和故障 处理，以实现自动化设备的集中维护和管理。在当前的控制体系中，基于现场 总线的全分布式控制体系能满足排水控制自动化系统的要求。 1 2 现场总线技术 1 2 1 现场总线及其特点 现场总线控制系统是从8 0 年代中期发展起来的。现在，该技术已经被广泛 应用于制造业、过程自动化、电力生产、汽车及楼宇自动化等各个控制领域。 现场总线技术被认为是工业控制领域的必然发展趋势。它使用一种串行的全数 字的数据通信链路，建立了生产过程领域的基本控制设备( 即现场级设备) 之间以 及更高层次自动控制领域的自动化控制设备( 即车间级设备) 之间的联系【l 】。现场 总线中的现场主要是指有现场总线通讯能力的现场设备，可以是智能传感器、 智能执行器，还可以是现地控制设备。其优点如下【3 0 3 2 j ： 1 ) 具有较高的性能价格比。系统综合成本及安装费用较传统的控制系统低。 系统原来的成百甚至上千根控制电缆减少到一根总线电缆，接线端子、 电缆桥架等附件也大幅度地减少，电缆及其它的附件的成本大大降低。 2 华中科技大学硕士学位论文 设计、安装、调试及维护的费用大幅度地减少，缩短了维护和改造的停 工时间。系统结构的简化使得系统的安装和布线变得简单易行。系统的扩展比 原来方便。现地设备的智能化以及诊断功能的加强使系统的调试和维护变得轻 松。 2 ) 系统的整体性能大幅度的提高。 提高了数据传输的可靠性，现场总线在通信介质、信息检验、信息纠错 和重复地址检测等方面都有严格的规定，从而确保总线通信的快速和安全可靠。 增加了自动诊断、自动故障定位功能。诊断的内容包括总线节点的通信 故障、电源故障，以及现场装置和连接件的断路、短路故障，并能迅速发现系 统的各种故障状态，进行故障定位。 采用全数字信号通信，有效提高系统的测量和控制精度。各种开关量、 模拟量信号以数字信号的形式传输，避免了模拟信号传输带来的信号的衰减和 变形以及开关误操作等缺陷。 许多总线节点具有i p 6 7 的防护等级，具有防水、防尘及抗振动的特性，可 以直接安装于工业设备上，不用经现场接线箱转接。 为了应用于石油、化工等生产过程自动化的危险防爆场所，现场总线标 准规定了本质安全型总线。 3 ) 各种现场总线的标准向统一化方向发展，开发性进一步加强，打破了设 备供应商的技术垄断，促进了公平竞争和技术的发展，给用户带来了更多的益 处，现场总线技术较d c s 在开放程度方面有了质的发展。 1 2 2 现场总线技术的现状 现场总线技术的发展一直受到国际电工委员的重视，于1 9 8 4 年开始起草现 场总线标准。由于各国的利益，统一标准的进展较慢，先后于1 9 9 3 年至1 9 9 8 年 形成现场总线物理层规范、链路服务定义和协议规范、应用层服务定义和协议 规范。2 0 0 0 年1 月通过的新的现场总线标准，包括8 种类型现场总线阴，编号为 t y p e l 至t y p e8 。它分别是原来的i e c 6 11 5 8 技术规范、c o n t r o l n e t 现场总线、 p r o f i b u s 现场总线、pn e t 现场总线、f f h s e o t i g hs p e e de t h e r - n e t ) 、s w i f l n e 觋 华中科技大学硕士学位论文 场总线、w o r l d f i p 现场总线和i n t e r b u s 现场总线。以下着重论述t y p e l 和p r o f i b u s 现场总线的技术特点以及现场总线发展的方向。 1 ) t y p el 现场总线 1 9 9 9 年1 季度出版的i e c 6 1 1 5 8t s ( t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n ) 技术规范所定义 的现场总线称作t y p e l 现场总线。该现场总线的网络协议是按照o s i 参考模型建 立的，它由物理层、数据链路层、应用层、以及考虑到现场装置的控制功能和 具体应用而增加的用户层组成。t y p e1 现场总线构成的系统如图1 1 所示。 e n l e r n e t ，t c p i p 图1 1 巩c 推荐的现场总线( t n 1 ) 体系结构 t y p e i 在物理层规定h 1 和磁两种通信速率，m 总线主要用于现场级，其速 率为3 1 2 5 k b i f f s ，h 2 总线主要面向过程控制级、远程加和高速工厂自动化的应用， 其速率为im b i t s 、2 5 m b i t s 和1 0 0 m b i t s 。 在数据链路层，总线访问控制采用链路活动调度器( l a s ) 方式，现场总线应 用层由现场总线访i h ( f a s ) 子层和现场总线报文规范( f m s ) 子层构成。f a s 子层为 f m s 子层提供发布者接收者( p u b l i s h e r s u b s c r i b e r ) 模式、客户机服务器 ( c l i e n t s e r v e r ) 模式和报告分发模式等3 种报文传送服务。f m s 子层则提供对象字 典( o d ) 服务、变量访问服务和事件服务等。现场总线用户层具有标准功能块( f b ) 和装置描述( d d ) 功能。标准规定t 3 2 种功能块，现场装置使用这些功能块完成 控制策略。由于装置描述功能包括描述装置通信所需的所有信息，并且与主站 4 华中科技大学硕士学位论文 无关，所以可使现场装置实现真正的互操作性。 2 ) p r o f i b u s 现场总线 t y p e 3 现场总线为p r o f i b u s 总线，它得到p r o f i b u s 用户组织p n o 的支持，已被 采纳为欧洲e n 5 0 1 7 0 标准的第二部分，德 s i e m e n s 公司是p r o f i b u s 产品的主要供 应商。由该总线构成的系统体系结构如图1 2 所示。由此图可见，网络体系结构 共分4 级，最低一级执行器变送器级采用a s i 位总线( i e ct c l 7 b 标准) ，现场 级采用p r o f i b u s - d p p r o f i b u s - p a 总线，车间单级采用p r o f i b u s f m s 总线，工厂级 使用工业以太网。 图3 t y p e 3p r o f i b u s 现场总线体系结构 图1 2p r o f i b u s 现场总线体系结构 p r o f i b u s 系列由3 个兼容部分组成，b p p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s - f m s 和 p r o f i b u s - p a 。 p r o f i b u s d p 适用于处于现地装置级的自动控制系统与分散加之间高速通 信，它包括物理层、数据链路层以及用户接口三层，这种结构能够保证快速和 有效的数据传送。在用户接口中定义了用户和系统使用的应用功能，以及 p r o f i b u s - d p 装置的特性。传输可使用r s 4 8 5 或光纤媒体。 p r o f i b u s - p a 专为过程自动化设计，它能够将变送器和执行器连接到一根公共 总线，符合i e c 6 1 1 5 8 2 物理层规范，使用两根线可以提供电源供应和数据通信功 华中科技大学硕士学位论文 能，并实现本质安全。p r o f i b u s p a 的数据传输采用扩展的p r o f i b u s - d p 协议，还具 有描述现场设备行为的p a 行规。 p r o f i b u s f m s 用于车间级监控网络，是一个令牌结构的实时多主站网络。它 定义了物理层、数据链路层、应用层。应用层f l q f m s ( 现场总线报文规范) 和l l i ( 低 层接口) 组成。f m s 包括应用协议，并为用户提供通信服务功能选择。数据链路 层实现总线存取控制和数据安全传输。该总线可使用r s 4 8 5 和光纤传输技术。 p r o f i b u s 现场总线具有以下优点： ( i ) p r o f i b u s 是近年来国际上较为流行的现场总线，也是目前数据传输率 最快的一种现场总线( 传输率可达1 2 m b i t s ) ，因此在很多领域内有广泛地应用。 ( 2 ) p r o f i b u s 的网络协议是以i s o 颁布的o s i 标准七层参考模型为基础的， 只是对第三层到第六层进行简化，因此它的标准适应性强。p r o f i b u s 的f m s 、 d p 、p a 三种协议可以满足不同的应用对象和通信速率方面的要求，协议的开放 性较好。 ( 3 ) p r o f i b u s 现场总线采用令牌协议加主从总线的介质存取方式，主站以 主从方式与从站通讯，各主站之间由令牌协议决定总线控制权。站点数可达1 2 7 个，总线的扩展能力强。 ( 4 ) p r o f i b u s 是目前较为成熟的一种现场总线，由于它以西门子的p l c 系 统为控制核心，具有强大的控制功能和很高的可靠性，p r o f i b u s 在许多大型项目 都有应用。在欧洲，其三个子标准f m s 、d p 和p a 分别在分布式控制系统的高 速数据传输方面、楼宇自动化和电气传动方面、过程自动化方面具有绝对的市 场。在中国，p r o f i b u s 在一些重大项目中有广泛的应用，如的三峡大坝闸门控制 系统等。 因此本文提出将p r o f i b u s 现场总线应用于水电厂排水系统中，以提高排水系 统自动化水平。 3 ) 现场总线技术的发展方向 由于i e c 公布的8 种现场总线的通信模型有差别，特别是数据链路层采用 的技术不一样2 ，3 1 ，。因此要实现这些总线的相互兼容和互操作，比较困难。为 寻求总线互连和兼容，现场总线开始转向在i t 领域广泛应用的、开放的，2 0 多 6 华中科技大学硕士学位论文 年来发展最为成功的e t h e m e t 网络技术。目前，p r o f i b u s 、d e v i c e n e t 、c o n t r o l n e t 和l o n w o r k s 等都倾向于使用e t h e m e t 。这些公司都在研究通过一种称作管道 ( t u n n e l ) 的简单传递机制，使用e t h e m e t 网络传送它们的报文。这种方法简单可 行，现场装置保持不变，仅需要一个专用的e t h e m e t 网络接口取代原来的线驱动 器就可完成与以太网的连接。美国电气工程师协会( i e e e ) i e 着手制定现场装置与 e m e m e t 通信的新标准，该标准能够使网络直接“看到”对象( o b j e c t ) 。 p r o f i b u s 组织采用p r o 丘b 啦与以太网互为补充的方案来推进现场总线与工业 以太网的融合口引。德国p r o f i b u s 用户组织公布了新的、开放的通信方案- - p r o f i n e t ( 即p r 0 肋啪+ i t 标准) ，朝着统一p r 0 舳璐与以太网之间通信的方向发展。其目标 是实现使控制系统更开放，实现自动化与智能化。p r o f i n e t 使用开放的r r 标准， 如：c o m 、t c p 口、o p c 、a c t i v e x 、x m l 等，以太网( t c p i p ) 和p r o f i b u s 之间 用p r o x y 煳务器连接。 总之，工业e t h e m e t 网向工业控制系统的各级的延伸，将为现场总线的融合 和发展提供一条有效的途径。 1 3 控制、维护综合集成自动化 1 3 1 综合自动化领域存在的问墨及c m m s 目前在水电厂中，由控制、维护和管理三方面组成的综合自动化领域存在 两个方面的问题，一是控制、维护和技术管理三个领域的发展不平衡，控制领 域的自动化和信息化的发展相对较早，维护领域的自动化的发展最落后。二是 控制、维护和管理三个领域彼此孤立，信息交流困难，不能做到统一决策。因 此努力的方向在于：一方面提高三个领域的自动化、信息化和智能化；另外一 方面将三者集成为一个统一的系统，以实现信息和资源的共享，使系统的功能、 可靠性和可利用率得到提高。 欧盟于9 0 年代初着手研究新型自动化系统，在提出了控制一维护一技术管 理集成系统( c o n t r o lm a i n t e n a n c e - t e c h n i c a lm a n a g e m e n ts y s t e m - c m m s ) 的思想 与概念，并开展了一系列该领域的研究项卧1 6 , h j 。其目的为：将生产过程中的 7 华中科技大学硕士学位论文 控制、维护和技术管理集成，以获得较好的开放性、较高的性能、可靠性和利 用率。 c m m s 的基本思想是：以现场智能执行器和智能传感器为基础，借助于计 算机硬件、软件和网络，综合运用自动化技术、信息技术及管理技术，将控制、 维护和技术管理集成到一个系统中，充分发挥三者的总体优势，对企业和生产 过程中的技术性能、可靠性和利用率、经济效益三方面统一处理，在总体上获 得高性能、高利用率和高效益。 1 3 2 控制、维护综合集成自动化的思想 在c m m s 思想的指导下，控制和维护综合集成自动化将系统维护放到与控 制同等重要的地位，将控制和维护作为一个整体进行设计，并提供与管理系统 的接口。 控制和维护综合集成系统以c m m s 模型为参考f 1 6 】，该模型从系统的功能构成、 系统的信息构成和系统的生成等三个层面来描述。如下图所示，y 轴标明了系统的 组成及其相互关系，分布式控制系统实现安全生产、完成系统的控制功能，分布式 维护系统采用信息技术，对设备的状态进行监测，具有智能故障诊断和故障处理功 能，以提高系统设备的可用性，技术管理实现控制和维护系统的优化和经济运行。 x 轴标明了系统信息处理的过程，即数据的通讯、数据的收集与存储、数据的转换 与处理。z 轴标明了系统的开发过程，包括：分析、设计与实现。 圈1 3 控制、维护模型图1 4 控制维护集成自动化系统物理体系 3 飞皤 华中科技大学硕士学位论文 c m m s 的物理体系结构如图1 4 所示，第一层为生产过程，第二层为基于 现场总线的车间级的分布式智能执行与测量系统，由智能执行器和智能传感器 组成，直接与生产过程相连，通过现场总线与控制站和维护站交换信息，一方 面采集生产现场的数据，向控制站和维护站提供一致和有效的信息。另外一方 面，现场的智能设备从现场总线上获取操作指令。第三层为负责控制与维护和 技术管理的工作站。它通过现场总线获得生产过程中的数据，发送控制命令， 通过企业网与处于上层的企业管理层交换信息，并为运行管理人员提供良好的 人机界面。第四层为企业的管理层。 本文在c m m s 思想的指导下，以现场总线技术为基础，实现排水控制自动 化的控制和维护集成，以提高系统的整体性能和设备的可利用率，保证排水自 动化系统高效而可靠地运行。 1 4 小结 本章首先介绍了水电厂排水系统的现状，分析了排水系统的重要性、排水 系统的特点以及当前的排水自动化系统存在的问题，提出了采用现场总线技术 和控制、维护集成的思想对排水自动化系统改造的必要性。 然后对现场总线的基本概念、特点以及分类进行阐述，着重论述了m c 6 1 1 5 8 技术规范和本课题涉及的p r o f i b u s 协议，提出了现场总线的未来的发展方向。 最后结合综合自动化系统存在的问题，阐述了控制维护集成自动化的思想。 本课题将现场总线技术和c m m s 的思想相结合，实现排水系统的控制、维 护综合集成自动化，以提高水电厂排水系统自动化的水平。 华中科技大学硕士学位论文 2电厂排水自动化系统设计 提要：本章首先对实现排水自动化的各种方案进行了比较，对用户在控制 和维护功能方面的需求进行了详细的分析，提出了排水自动化系统的总体设计 原则；然后提出了系统的总体设计框架，包括系统的组成和应完成的功能。最 后在总体设计思想的指导下，详细阐述了现地自动化单元和集控及维护站的配 置和功能设计。 2 1 排水控制的需求分析与设计原则 2 1 1 计算机控制体系的比较 由于国内外控制技术发展不平衡，水电厂内各个部分技术改造存在不同步 的现象，目前在国内计算机控制领域采用的控制体系比较多，有集中式体系结 构、递阶分层体系结构，现在正朝以现场总线控制技术为代表的分布式控制的 方向发展【4 t ”l 。 其中集中式体系结构的一个致命弱点是风险集中。一旦计算机发生故障， 所有过程都将陷入瘫痪状态，造成的后果将是极其严重的【4 1 。水电厂较少使用该 控制体系，取代它的是分布式控制体系。 借助于计算机技术和网络技术的发展，以d c s 为代表的递阶分层体系结构 将控制系统中的控制与管理相结合【5 ”，采用金字塔式的结构，包括过程控制级、 设备管理级、分厂管理级和总厂管理级。其中最底层的过程控制级与集中式体 系结构相同，但采用的技术已有很大的改进。该系统将控制和管理向结合，把 自动化系统的功能扩展到了整个企业。但是该体系存在体系下层的主动性不够， 信息交流少，协同工作困难等不足【1 6 】。 分布式体系借鉴了递阶分层体系的控制和管理结合的思想，充发了网络技 术的优势。该体系具有现场总线式结构，采用标准化的计算机和网络技术，是 华中科技大学硕士学位论文 一个开放式系统结构，其特点为分层标准化，突出标准化和开放性的特点，底 层的传感器和执行器全部数字化，控制彻底分散化，强调控制与管理，相互沟 通与相互渗透。 分布式体系体现了控制载体的智能化、系统功能的集成化和信息共享的思 想，代表了计算机控制系统的发展的方向。现场总线控制技术集中体现了分布 式体系的思想，该技术已经成功地应用于众多领域。因此水电厂排水自动化系 统应该采用基于现场总线的分布式控制体系，能提高排水系统的自动化水平， 而且从技术上来讲可行的。 2 1 2 排水自动化系统构成分析 结合前一章对排水系统的现状的分析，从水电厂排水自动化系统的投入运 行的阶段来分，其系统构成有三种形式，即独立的常规的继电器控制、独立的 工业计算机控制，以及基于网络的工业计算机控制。 较早投入运行的常规继电控制系统分为两个部分：集中级控制和现地执行 部分，控制由现地和集中级配合完成。一旦集中级故障，无法实现排水作业的 自动化控制。危险集中而且系统配置的灵活性差，系统升级困难。 第二种为九十年代前期投入运行的基于单片机、工业p c 或p l c 控制系统， 这种控制系统加强了现地控制装置的独立控制的功能，现地控制装置与集中监 控站或处于上一层的l c u 的信号传输方式均为点对点的传输方式，每个独立的 远程传输信号需要独立的传输电缆，采用的是非数字的通讯方式。该系统存在 通信功能弱，集中级与现地信息交流有限以及系统扩展困难等缺点。 第三种为九十年代中后期投入运行的带网络功能的p l c 或嵌入式智能控制 器的控制系统，如s c a d a 系统 5 6 】。系统已经采用数字通信技术，控制的网络化 称为发展的趋势。但是，许多非标准的通信协议由设备提供方自行开发，不同 厂家提供的工业网络之间互不兼容，而且协议本身缺乏可靠性论证。在工业环 境中，数字通信的优越性没有体现出来。 目前现场总线技术已经应用到控制系统中。与以往的工业通信网络相比，现 场总线通信拥有传输速率高、可靠性高、标准开放等优点。基于该技术的控制 系统代表了工业控制系统的发展方向。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 3 用户需求分析 满足用户需求是分析与设计本系统的根本出发点p j ，因此首先应对系统的 用户需求进行定义，以获得用户对系统需求的完整而准确的描述，提取有效的 信息，为系统的总体的功能的分配和总体结构的设计准备资料。 首先从用户的角度对功能需求进行分析，得到系统应完成的若干功能的描 述，如图2 1 所示，包括“请求”、“报告”和“过程说明”等属性，然后根据用 户需求的分析设计出相应的功能模块，功能模块采用c m m s 的功能单元模型， 并从“请求”、“报告”、“输入”、“输出”以及“输入和输出的关系”等方面对 功能单元进行描述，如图2 2 所示。 图2 1 用户功能需求描述图2 2 功能模块功能和数据定义 排水系统的结构示意图如下图所示，以下分控制和维护部分对用户的原始 需求进行分析，以获得明确的功能需求。 f 一一一一一：r i i i ：；i i - f ；丽 ： _ _ 1 流测量板k = _ 厂_ j i 鬻h 堕堕“虱咂丑压丑图 ! 控制器：“l “ ：卜t 翌逐塑0 卜t 一j !f l 一一一。j ：i ! ! i ：一 圈2 3 捧水系统的结构示意圈 针对排水自动化控制部分，用户的原始需求以“请求一一报告”方式列表 如下： 华中科技大学硕士学位论文 控制子域编号请求内容报告内容 方式选择 r - r p l控制方式当前的现地单元采取的方式 状态监测 r r s l集水井水位 当前集水井水位的模拟量 r r s 2水位计的接点状态 集水井水位计四个接点的通断状态 r r s 3电机的电流 电机的定子的输入电流 r r s 4电机的电压 电机的三相动力电压有效值之和 r - r s 5接触器的动作 接触器的辅助接点是否接通 r r s 6继电器的动作 继电器的辅助接点是否接通 控制命令r - r c l启动主用水泵远程启动主用水泵 r - r c 2 启动备用水泵远程启动备用水泵 针对排水自动化维护子系统部分，用户的原始需求以“请求一一报告”方 式列表如下： 维护子域编号请求内容报告内容 控制方法r r p l控制方式当前的现地单元采取的方式 状态监测 r i 岱1集水井水位 当前集水井水位的模拟量 r r s 2水位计的接点状态 集水井水位计四个接点的通断状态 卧r s 3电机的电流 电机的定子的输入电流 r r s 4电机的电压电机的三相动力电压有效值之和 r - 量咯5接触器的动作接触器的辅助接点是否接通 r r s 6继电器的动作 继电器的辅助接点是否接通 故障诊断 r r d l p l c 模块故障p l c 各个外围模块是否故障 r r d 2水位传感器失灵水位信号是否无变化或变化过快 水位传感器断线水位传感器是否断线 水位计断线水位计是否断线 水位计接点动作失灵水位计接点是否不能正常通断 电机动力电源消失电机是否无动力电源 电压和电流信号调理电压和电流的信号调理板是否无直 板无d c 电源流电源供应 2 2 0 v 控制电源消失接触器的线圈是否无2 2 0 v 电源 电机过载热继电器是否动作 维修决策故障的处理措施各种故障的处理措施 技术管理有关诊断阀值的历史有关诊断阀值的历史数据 数据 现地设备的正常运行现地设备的正常运行时间 时间 故障发生的时间和次故障发生的时间、次数等历史数据 数 1 3 华中科技大学硕士学位论文 2 1 4 总体设计原则 在设计排水自动化系统时，结合系统的功能、用户的要求、技术的可行性、 先进性等综合考虑，将控制和维护综合集成，提高系统的自动化水平，以保证 系统长期稳定地运行，为水电厂电力的安全生产提供保障。在设计排水自动化 系统时，重点考虑以下方面： i ) 系统应有较高的可靠性，应满足在大坝廊道等较为恶劣的排水现场环境 中长时间可靠运行的需要。必须选用国内外比较成熟先进的技术和设备。 2 ) 提高系统的排水系统的自动化控制水平和智能维护水平。达到控制和维 护的综合集成，以提高全厂的控制、维护和管理集成自动化的水平。 3 ) 系统能根据用户的要求灵活配置，易于实现系统的扩充和升级。系统具 有较强的开放性，能与全厂计算机监控系统实时交换信息。 4 ) 系统采用远程、现地自动和手动等控制方式，以满足不同控制场合的需 要。 5 ) 易于维护，系统采用容错技术，具有自动故障诊断、故障处理和恢复能 力，关键部件的采用冗余设计。 6 ) 人机界面的设计应以友好为原则。界面层次清晰，操作简便，采用多媒 体技术来实现人机信息交换的设计方案。并按照用户的级别分配操作和管理权 限，以保证人机交互的安全性。 2 2 系统的总体结构 在以上分析的基础上，针对水电厂的排水自动化控制系统的多样化的特点， 本文提出了以下思想：将排水控制系统升级为一个控制与维护集成的自动化系 统，以充分发挥现场总线的分布化控制的优势，加强上层监控系统的监控、管 理和维护的功能。在水电厂中，典型的排水系统包括大坝廊道捧水系统、检修 排水系统和渗漏排水系统以及其它排水泵站。以下以某水电厂的排水自动化系 统为例，系统的结构框图如下： 1 4 华中科技大学硕士学位论文 其它集水并检修集水井渗漏集水井 中继器 图2 4 水电厂捧水自动化系统的拓扑图 排水自动化系统将p r o f i b u s - - d p 现场总线作为现场通信网络，采用单主站， 多从站方式，包括现地自动化单元、集控单元和现场总线通讯三个部分。 现场部分由廊道排水系统i 检修、渗漏集水井部分以及其它泵站构成。现 地自动化单元选用s d 订e n s 的s 7 3 0 0 p l c 为控制核心，完成排水系统现场数据 的采集，自动控制各个集水井的水泵的排水作业。 考虑到其它的排水自动化系统的现地单元可能采用非p m f i b u s 现场总线，系 统配置有p r o f i b u s d p 协议转换器，使得排水系统中支持其它通信协议( 如： r s 2 3 2 ，c a n 总线协议) 的p l c 、 p c 等控制设备能顺利地连接到p r o f i b u s 总线 上，以充分发挥现场总线的优势，使得整个系统成为一个完整的分布式的控制 和维护集成的系统。 集控及维护站通过现场总线p r o f i b u s ，与分散在现场的各个现地自动化单元 交换信息，包括命令信息、状态信息和故障信息等。集控及维护站对各个排水 系统进行远程监视，并可远程控制排水泵的启，停。借助于p r o f i b u s d p 现场总线 的高速传输的优势，集控及维护站可对现地设备的各种故障进行监测，并在故 华中科技大学硕士学位论文 障发生时做出合理的维护决策。 2 3 集控及维护站的功能与配置 2 3 1 集控及维护站的功能 根据对用户控制和维护“请求一报告”的原始需求的分析，集控及维护站 的功能包括以下内容： 1 ) 动画监视：以三维动画形式实时反映各个集水井单元的状态，例如，集 水井的实时水位信息、工作水泵和备用水泵的启停状态及集水井中水的流向等。 2 ) 系统状态指示：用指示灯显示现地各种设备的运行状况以及现地是否有 故障。 3 ) 远程操作：运行操作人员可以在远方用键盘或鼠标直接启动水泵，完成 排水任务。 4 ) 实时数据的显示：以数字和曲线形式显示现地单元上送的数据，包括集 水井当前水位、电机当前工作电压、工作电机的当前电流、备用电机的当前电 流等。 5 ) 故障诊断功能：对现地单元的各个设备进行状态检测和故障诊断，并进 行维修决策。 6 ) 故障查询：当现地某一单元有故障报警产生时，用户查看具体的故障类 型和故障原因及相应的维修参考方案。这些维修方案来自专家知识库。 7 ) 统计数据：生成统计报表，为大坝的安全运行提供有参考意义的第一手 统计资料。统计数据包括各个集水井渗水水位的最高、最低值和相应的发生时 间。统计报表分为月报表、年报表、系统日志报表，统计报表都可以打印存档。 8 ) 数据库的管理功能：对数据归档，存储，提供实时查询和自动更新功能。 2 3 2 集控及维护站的配置 为了适应工业应用环境、满足实时监控和维护的需要，集控及维护站采用 1 6 华中科技大学硕士学位论文 工业计算机。工业计算机结合现有的广泛运用于现场的高速微机和可编程控制 器两者的优点，既具有运算速度快、软件开发环境友好的特点，又具有稳定性 高，抗电磁干扰能力强的特点，并采用国际流行的标准型号尺寸设计，便于现 场的安装与维护，特别适合于在工作