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翻水站计算机监控系统的研究与设计 研究方向：微机控制与自动化技术硕士研究生：高成月 指导教师：赵唪玉副教授 摘要 本论文主要是研究淮阴第二抽水站计算机监控系统。全文分为八部分：第一部分为 论文概述部分，阐述了本论文的课题背景，提出研究本课题的意义：第二部分介绍了系 统对象及控制要求：第三部分介绍目前微机控制的各项新技术及发展前景及系统控制模 式及方案的选择；第四部分介绍监控系统总体方案设计：第五部分介绍以太网通讯及 m o x a 卡的应用；第六部分介绍利用世界上最先进的人机界面软件w o n d e r w a r e 公司的 i n t o u c h 7 1 1 作为上位机对设备进行监督、管理与控制：第七部分介绍了利用s c h n e i d e r 公 司p l c 控制下位机的整个控制系统的整体控制功能，并对之进行具体介绍：第八部分介 绍用v b 对现场的数据进行采集。最后论述了在调试中的一些心得从而完成了完整的 计算机监控系统。 关键词：p l ci n t o u c h 7 1 1通信传感器交换机以太网 t h er e s e a r c ha n d d e s i g n o f c o m p u t e rs u p e r v i s o r y c o n t r o l s y s t e m o f h y d r o p o w e r s t a t i o n r e s e a r c hf i e l d ：m e c h a t r o n i c sn a m e ：g a o c h e n g - y u e a d v i s o r ：v i c e - p r o f z h a o j i a n y u a b s t r a c t c o m p u t e rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo fh u a i y i nn o 2h y d r o p o w e rs t a t i o n i s m a i n l y r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h e r ea r ee i g h tp a r t si nt h ew h o l ep a p e r i nt h ef i r s tp a r t t h et a s k s b a c k g r o u n di sd i s c o u r s e du d o na n dt h em e a n i n go ft h et a s ki sb r o u g h tf o r w a r d i nt h es e c o n d p a r t ，t h ee q u i p m e n ta n dc o n t r o lo b j e c t i v eo ft h es y s t e ma r ei n t r o d u c e d i nt h et h i r dp a r t t h e v a r i o u sf i e l do ft h ed e s i g nc o n c e r n e di si n t r o d u c e di nt h eb e g i n n i n go ft h ep a r t t h ec h o i c e so f c o n t r o lm o d ea n ds c h e m ea r ei n t r o d u c e di nt h ee n do ft h i sp a r t i nt h ef o u r t hp a r t ，t h ew h o l e d e s i g ns c h e m ei sp u tf o r w a r d i nt h e 衄hp a r t c o m m u n i c a t i o nv i ai n d u s t r i a le t h e r n e ta n dt h e a p p l i c a t i o n o fm o x ac a r d sa r ei n t r o d u c e d t h e u p c p u sf u n c t i o n w h i c hi n c l u d i n gt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n dp l ca n dt h ed e s i g no ft h eu s e r si n t e r f a c ew i l lb e i n t r o d u c e di nt h es i x t h p a r t w h i c hu s i n gi n t o u c h 7 1 1 o f 、0 n d e r w a r ec o r p o r a t i o n i nt h e s e v e n t hp a r t ，t h eu n d e r c p u sf u n c t i o ni sp r o d u c e di nd e t a i l ，w h i c hu s i n gs c h n e i d e rp l c i n t h ee i g h t hp a r t ，t h ed e s i g no fd a t ap r o c e s s i n gu s i n gv b w i l lb ed e s c r i b e d i nt h el a s tp a r t t h e e x p e r i e n c ea b o u t t h ed e s i g ni st a l k e da b o u t u l t i m a t e l yt h ew h o l e s y s t e mi sf i n i s h e d k e y w o r d s ：p l c i n t o u c h 7 11c o m m u n i c a t i o ns e n s o r s w i t c he t h e r n e t 学位论文独创性声明 s 6 l l s s 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：立狃日期：攀3 目 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名： 、 焉戊目 导师签名： 东南大学强i 学位论之 魏承站诗算撬监挖系装鹳骈究与墩汁 第一章绪论 l 。l 谍遂背条 南水北调是我国水资源优化配置，勰决北方地区( 主要是黄淮海流域) 缺水的一 疆战咯往基确设麓工程，它芙系到我国黄淮海魂区社会稆生态环境可持续发展静长远 利益。 黄漆海浚域位予我国部季藏气侯影穗区，降雨露空分布极不均匀，年鑫7 0 8 0 的降雨集中在汛期6 9 四个月内，河川径流主簧以洪水形式出现。大气降雨是地袭和 地下水的补绘来源。婿究资糕表哟，黄淮海淀域人均魏公顷平均占鸯求资源量列全国 备大流域之最低，远低于全国平均水平，属严蕊缺水隧，尤以海河流域更为突出。 另争卜，水资源中突现的问题也是非鬻严峻的，如： l ，河道断流：黄河丸十年代穗现连年断流，其中1 9 9 7 年断流蟊寸间长选2 2 6 天， 断流河长7 0 4 k m 。而海河的断流形势比黄河更加严峻，水资源利用稷度高( 9 0 以上) 藉全舀各大滚域之曾，入海承量急尉藏小，麸五十年代年均入海水囊2 4 0 亿m 3 ，减小 别9 0 年代年均入海水量5 0 亿m 3 左右。造成河道干桔断流，河道河口淤积退化，湿 她瀵失簿严重生念趣题。 2 地下水超采：海河流域年平均超采地下水4 0 多亿m 3 , 形成2 万多k m 2 的地下水 漏斗，沧州地下水漏斗中心区最大埋深达九十多米，奠妊恧下沉达1 1 米；天津市塘洁 区地面最大沉降量达2 9 米，滨海地下水漏斗区已发生海水入浸，污染地下水。 淮河流域部分地下水趟采也很严重，地下水漏斗商逐年扩大的趋势，尤其是城市 周围遗涯超采深屠迤下永。 3 水质污染：根据1 9 9 8 年水质监测赘料，黄淮海兰流域废污水排放量分别为：黄 海3 2 亿睫，滚海4 7 亿睫，海泻5 5 钇穗。投攒灌家鸯关东瀵评价褥准，三 霹污染河 长占本流域评价河长的比例分别为；黄河6 2 7 ，淮河6 1 5 ，海河7 4 8 ；三河严重污 染河长占浮俊溺长的毙捌分慰为：黄海2 9 。8 + 灌浮6 1 。5 ，海浞6 5 。l 。译绘结果表明， 黄淮海三流域，河道污染非常严熏。 鉴于此，黄淮海三流域在水资源供需矛盾突出的地区，郡积极采取攒旋，节约耀 窳。农妲是篇水大户，农业灌溉面积逐年有所增加，而农监潮水稳中有降，海河流域 商效灌溉面积的5 0 以上采用有效的节水灌溉攒旌，1 9 9 8 年灌溉综台用水毛定额为 4 6 2 0 m 。h m z ( 3 0 8 m 3 ) ，稳当于瓣前全阑平均承平静6 0 。 工业节水也取得较好成绩，节水程度较高的天津市，工业万元产值取水最为2 2 m 3 ， 零敷重复剥羁搴达8 4 ：l l 窳枣工犍万元产篷致承量为5 0 m 3 , 承静耋复利用率终8 5 ； 除北京、天津市外，一般城镇工业万元产值取水量为6 0 l o o m 3 , 水的重复利用率为 5 0 7 0 。废污水处理四用率均较低。 综上所述，黄淮海三流域水资源严耋短缺，虽然采取了一系列节约用水，加强水 汝源调配管理笛措施，取得了显著成效，但缺水矛盾仍然相当严峻。为缓解当前的缺 承矛蓿，有的耀区采取挤占河道、湿逢搿永和超采建下承，严重影编生态环境。今后 随着人口的增加、经济社会的发展和城市化进秘的加快，用水量将进一步的增加。对 予解决l 方大范酲区缓往资源洼秧承闷瑟，除继续热大节承力度和污东资源讫，充分 挖掘当地水资源潜力外，必须抓紧研究和实旆开源措施，合理配置水资源。 掇据毒关麓门懿颧测，对荑漆海三瀛域拳资源镤懿乎鹫滋幸亍枣刀步的分芋厅稆颈溺， 随着时间的推移，黄淮海流域的越来越多的城市将处于缺水的境地。 故骣，实施南水北调工程势奁必行。 东南犬学硕 学位论上 翻水站计算机监控系统的研究与设计 由于南水北调工程巨大，需要较长的建设周期，如不尽早实施，北方地区，尤其 是京津华北地区的经济社会发展将受到严重的制约，生态环境的恶化也将进一步加 剧。因此，各研究部门、地区各级政府和社会各界都认为实施南水北调工程建设是一 项十分必要的紧迫任务。 1 1 1 南水北调工程的总体规划布局 经多年的勘测、规划、研究，按照长江与北方缺水区之间的地形状况，分别在长 江下游、中游和上游规划了三条调水线路。形成南水北调东线、中线和西线的总体规 划布局。三条调水线路有各自的主要任务和合理的供水范围，但每一条调水线路的实 施建成，对黄淮海三流域的水资源配置都可以进行互相调剂。 东线调水工程 东线调水工程的目的是解决黄淮海平原东部地区的缺水问题。主要目的是提供沿 线城镇居民生活和工业用水；提高现有灌区的供水保证率，改善灌溉条件；结合输水， 恢复和提高京杭大运河的通航能力；利用调水工程设施，提高沿线易涝地区的排涝能 力。 东线工程是从长江下游扬州附近抽引长江水，利用和扩建京杭大运河及其平行的 河道逐级提水北送，经洪泽湖、骆马湖、南四湖和东平湖，在位山附近穿过黄河后， 经位临运河、卫运河、南运河自流到天津。输水干线长1 1 5 0 k m ，其中黄河以南6 6 0 k m 。 黄河以北4 9 0 k m 。从东平湖向东送水到山东威海市，输水线路长约6 9 0 k m 。全线最高 处东平湖蓄水位与抽水位之差为4 0 m ，共建1 3 级梯级泵站，总扬程6 5 m 。 江苏省于1 9 6 1 年开始建设江都泵站，经过不断扩建延伸，现江苏江水北调工程 向北调水能力为：抽江流量5 0 0 m 3 s ，年均抽江水量约3 3 亿i l l 3 , 干早年抽江水量可达6 0 亿m 3 , 可送水到徐州和南四湖下级湖( 5 0 m 3 s ，年水量5 7 亿n 3 3 ) 。抽水泵站总装机 容量为2 0 0 多m w 。东线调水工程可在此基础上，逐步扩大调水规模，并向北延伸至 天津。工程规划的总规模为抽江流量8 0 0 1 0 0 0 m 3 s ，年供水量1 3 0 1 7 0 亿m 3 , 其中过 黄河4 0 0 m 3 s ，6 0 8 0 亿m 3 ；抽水站总装机容量约8 0 0 m w ，年均用电量约3 5 亿l ( 、v h 。 规划的工程宜分三期实施。 南水北调东、中、西线工程全部实施后，多年平均调引长江水3 8 0 4 8 0 亿1 1 3 3 ， 将缓解黄淮海地区水资源紧缺的矛盾，促进调入地区的社会经济发展，改善城乡居民 的生活供水条件和生态环境，将产生巨大的社会、经济与环境效益。 1 2 课题需实现的目标 本课题所研究的是南水北调东线工程淮阴段工程一淮阴第二抽水站，位于江苏省 淮阴市境内，与淮阴一站组成江苏省江水北调的第三级翻水站，承担向洪泽湖和淮北 地区补水的任务。站下游设计水位为8 7 m ，江水北调规划洪泽湖蓄水位1 3 o m ，考虑 上游河道输水损失0 1 0m ，故站上游设计抽水水位取1 3 1m ，设计的扬程4 4 m 。目 前江苏省江水北调工程已初具规模，淮阴站上下梯级淮安站、泗阳站扩建已经完成， 抽水能力分别达2 4 0 m 3 s 、1 6 0 m 3 s ，而已建淮阴一站的抽水能力仅1 2 0 m 3 s ，与上、下二 梯级泵站规模和发展灌溉农业需要不相适应，成为向淮北地区调水的卡口站。为保证 世行贷款加强灌溉农业二期项目的实施，并结合江水北调总体建设规模，必须新建淮 阴二站。因此，如何利用计算机对淮阴二站现场设备进行有效的监测与控制，并使之 达到抽水能力l o o m 3 s 是本课题研究的关键。 东南久掌颤： 学位论文魏摩站诗算机蓝拄惹鲮的讲究与设 第二章系统对象及控制要求 2 3 灌阴二站分稚概况 、 一馕i r 泪旺五弹磁菲毫氇瞬 溃鬻第二籀求站( 篱称灌黼二游) 缝联位置为东经i i 8 8 ，兹纬3 3 。3 3 ，位于 江苏省淮阴市头河与二河交会处的= 河东堤堤脚外，距二河东堤堤顶中一t l , 线2 9 0 m 。 本惫站建立在已凌奏的意运浮土，蘩赛为整体块慕垄结搦。灌瓣二站辩下游怒头浮， 头河与京梳运河淮阴段相通。 2 2 淮黼二站设备分布 淮阴二站枢纽包括泵站私上、下游清污枫桥，3 5 k v 户内变电所，头河交通礴和 其它管理辫属设施。 | 淮酪二站系统分布l 一言丁善i l 主站殴备系统jl 辅机改备系统i l r 一l r 一 卜主机机纽卜_ 供水系统，清污机，透平油系统 卜户内变电所卜排水系统，检测系统 l 泵站电气l _ 压缩空气系统，擒真空系统 圈2 1 系统分稚图 2 2 。1 圭辩设冬系统 ( 1 ) 水电站具有反向发电的条件，在泵站非运行期，利用上游的富余来水反向发 电，因此檄组应为逆式壤组。泵房采耀慰形管理东滚道，蜒吸謦篷拳淀遵，破坏寞空 3 东南人学硕j 学位论殳 翻水站计算机监控系统的研究与设计 断流。站身自上而下为电机层、联轴层、水泵层、流道层。上游虹吸出水流道分为中 间上升段和驼峰段，中间上升段简支于站身及驼峰段之上。见图2 2 f 2 1 户内变电所站上设3 5 k v 户内配电装置，采用单母线接线方案。从城南变电 所引接3 5 k v 专用线路，直接输送至泵站穿墙套管。变电所配备一台1 2 5 0 0 k v a 有载 调压主变压器，电压为3 5 1 0 k v ：从武墩引接一1 0 k v 线路，作为泵站备用电源，直 接引至泵站所用变压器，变压器电压为1 0 0 4 k v ，5 0 0 k v a 为泵站的渗漏排水、检修、 照明等动力的备用电源：配备一台7 5 k w 柴油发电机组，在1 0 k v 线路故障时投入运 行。变电所、泵站的控制、保护、测量集中于控制室。3 5 k v 高压柜至主变、采用铜 母排、所变采用1 0 k v 交联聚乙烯电缆输送电源。泵站内布置3 5 k v 高压配电装置、 1 0 k v 配电装置，主变、所变、站变，设备全部布置于站内。 ( 3 ) 泵站电气主接线：由于泵站机组台数较少，1 0 k v 主接线采用单母线不分段方 案，母线电压为1 0 k v ，从1 0 k v 母线引出五条回路。即一1 0k v 进线回路( 发电工况 下，增加一台换相柜切换) ，三台主机回路，一电压互感器回路，一站用变回路。泵 站机组为立式可逆同步电动机，单机抽水功率为2 8 0 0 k w ，单机发电功率为1 0 0 0 k w 。 抽水状态下采用直接起动方式，可控硅励磁，发电状态下采用并网发电方式，发电电 压为1 0 3 5 k v ，抽水、发电合同一套电流互感器方案。主变1 0 k v 侧至1 0 k v 进线高压 柜采用1 0 k v 铜母排输送电源，主机高压柜至主机。采用1 0 k v 交联聚乙烯电缆输送 电源。 ( 4 ) 主电机技术参数及励磁方式选择：泵站安装立式可逆同步电动机3 台套，电 机采用自同期并网方式发电，与水泵直轴联接，可控硅励磁。 j 7 ，：名， j ， “：_ ， ， 2 2 2 辅机设备系统 1 技术供水系统 图2 2泵站平面剖面简图 4 ，岛， 耋， 衷露天学联 ：学谴论文 翻拳站弹冀瓠监控幕统抟疆宠与设 卡 本邂主要熙承对象毒：鬯援轴承冷却瘸求、瘩泵密封润遐翅求、浸防鼹承及厂痨 工作人员生活用水等，供水系统拟从下游取水，采用直接供水方式，设技术供水泵2 台，一台工作，一台备用。在设计中选用鼹台i s g l 0 0 2 0 0 型鼹- i i , 泵( 主要性能参数 为：q ：7 0 m 3 h ，h ：5 4 m ，n = 1 5 8 5 k w ，配套电机2 2 k w ) 作为技术供水泵互为备用。 2 排永系统 本站设茕一筱d g l 0 0 撵求母管，无法裔流螽 滋静各释冷却糯东、工作霄承等生产 用水通过排水母管排入泵房水泵层下设的排水廓道，掰由放簧于集水坑中的2 静 l s g 5 0 1 6 0 型接求裹心泵搀出。 3 透平油系统 透平浊系绞中电机上浊缎渡量为0 6 m 3 ，下溜拄淫鬃0 。3 5 m 3 ，运行鼹涟爨先0 。9 5 m 3 ，考虑补充备用油煮，设容积为2m 3 的净油箱和污油箱各一只，油处理设备配有 2 c y 5 3 3 ，1 型拨轮油泵2 台，b a s y l 8 2 8 0 型移动式压力滤油机1 螽，厂家配套烘 箱1 台，z j c i k 移动式囊空滤油机1 台。 高压顶车系统由主设备生产厂家配套供应，当机组停机时间超过4 8 h 以上，在开 壤瓣手动撵俸毫捱灌泵褥较缀转动部分矮麓，镬榷力辘承瓦覆上形成潴簇。 4 压缩空气系统 本站l 叉设置压力必0 8 m p a 赐予虹吸出农、凌遂囊空破坏阕懿低压瓮气系统，不考 虑机组刹车用气。主要设备为低压空压机2 台，互为备用，设容积为1m 3 的储气罐1 只，除供舆空破坏阀门用气夕卜，还可供绘裂站内风动工具及吹捆设备爆气。 5 擒真空系统 由真空泵、管路及仪表组成。系统中放鼹一根抽气管至下降段驼峰底面以下0 2 m 整，在辍缀为东泵工况对，当真空秉齄密承说磺撒气完戏，霜拜寸鸯动结束摘气过程， 不数出现水流翻越驼峰的现象；当机缎为水轮机工况时，由驼峰顶部抽气管继续抽气， 傻求凌自上舞段翻灌，褥进入发电王凝。当一台辍缀撞囊空结慕嚣，帮虿关游奏空鬣 与抽气干管的联接阀，打开支路闸阎，使已启动机组的驰峰负联带走待启动机组虹吸 管内的空气。 6 水力监视测量系统 全站性监测主要是上、下游傩水位测量，机组段监测为每奁机组的进出水流道压 力、驻蜂】鬟部真空度静漩测及上下游清污梳前后的压差测量。簸溯系统在现场设置仪 表，可直接进行观测，并设置传感器将压力、压羞、真空等信号传送到主控舒的微机 数糖采集系统，经泵鳐管理天受霹戬涟时了解上述擦位静莲力清流，礁傈泵游安全、 经济地运行，并可为f 1 后的科研测试工作提供必要的数攒和资料。 7 + 溃污壤 为清除水电站送排水工程进水口拦污栅前的湔物，特在上下游清溺机桥设置清污 机以清除杂物，以提高枧组的工作效率，避免污物压坏拦污栅，损坏枫组造成事故。 清污梳桥过橱落差考虑2 0 c m ，采用阐转式滴污机。上游清污机桥距站身2 4 0 m ，设鬣 1 0 台回转式清污机，下游清污机桥跪站身2 1 0 m ，设置8 台回转式清污机。阉时考虑 妥两翻边孑瞎i 程较高，擒东运行辩过瑟积，j 、，鼓不设清污设备。 为减少过流水头损失，提高清污能力，泵站上、下游清污机均选用大孔口回转式 清污凝，每台渍污毒琵酌溥污怒力要求大于5 0 t h 。上游清污辊撬嶷装l o 台渣污撬，孔 口净宽6 m ，7 l 口净高最大1 0 9 m 。下游清污机桥安装8 盘清污机，孔口净宽6 m ，孔 口净离最大7 2 m 。为了保证水流平蹶，位于河道迓坡瑟测蛉瀵污规揆基爨藏板蹶缓 布鬣，清污杌的栅体沿斜坡布簧到底，而齿耙回转系统则不布置到底。边侧的两低矮 孔脚只布键拦污栅，不设清污设各。 5 东南大学硕i 学位论史 翻水站计算机监控系统的研究与设计 上、下游清污机桥上各布置一台皮带输送机，以便及时将污物运送到河道岸边。 2 3 监控系统的控制要求 淮阴二站内安装有单机容量为2 8 0 0 k w ，叶片直径为3 1 m 的可逆式全调节立式轴 流泵机组3 台套。对于立式机组，采用肘形管进水、虹吸管出水是比较成熟的流道型 式。 淮阴二站自动控制项目中含泵站、1 1 0 k v 室内变电所及清污机桥。变电所继电保 护、测量、监控由供电部门单独配置，视频监视部分由江苏省广电总局承接。泵站监 控系统留有与变电所保护、测量、监控的通讯接口，采用自动控制和视频监视技术， 实现对全枢纽工程的实时监控和监视，基本达到无人值守的管理水平。 要求开发出一套适用于淮阴二站的计算机监控系统用以进行数据采集与处理：运 行监视和事故报警：用进口的可编程控制器开发出性能优异、高可靠性的控制单元， 实现淮阴二站3 台主机与辅机的自动控制，满足无人值班、少人值守、并具有在江苏 省水利厅接收远传数据，实现远程监控的要求。 整个系统要求实现通过上位机进行监控，实时反映现场设备的运行状况。通过手 动与自动的选择进行切换，对现场的设备进行控制。对系统的具体要求如下： 系统控制 继电保护控制i数据采集li监控报警 1 0 k v 进线保护卜模拟量 同步电机保护卜- 开关量采集 站变、所变保护等l 脉冲量采集 实时监控 越限报警 图2 3系统图 2 3 1 继电保护、测量装置 ( 1 ) 1 0 k v 进线保护、测量装置( 主变1 0 k v 侧后备保护) ：速断保护；三相过 电流保护( 主变后备) 、零序过电压保护：低电压保护。测量包括：a x 3 、w 、v a r 。 ( 2 ) 同步电机保护、测量装置：差动保护：三相过负荷保护：过、低电压保护 ( 2 0 1 0 0 v ) ( 失磁保护已在微机励磁屏上实现，信号直接进入通讯服务器) ；冷却水 中断保护：零序保护；转速保护；温度保护。 ( 3 ) 站变、所变保护、测量装置：速断保护：过负荷保护：零序过流保护；温 度保护。 ( 4 ) 联络柜保护：速断保护；过负荷保护：过电压保护：低周波保护；功率方 向保护。 ( 5 ) 发电柜保护：速断保护；过负荷保护。 2 3 2 数据采集与处理 ( 1 ) 模拟量的采集与处理：对电量( 主要是低压测量的电量) 和非电量进行周期 采集，越限报警等，最后经格式化处理后形成实时数据并存入实时数据库。 泵站主要的模拟量是廊道水位、上下游水位、技术供水母管压力、温度、技术供 气压力等，经p l c 采集并传到中控室作显示和处理。由于扬压力变化很慢，因此可 用巡回检测的方法采集。 变电所所有数据由变电所自动化采集系统采集及处理，要求在本项目控制室，同 东南大学硕i ：学位论_ ：= c = 翻水站计算机监控系统的石j f 究与设计 样对变电所进行测量与控制。 ( 2 ) 开关量的采集与处理 对事故信号、断路器信号及重要继电保护的动作信号等开关信号，计算机监控系 统应能以中断方式迅速响应信号并作出一系列必要的反应及自动操作。 对各类故障信号，隔离开关的位置信号、供、排水泵、空压机、真空泵、清污机、 水池供水等辅机设备开关量信号，计算机对这些信号的采集方式是定期扫描。对信号 的处理包括光电隔离，接点防抖动处理，硬件及软件滤波，基准时间补偿，数据有效 合理性判断，启动相关量功能( 如启动事故顺序记录，发事故报警音响，画面自动推 出以及自动停机等) ，最后经格式化处理后存入实时数据库。 f 3 ) 脉冲量的累计与处理 对脉冲量的采集处理包括接点防抖动处理，数据有效性合理性判断，标度变换， 检错纠错处理，经格式化后存入实时数据库。也可直接通过串行通讯采集。 ( 4 ) 开关量输出 计算机在输出这些信号前进行校验，经判断无误后方可送至执行机构，为保证信 号的电气独立性及准确性，开关输出信号也应进行光电隔离及接点防抖动处理后再发 出。 2 3 3 运行监视和事故报警 ( 1 ) 运行实时监控 计算机监控系统可以使运行人员通过c r t 对全站各主要设备的运行状态进行实 时监视。所有要进行监视的内容包括当前各设备的运行及停运情况，并对各运行参数 进行实时显示。 ( 2 ) 参数越限报警汜录 监控系统对某些参数以及计算机数据进行监控。对这些参数值可预先设定其限制 范围，当它们越限及复限时要作响应的处理。这些处理包括越限报警，越复限时的自 动显示、记录和打印。 ( 3 ) 监控系统定时扫描各故障状态信号，一旦发生状态变化将在c r t 上即时显示出 来，同时记录故障及发生时间，并用语音报警。 2 3 4 控制和调节对象及方式 图2 4 控制对象图 该调节对象为：主、辅机、励磁、高低压电气设备。 控制与调节方式为：当控制方式切换到计算机控制为主方式时，中控室值班人员 通过主控站人机接口对设备进行监控，应能完成： ( 1 ) 自动开、停机组 ( 2 ) 机组的工作方式调节 ( 3 ) 机组联合运行的投切 ( 4 ) 根据内、外河水和排涝时间等要求机组运行方式，达到最佳、最经济运 东南人学颂j ：学位论殳 翻水站计算机监控系统的研究与设计 行 ( 5 )电气设备开关合分操作 ( 6 ) 各种辅助设备的操作( 供水泵、空压机、真空泵、排水泵、叶片调节、 清污机、皮带输送机等，开、停、自动的操作) 。 ( 7 ) 各种信息的处理 2 3 5 人机接口与界面显示 图2 5人机接口 在线显示实时图形，使工作人员对全厂生产过程进行安全监视，并通过主控站微 机功能键盘，在线调整画面，显示数据和设备状态，控制操作等。 画面显示是计算机监控系统的主要功能。画面调用将允许自动及召唤方式出现。 自动方式指当有事故发生时或进行某些操作时，有关画面的自动推出；召唤方式指操 作某些功能键或以菜单方式调用所需的画面，如泵站剖面图、棒形图、表计指示图、 模拟光字排图、曲线、各种语句、表格等。要求画面显示清晰稳定，画面结构合理， 刷新速度快且操作简单。 其画面显示的种类有： ( 1 ) 单线系统种类 电气主接线图、站用电接线图、油、水系统图。在这类画面上能实时显示出运行 设备的实时状态及某些重要参数的实时值，同时可通过窗口显示其它有关信息。 ( 2 ) 泵站剖面图 在画面上能实时显示出机组功率、 并能点动弹出各机组的控制画面。 ( 3 ) 语音提示类 当各画面出现操作时应能语音提示 的语言向有关人员发出报警。 流量、排水量、温度、水位等参数，形象直观 以及发生事故和故障时，应能用准确、清晰 东南大学砸卜学位论正翻水站计算机监控系统的研究与设计 第三章控制模式及方案选择 3 1 结构模式的选择 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( c a s c 系统) ：以计算机为基础的监控系统( c b s c 系统) 以及 计算机和常规装置双重化的监控系统( c c s c 系统) 。 计算机辅助监控系统( c a s c ) 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、打印报表、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。采用这种模式，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功能要求可以低些，因而其投资也较低，比较容 易实现。 以计算机为基础的监控系统( c b s c ) c b s 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- - d 部分现地操作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 p u ，多c p u 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1 0 0 。c b s c 系统是水电站实现计算机监控的主要发展方向，目前国 内许多大、中型水电站均采用这种系统。 计算机与常规装置双重监控系统( c c s c ) 采用c c s 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c a s c 方式向c b s c 方式过度的一种系统，随着计算机监控系统经验日益丰富及装 置可靠性的提高，今后会有更多电站采用c b s c 方式。但c c s c 系统的最大的优点是 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j 下常运行。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。 无论采用哪种系统的结构模式，现代水电站计算机监控系统一般应满足： 1 响应速度快。水电站计算机监控系统，是一个高速的在线实时监控系统，运行 人员通过各种人机联系设备，实时监视和控制运行设备的状态和工况，当某个控制指 令发出后，希望在2 5 秒内得到响应，当设备发生事故时，要求计算机能以最快的 速度显示和记录各种事故的性质和先后顺序。一般要达到毫秒级的分辨率。另外，由 于计算机系统为了完成自动控制和经济运行，需要对大量过程数据进行计算，为此需 要计算机监控系统有足够快的响应速率。 2 可靠性，可利用率高。计算机系统的可靠性是保证安全运行的重要环节，一般 常规控制系统的可利用率应为9 9 8 以上。 3 可适应性强。一个系统的设计不可能一开始就考虑得十分完善，由于客观因素， 系统的规模、功能的配置，不可避免地发生变化，随着系统的扩大，要求实现的功能 会逐渐增加，采用了模块化结构，不但硬件可实现模块化，软件也可以实现模块化， 东南人学坝i ：学位论爻翻水站计算机监控系统的研究与设计 每种模块均具有一定的功能，不同模块的组合可以实现复杂的多种功能，另外，采用 总线系统也是提高可适应性的重要措施，采用开放式系统，可适应性能最好。 4 可维修性好。当系统某个部件发生故障时，要求能及时发现故障点，尽快地进 行更换并要求能不停机维修，为此，系统所采用的模块种类应尽量的少，并具有自诊 断和报警功能。 5 经济性好。随着计算机在水电站的推广应用，可以大大提高信息的吞吐量，做 到实时采集和迅速处理，以减少或避免事故，提高经济效益。 因为水电站监控系统是一个涉及面较广的复杂系统，由于我国的电站设备条件， 管理体制以及运行人员的传统习惯和技术水平等方面的原因，淮阴第二抽水站目前临 时站管理人员大多数职工为7 0 年代进站工人，多数仅具有初、高中文化水平，技术 人员少，对计算机有很深的畏惧心理，为消除工作人员的紧张心理，确保设备安全可 靠运行，因此在该抽水站采用c c s c 系统，即计算机与常规装曼双重监控系统。 3 2 控制方案选择 随着工业生产现代化的需要和微电子技术的迅速发展，应用微型计算机来进行工 业生产过程控制成为提高生产自动化水平，提高生产率，实现工业现代化的重要途径 和标志。 目前，用于工业生产过程控制主要有三种解决方案：集散控制系统( d c s ) ，现场 总线控制系统( f c s ) 和以工业计算机为基础的开放式控制系统等。所用工业控制计 算机主要有：可编程序控制器( p l c ) 、单片机、工业p c 等。 1 集散系统 随着工业生产规模不断扩大，控制管理的要求不断提高，过程参数日益增多，控 制回路越加复杂，在7 0 年代中期产生了集散控制系统( d c s ) ，它是集计算机技术、 控制技术、网络通信技术和图形显示技术于一体的系统，与常规的集中式控制系统相比 有如下特点： ( 1 ) 实现了分散控制。它使系统控制危险性分散、可靠性高、投资减小、维护方便。 ( 2 ) 实现集中监视、操作和管理。使得管理与现场分离，管理更能综合化和系统化。 ( 3 ) 采用网络通信技术，这是d c s 的关键技术，它使得控制与管理都具实时性，并 解决系统的扩充与升级问题。 d c s 由四部份组成：i o 板、控制器、操作站、通讯网络。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。控 制器和检测元件的远距离测控，从而促进了现场总线的发展。如c a n 、l o n w o r k s 、 f f 等，以及h a r t 协议接收板等都用到d c s 系统中。 2 现场总线系统 现场总线( f i e l d b u s ) 是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、 多节点通信网络。随着现场总线技术的出现和成熟，促使工业控制系统由集散控制系 统( d c s ) 向现场总线控制系统( f c s ) 过渡。现场总线控制系统把各个分散的测量、控制 设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们联接成可以相互沟通信息，共同完成 控制任务的网络控制系统，真正实现了“信息集中、控制分散”的全分布式系统。 3 工业计算机为基础的开放式控制系统 计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统结构向网 络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流。以太网作为目前应用最为 广泛的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用。同时，随 着i n t e m e t 遍及世界的每一个角落，人们已经进入了一个崭新的现代通信技术的时代。 l o 东南大学硬i ：学证论文 龆水站计算机监控貔晓的研究与设计 当现场慧线的发矮遇裂辍碍对，潋太鹂疆t h e m e t ) 毅术帮迅猛发袋。以太溺不仪是 一种主要的办公自动化局域网，而且在工业控制局域网中正得到很好的应用。随着通 信、网络技术以及磐熊仪表懿发展，鞋太赠技术器能力延馋裂瑷场，铁恧实差燕办公鑫 动化与工业自动化的无缝结合，形成真正意义上的全开放、可噩操作的现场总线控制 系统。 随着i n t e m e t 的迅猛发震，以太网已成为事实上的工业标猴，t c p i p 的简单实用 已深入人心，为广大用户所接受。目前不仅在办公自动化领域内，而盟各个企业的管 理疆络也都广泛使霜戳太网。在工数控制领域，随着佼嚣仪表锗能纯的提高和工业管 理自动化的深入，系统传输的信息量必将增加，未来传输的数掇可能巴不满足于几十 个字节，甚至可以是w e b 网页，赝鞋网络传输的大容量在工业控制中越来鹣重要， 而以太网可以满足工业控制的这种需求。另外，工业底层网络的现场憨线协议数目众 多，不同协议的滚容阀题一直困扰工灶界。底层鼹终弓| 入以太鼷不仅馊现场联、控翻 层帮管理层在垂直层西方便集成，更能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本。 早期的以太网，多节点共享同一个传输媒体，称为共享以太网( s h a t e de t h e r n e t ) ， 节赢闻通信采藤广摇方式，易发生弹突。共享以太网用c s m a c d 技术来避免冲突， 即发送方检测到冲突就暂停发送，随机延迟一段时间后再重新发送直到成功。由于延 迟孵闻是隧掇懿，不能攀走躲避，嚣褥共事鞋太掰鼢薅蠲响应冀有不确定毪，不能稻 于强实时性场台。而交换以太网( s w i t c h e de t h e r r t e t ) 的出现克服了这一缺点，以太网 的交换机( s w i l c h ) 是数掇链路滕( 1 s 0 ，o s l 参考摸型第二层) 的多漆口题捺，氆可| 三l 谎楚 智能分配器。交换机将藤管理的网络以星型拓扑结构划分为许多物理上互相隔离而逻 辑上互相联系的节点。每一节点单独与交换枫建立物理连接，在遥信鼹时候交换机会 在发送端翳与接受端口闷建立一个独占的全双工通道，它具有阻太网的全部带宽并避 免冲突。 随着计算枫软、硬件的发晟，工泣控帛颁域出现了嵌入式技术。莽j 用嵌入式软、 硬件，设计者可以在单片机系统上实现以太网技术即嵌入式以太网。嵌入式以太网的 出联为现场总线控铡系统的设诗者撬镞了现场设备逶售豹虢途径。 如果工业控制领域采用以太网作为现场总线，将保证技术上的可持续发殿，并在 技术于 级方面无需独自的研究投入。这一点是 壬谤理毒黪现场憨线按术无法魄熬熊。 另辩，低成本是基于以太网的现场总线系统无可比拟的优越性。同时由于以太网已被 使用多年，人们对以太网设计、应用裙很多经验，这就意味着可以显著降低系统的开 发嚣培戮费用。 综合比较以上三种控制系统，d c s 适用于较慢的数据传输速率，而f c s 则更适 用予较缦黪数据传簸速率，戳及受灵滋静缝疆数据。瑗场憨线静主要特点之一是可互 操作性，但现有的1 2 种现场总线国际标准中，异种现场总线之间是不能进行互操作 的，虽可以通过耐关( g a t e w a y ) 逶信或邋过o p c ( o l e f o r p r o c e s s c o n t r 0 1 ) 协议遴行互操 作，但这种互操作只能猩各自的主机间进行，不能在彼此的现场仪表间进行，由于缺 乏控制的实时性，故这种所谓互操作怒没有实际意义的。从露翦来看，制约臻场总线 发展的关键因素是它的标准不统一，多种现场总线并存，难以沿开放的方向发展。从 而严重制约了现场总线控制系统的发展。 凌场总线疑t 9 8 4 年开始疆密到瓒在，共产生了6 0 多个数字通信网络标准，有5 0 0 0 多种支持这些网络的产品。这些标准分别为不同的公司所拥有，并与他们的产品捆绑 在一起，撼豆之阉蔑容瞧擐差。送给那些谈爝多家产箍翡犬鍪系统的集成和维护带来 了很大的麻烦，因此迫切需要建立一个统一、开放的通信标准。工业以太网因为采用 出i e e e 8 0 2 3 所定义蛉数据传竣强议，它是令开敖粒据壤，铁 爵为p l c 等厂寨广泛 1 1 东南人学坝i + 学位论立 翻水站计算机监控系统的研究与设计 接受。与现场总线相比，以太网还具有向下兼容性，目前的以太网已经渗透到控制层 和设备层，几乎所有的p l c 和远程i o 供应商都能提供支持t c p i p 的以太网接口的 产品。 所以说，工业以太网是控制系统网络发展的主要方向。故我们在淮阴二站将采用 以太网作为通信的媒介，构建全开放的控制系统。 淮阴二站现场检测主要以处理开关量为主，模拟量数量相对较少，同时现场的电 磁干扰很强，而p l c 具有很高的可靠性和抗干扰能力，具有编程、扩展、操作的灵 活性，在解算逻辑方面，表现出快速的优点。故本系统下位机采用p l c 进行控制。 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。现代p l c 的功能已远远超出上述定义范 围，近年来，p l c 的发展异常迅猛，产品更新换代的速度明显加快，应用领域愈加广 泛，功能日益增强。 从1 9 6 9 ，年美国数字设备公司研制了世界上第一台p l c 以来，p l c 己发展到第五 代，发展过程如下： 第一代：从第一台可编程控制器到7 0 年代初期。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。 第二代：7 0 年代初期到7 0 年代末期。其特点是：c p u 采用微处理器，存储器采 用e p r o m ，使p l c 的技术得到了较大的发展：p l c 具有了逻辑运算、定时、计数、 数值计算、数据处理、计算机接口和模拟量控制等的功能；软件上开发出自诊断程序， 可靠性进一步提高；系统开始向标准化、系列化发展；结构上开始有整体式和模块式 的区分，整机功能从专用向通用过渡。如g e 公司的l o g i s t r o t ；s i e m e n s 公司的 s i m a t i cs 3 系列和s 4 系列等。 第三代：7 0 年代术期到8 0 年代中期。单片计算机的出现、半导体存储器进入工 业化生产及大规模集成电路的使用，推进了p l c 的发展，使其演变成专用的工业计 算机。