自动化监控技术应用

1、 学生毕业作业（设计）设计小组 XXX 二级学院 信息工程学院 专业 XXXXXXXXXXXXXXXXXX 年 级 XXXX 班 级 电气自动化控制技术2班 学 号 XXXXXXXXXXXXXXX 姓 名 XXX 指导教师 XXX 职 称 讲师 2016年11月10日全日制普通专科科生毕业设计自动化监控技术应用Application of automatic monitoring technology毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写

2、过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： XXX 2016年 11 月 10 日目 录摘要.5关键词.5概论.6第一章 电厂综合自动化.7第一节 水电厂综合自动化.7第二节 PLC.82.1 PLC的特点.8第三节 水电厂综合自动化的内涵.112.1 水电厂综合自动化的实现原则.11第二章 电厂监控系统.13第一节 水电厂监控方式的发展.13第二节 计算机监控系统.142.1 集中式计算机监控系统.142.1.1分布

3、式系统发展初期的基本思想.14第二节 分散式处理计算机监控系统.162.1分层控制.16第三节 系统结构联系图.19第三章 PLC配置.21第一节 现地控制单元的PLC组成.21结语.26参考文献.27摘要随着经济的建设以及时代的发展，我国的工业技术也在不断地努力发展，电气的自动化技术控制在工业上发挥非常大的作用。本文主要对电厂电气的自动化监控系统之中的功能、特点以及自动化监控技术应用到电力系统的现状进行分析，并且对自动化技术的未来发展的趋势进行分析。为满足现代化管理及电厂机组经济运行的要求，对电厂的现场设备实行远程集中监控。通过对全厂的自动化设备实行计算机自动化监控管理模式，加强对设备的监测

4、，提高设备运行的稳定性和可靠性，提升电厂经济效益。对计算机自动化监控系统远程监控管理模式及PLC通信功能进行分析。关键词：计算机自动化监控；远程监控管理；PLC；概论现如今，电气自动化技术已成为当前社会最为核心的科学技术之一，为现代化的工业发展提供了有效的保障，自动化技术的发展也推动了各个行业的发展，如自动化生产线等，它不仅推动了工业的发展，也推动来社会的进步，大大的减少了企业的劳动力成本，自动化设备的精准率及智能化提高了企业的经济效应。当今社会已经进入到电子信息化的时代，随着我国的电力系统自动化的不断进步与发展，对自动化设备的监测必不可少，自动化监控系统正因此而诞生。本文主要对自动化监控系统

5、的远程监控及现场监控进行设计及应用，实现集中监控对电厂的监视、控制。满足“无人值班”（ 少人值守）规定，提高设备安全运行和自动化水平，改变我国电厂管理用人多、效率低的落后局面。第一章 电厂综合自动化第一节 水电厂综合自动化在我国，水电厂综合自动化问题的提出始于20 世纪70 年代，但由于当时技术条件的限制，研究的注意力主要集中于计算机监视和控制技术的研究。经过多年的发展，水电站计算机监控技术已基本成熟，在国内的大中小型水电站得到推广应用，取得了非常好的经济效果，但也出现了更多水电厂运行管理方面的要求。同时由于计算机技术及相关的网络技术、通信技术的迅速发展，水电厂内出现了多系统互联的趋势，如隔河

6、岩水电厂原引进加拿大 CAE 公司的计算机监控系统，但在几年运行中发现还不能满足电厂的运行要求，后又增添了许多防洪、调度、管理、通信等子系统，使原引进的监控系统外部连接混乱，管理维护困难。这些都说明在水电厂计算机监控技术达到一定水平后，电厂从实用上提出了更多的功能要求。同时水电厂运行管理也在不断向减人增效、“无人值守”（少人值守）的方向发展，迫切需要进一步研究水电站综合自动化系统领域的关键技术，进一步提高水电站的运行管理水平和综合自动化水平。第二节 PLC1968 年美国通用汽车公司（GM）为了尽可能地减少重新设计生产线继电器控制系统和接线的费用和时间，公开招标研制新的工业控制器，并提出了 1

7、0 条指标，即：编程方便，可在现场修改程序；维护方便，最好是插件式；可靠性高于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜；可将数据直接送入管理计算机；在成本上可与继电器控制柜竞争；输入为交流115V；输出为交流115V/2A 以上，能直接驱动电磁阀、接触器；在扩展时原有系统改变最少；用户程序存储器至少可扩展到4KB硬件的可靠性高2.1 PLC的特点（1）PLC 专为在工业环境的恶劣条件下应用而设计，要能在有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中运行。在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再就是采用合理的系统结构，而且在电路、结构工艺上采取了一些独特的方式。例如，在输入/输出电路中都

8、采用了光电隔离措施，用光电耦合器传递信号，使 CPU 与外部电路完全切断电的联系，有效地抑制外部干扰源对PLC 的影响，既方便接地，又提高了抗干扰性能。在 PLC 的电源电路和 I/O 接口中，还设置了多种滤波电路，以抑制高频干扰信号。在软件方面，PLC 设置了故障检测程序和自诊断程序，近来还发展了公共回路远距离诊断和网络诊断技术。它的平均无故障间隔时间为35 万h，甚至更高。例如日本三菱公司的F1、F2 系列PLC 的平均无故障运行时间可达30 万h（2） 编程简单，使用方便PLC 采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。目前大多数PLC 均采用梯形图语言编程方式。（3）接线

9、简单，通用性好PLC 的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关）与 PLC 输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与 PLC 输出端子连接。PLC 的编程逻辑提供了能随要求而改变的“连接网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。这种性能使PLC 就有很高的经济效益。用于连接现场设备的硬件接口实际上是 PLC 的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于使用。（4） 可连接为控制网络系统PLC 可连成功能很强的网络系统。一类是低速网络，采用主从式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距

10、离为5002500m；另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为1M10MBbps，传输距离为5001000m，网上节点可达1024 个。第三节 水电厂综合自动化的内涵从水电厂的总体层次上来分析，其综合自动化体现在如下多个方面：（1） 水电厂实际是水、机、电的一个综合整体，相互之间既有分工又密切联系，因此考虑综合自动化是适宜的。（2） 水电厂综合自动化涉及电力调度、水力调度、航运调度、水情测报以及灌溉及防洪等。 （3） 水电厂综合自动化也涉及如何在原有计算机监控系统的基础上，实现功能的扩展及提高的问题，如新型计算机技术、网络增建及延伸、人工智、多媒体技术等。（4） 水电厂综合自动化任务

11、的提出，更使水电厂的自动化成为一个系统工程，其个部门和领域之间的有机协调配合将会使整个系统配置更为合理、利用效率更高。例如一些综合性的问难，以往单项控制时它们之间所隐含的关系常被忽略掉，而在综合自动化系统中则比较容易实现，以此来提高系统性能，加速系统的速动性及实时性并改善系统间的协调性。2.1 水电厂综合自动化的实现原则在提出了综合自动化系统的问题以后，相应就出现了大系统的总体结构及各子系统之间的连贯和通信问题，子系统之间功能的分工及相互协调的问题，对各子系统的可靠性要求及其分析方法的问题，水电厂综合自动化的选择或研制必须遵循以下原则 ：（1）对系统的总体结构，必须按照系统工程的思想。这一总要

12、求主要包括以下三方面的含义：系统观点，即在研究水电厂综合自动化的总体结构时，要把电站枢纽放在它的大环境电力系统和水利枢纽中去考虑；应充分了解电力系统和水利系统各方面情况以及它们对枢纽综合自动化提出的各项要求。全局观点，即在研究系统的总体结构时，要全面考虑并实现枢纽防洪、发电、航运等综合利用部门的各项运行管理功能，也应考虑消防、水淹厂房、全厂停电等安全问题，而不能有所偏颇。整体观点，巨型水电枢纽的规模很大，运行管理部门亦很多。对系统总统结构的研究，要注意使全枢纽的运行管理具有良好的整体效益，层次清晰，方便协调，即有利于对整个枢纽的各运行部门进行统一管理、集中调度、信息共享。（2） 对于水电厂综合

13、自动化系统的运行体制结构，既要考虑具体枢纽在运行管理上的特点，从经济性和可靠性角度考虑的客观需要以及国内外大型水利枢纽和梯级电站在实现自动化过程中取得的经验，又要充分考虑到我国在水利枢纽和电力系统运行管理上的体制习惯以及我国的行政体制特点等。（3） 水电厂综合自动化系统总体结构的建立，应遵循控制上适当地分级、地理上合理地分散、功能上实现分布这一总原则，这种计算机分层分布控制管理系统具有系统可靠性较高、灵活性较大、方便管理、系统扩展及升级容易等优点。（4） 为了保证全枢纽运行管理的安全经济性，各子自动化系统本身应具有很高的可靠性、很好的实时相应性、良好的可维修性、独立工作的能力及必要的安全隔离措

14、施，并保留有一定的扩充余地。（5） 水电厂综合自动化系统中所采用的技术和选用的设备，既要先进又要成熟，既要有超前意识，又要重视工程试验，而且要与国外技术的发展趋势相适应。近年来，国内外的计算机技术发展迅速，推出的新型结构计算机系统日益增多。因此，在建立自动化系统时，应努力反映这种技术的发展趋势。第二章 电厂监控系统第一节 水电厂监控方式的发展水电厂监控方式的发展，一般经过如下几个阶段：（1） 机旁监视控制。此时主辅机设备的操作均在机旁进行，自动化水平较低。（2） 全厂集中和机旁两级控制。全厂实行集中控制，但是由于自动化设备性能尚不十分完善，可靠性能尚不能满足运行要求，机旁仍设值班人员监视，并完

15、成部分开关操作。（3） 全厂设备集中监视和控制。值班人员在电厂中央控制室集中监控全厂主辅机设备，实现开停机、调整负荷、事故处理等操作，在机旁，包括发电机层和水轮机层，均不设值班人员。（4） 水电厂少人、无人值班和调度所远程监控。由于水电厂自动化水平的进一步提高，水电厂仅需很少的值班人员，中小型水电厂可直接由地区调度所进行操作和监视，这是一种较高水平的监控方式。从国内外水电厂计算机监控系统几十年的变化情况看，它经历了一个从简单到复杂、从低级到高级、从单项到全面、简陋到完善的发展过程，如从集中式控制向分布式发展、从单计算机系统向多计算机系统发展、从单层网络向多层网络发展，以下分别进行讨论。第二节

16、计算机监控系统2.1 集中式计算机监控系统在集中式计算机监控系统中，一般是将采集到的数据全部集中到计算机来进行处理，然后根据计算机计算和处理的结果传送到各测控点进行控制和调节。这里采用的计算机系统有如下几种：单计算机系统；双计算机系统；双主计算机带双前置计算机系统；以数据库为核心的多计算机系统；分布式处理计算机监控系统2.1.1分布式系统发展初期的基本思想用当时新开发的性能价格比极高，但绝对性能还嫌不足的微小型处理起来完成大型计算机所具有的功能。为此要求把硬件和相应的软件在大量重复的大规模电路芯片之间分开来，构成统一的计算机系统。分布式系统大体上可以分为三种类型，即按功能分别、对象分布以及按上

17、述两种方式的结合。按功能分布的结构目前多用于水电厂监控系统的全厂设备或上位机部分，它一般由一台或两台计算机（或工作站）构成单个或冗余系统，完成指定的功能，例如操作员工作站、通信工作站以及在某些情况下配置的事件顺序记录工作站等。按对象分布的系统，特别强调在生产数据的地方，就近分析和处理数据，其目的是减少通信的信息量，充分利用现场能采集到的各种信息进行综合分析后，再向上级传送结果或中间结果，即所谓“熟数据”。这种方式通常适用于机组级控制终端，其具备的功能含有综合的特征，如包括数据采集、分析处理、事件分辨、机组顺控、有功和无功功率调节以及上位机之间进行通信等。复合型分布处理有如下几种情况：一种可说是

18、上述两种分布方式的结合，即上位机采用按功能分布的方式，下位机采用按被控对象分布的方式，这样结合起来的系统就是复合型分布式系统。实际上这种系统在水电厂的应用是比较多的；另一种是在电厂级控制中心和机组级控制终端均采用按功能分布处理的结构，即指 LCU 也采用了多微机（单片机或嵌入式微机）的按功能分布结构。第二节 分散式处理计算机监控系统分散式处理计算机监控系统也是在多计算机系统出现后得到应有的一种系统，其控制对象得到特点是地理上分散在一定的范围内；相互之间的联系较薄弱，很少存在处理结果或计算上的因果关系。2.1分层控制分层控制理论也是20 世纪80 年代发展起来的一种新理论，它是控制系统理论的一个

19、分支，是从控制论的角度来研究多个相互影响的系统的控制方法。它把“中央的控制中心”对“各子系统的控制中心”的监视，以及确定“各子系统控制中心”的控制方向问题提高到理论上来，这种理论可用于电力系统问题的分析和调度控制中。采用分层结构后使多台计算机便于管理，不同层次不同任务的计算机的容量、规模可配置得比较合理，如在全厂控制一级采用规模相对较大一些的计算机，而在控制第一线的计算机可采用规模相对较小，但抗干扰能力强，可靠性高的微机等。水电站监控系统的下位机监控系统由机组控制单元、公用系统控制单元开关站控制单元、坝区控制单元，共六套现地控制单元组成。其中机组是根据上位机发出的指令或当地按钮的开合，通过 P

20、LC 程序指挥继电器的动作分别控制三套机组的大部分功能，完成如开关机，事故及故障报警，紧急停机报警等任务；公用系统主要用于厂用电系统、风水油系统、蓄电池直流系统的监控；开关站主要作用是监视与控制经变压器升压送达母线之间线路，输出上电网、厂用电、备用电线路上断路器、隔离开关的状态。坝区的基本功能控制水库闸门的开合，以满足中心调度对发电量的要求。上位机计算机监控系统由2套主服务器、2套操作员工作站、1套工程师工作站、1套培训工作站、1套调度通讯工作站、1套厂内通讯服务器、1套保护通讯机、1套生产管理工作站、1套语音报警及寻呼短信服务计算机、冗余快速以太网、时钟同步系统组成。主要功能如下:服务器:

21、服务器负责对整个电厂的运行管理，AGC、AVC 计算和处理，数据库管理，综合计算，事故故障信号的分析处理，运行参数统计记录和历史数据存储等。主机采用双机冗余工作方式，任何一台计算机故障，系统仍可正常运行，提高了系统的安全可靠性。操作员工作站：操作员工作站供运行值班人员使用，具有图形显示，运行监视，发操作控制令，设定与变更工作方式，各图表曲线的生成，事故故障信号的处理等功能。电厂所有的操作控制和负荷调节，都可以通过鼠标器及键盘实现。通过彩色显示器可以对电厂的生产，设备运行作实时监视，并取得所需的各种信息。工程师工作站：工程师工作站用于系统维护和管理人员进行修改设定值，增加和修改数据库，画面和报表

22、，并可做功能及应用的开发和软件维护工作。厂内通讯服务器：厂内通讯服务器用于完成与厂内其它系统或设备的通讯。保护通讯服务器：保护通讯服务器主要实现与保护设备的通讯。调度通信服务器：用于与调度的通讯。第三节系统结构联系图结构图解析其中GPS 卫星时钟同步装置可接收GPS 分同步信号通过8 串口扩展卡给系统中的各个服务器、工作站以及LCU 的CPU 进行时钟同步。另外，GPS 还提供了 32 路脉冲分同步输出，与保护及故障录波等装置的对时。为了实现上下位机通讯的实时性、可靠性，本计算机监控系统按 IEEE802.3 标准连接到冗余FastEthernet局域网LAN 上，网络设备采用快速以太交换机，

23、网络上每一节点的数据传输速率为100M/bps。如图所示，上位机的每个设备均通过两条双绞线连接到各自的0 网和1 网的CISCO 2611XM 双10/100 Ethernet 路由器主机，而路由器主机则通过WS-C3550-24 以太网交换机把0 网和1网相互连接，做到互为备用。 而下位机 LCU 的 PLC 在调试时，一般直接用网线分别连接到 0 网和 1网的路由器；但在安装现场，由于现地控制单元设备室通常远离放置路由器等设备的中控室，故一般用 100M 多模光纤接头把网线中的电信号转换为光信号，用于远距离传输，在中控室再把光信号还原成原先的电信号，便于路由器的接收。0网和1 网的配置完全

24、保证了系统通讯中任意一点故障中断后，系统通讯依旧畅通，保证了系统监控的连续一致性，也为日常维护差错提供了保护机制。当然这种通讯网络的配置方式投资较大，但因为电力生产的特殊要求，这种配置还是必要可靠的。第三章 PLC配置第一节 现地控制单元的PLC组成采用法国施耐德Schneider 公司的Quantum PLC 可编程控制器。Quantum 系统是一种带有数字进程处理能力的有着特殊用途的计算机系统，被设计应用在工业和制造应用领域的实时控制当中，采用模块化设计，并有可扩展性的模块结构。Quantum PLC 使用可悬挂式底板安装模板和电气接线。底板上有一块印制电路板，上面有电源及通讯线等连接线的

25、插槽。底板再安装在固定支架上，并有可选择的后装式和者前装式导轨。本地机架和远程机架可选用插槽数目为2、3、4、6、10 及16 的六种形式的底板。一般地中央机架最左边的两槽为电源和中央处理器。I/O 机箱电源一般在最左边或者最右边便于散热处的槽位，因为Quantum 系列不再单独配置散热器。除电源模板外，所有模板可以插放在地板的任意一个插槽位置上，模板对外接线有统一的端子排和不同型号模板的定位销，即容易接线，易于任意组合模板安插位置，又不会在模板维护时相互差错位置。接线端子排在模板的前端，当拆下接线端子排后，允许模板在底板上带电插拔。模板通过使用转动开关设定它的地址。Quantum 系列模块组

26、成的自动控制系统带有完善的监视和诊断功能。PLC 对其内部的工作状态、通讯状态、I/O 点状态和异常状态均有醒目的显示，其自带的LED 显示区，以指示该模块的工作情况。CPU 模块：CPU 模块是数字化电子操作的核心部件。它安装在本地I/O 底板上。CPU 模块按照用户存储在CPU 内部的程序指令进行操作，通过数字量和模拟量的输出，控制不同类型的生产设备。用户可根据工艺要求，编制 PLC 应用程序用于调节系统、控制自动化系统正常有序的工作。同时，Quantum CPU 还作为通信网络的主控，控制自动化系统得本地、远程和分布式I/O 的工作。在 CPU 模块的前面板装有两个 3 位置滑动开关，左

27、边的开关是用于保护存储器的，当滑动端在上面位置时起保护作用，滑动端处在中间和下面位置时不起保护作用。右边的3 位置滑动开关用来设定Modbus (RS-232) 端口的通信参数。有3 种选择方案：1) 将滑动开关设定在上面位置，赋予端口ASCII 码功能；设定通信参数，不能进行改变；2) 将滑动开关设定在中间位置，赋予端口远程终端装置（RTU）功能；设定通信参数，不能进行改变。当前面板开关设定在RTU 方式时，CPU 硬件缺省为桥方式。用作联网控制器时，与CPU Modbus 端口相连的板上装置可与在Modbus Plus 网络上任意节点相连的控制器进行通信；3) 将滑动开关设定在下面位置，这

28、将使用户能将通信参数赋予软件端口；电源模件Quantum热备模件：此模件被设计用来当不允许存在故障时间和远程I/O 网络进行工作的系统。热备模件的前面板分别布置有 LED 显示区、钥匙开关、A/B 标志滑动开关、程序更新按钮，发送电缆连接器、接收电缆连接区。当功能钥匙打在offline 位置，控制器停止工作；当钥匙打在Fir位置，其备用功能准备好并从基本控制器接收一个完全的程序并且更新。更新通过更新按钮进行初始化。当钥匙打在 Run 位置，表示系统处于正常运行态。A/B 选择滑动开关用于选择控制器是 A 或 B 状态。在每一对中的一个热备模块上的滑动开关必须设定在 A 位置；而在另一模块上的滑

29、动开关则必须在 B 位置。标志 A 的控制器将作为基本控制器，在热备开始一直到控制器 B 之前或与 B 控制器相同的时间到达准备好的状态。如果这些开关都设定在相同位置，则系统将在开始决绝承认第二个控制器。以太网模件：Quantum 以太网TCP/IP 模块使得Quantum 控制器装置在以太网上采用 TCP/IP，实际上是以标志协议进行通信，以太网模块可以插入现有的 Quantum 系统并通过光纤或双绞线电缆与现有的以太网相连。NOE 模块的前面板分别布置有LED 显示区、统一的地址标签、发送电缆连接器、接收电缆连接器。远程I/O（RIO）网络模块Quantum RIO 主站和分站模块使用基于S908 联网的I/O 配置，可通过单同轴电缆或双同轴电缆进行通信，通信距离远。当需要Quantum RIO 时，Quantum 控制器最多可支持31 个RIO 分站。在 RIO 配置中，RIO 主站模块通过同轴电缆与每个远程分站的 RIO