摘要: 基于B&R 2005 系列可編程計算機(jī)控制器(PCC) 設(shè)計了一種水輪機(jī)組現(xiàn)地控制系統(tǒng)。系統(tǒng)
　　以具有高速數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)通信能力的PCC 為控制核心, 采用ANSI C 語言編寫控制程序, 基于
　　最小二乘法對機(jī)組模擬量進(jìn)行濾波, 實現(xiàn)機(jī)組的開停機(jī)控制、模擬量采集、故障報警等功能, 同時,基于幀驅(qū)動器實現(xiàn)控制系統(tǒng)同各種智能設(shè)備以及上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信, 以將各監(jiān)控單元采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理送到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以及人機(jī)界面, 實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程與現(xiàn)地監(jiān)控。同時, 介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計方案。該監(jiān)控系統(tǒng)已在實際中應(yīng)用, 性能可靠穩(wěn)定, 驗證了方案的可行性。
　　關(guān)鍵詞: 可編程計算機(jī)控制器；分時多任務(wù)系統(tǒng)；最小二乘法；幀驅(qū)動器；PVI；OPC

　　0 引言
　　水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)劣在一定意義上代表著該水電站的自動化控制水平, 它直接影響機(jī)組的運行安全、電能質(zhì)量以及生產(chǎn)效益等[1-2]。
　　從目前水電站自動化水平的發(fā)展需求看, 可編程邏輯控制器PLC( Programmable Logic Controller) 在高速數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信以及系統(tǒng)擴(kuò)展等方面的能力已經(jīng)不能滿足要求, 而新一代的可編程計算機(jī)控制器PCC( Programmable Computer Controller ) 不僅擁有PLC 穩(wěn)定可靠的優(yōu)點, 同時也具備了工業(yè)控制計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及通信能力、豐富的編程語言, 諸多優(yōu)點已使其能夠勝任大型的集散控制以及復(fù)雜的控制過程[3]。
　　本文介紹的系統(tǒng)基于B&R 2005 系列PCC, 采用ANSI C 語言編制控制程序, 同時以最小二乘
　　法對機(jī)組模擬量進(jìn)行濾波, 并基于幀驅(qū)動器以及OPC Server 實現(xiàn)了PCC 控制系統(tǒng)同外部智能設(shè)備及上位機(jī)的通信, 組成了一個較先進(jìn)的適用于中小型水電站的開放式監(jiān)控系統(tǒng)。
　　1 系統(tǒng)監(jiān)控方式與組成結(jié)構(gòu)
　　以計算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控方式CBSC( Computer-Based Supervisory Control ) 是目前國內(nèi)外水電廠普遍采用的計算機(jī)監(jiān)控方式[4]。CBSC 模式的主要特點是電廠的主要監(jiān)控功能全部由計算機(jī)實現(xiàn), 大大簡化常規(guī)控制裝置, 僅留一部分現(xiàn)地操作設(shè)備以備特殊情況[5] , 但由于位于監(jiān)控系統(tǒng)較底層的現(xiàn)地控制單元LCU( Local Control Unit) 一般都以PLC 作為其控制核心, 在數(shù)據(jù)處理、通信上功能不夠強(qiáng)大,用戶如要擴(kuò)展或升級系統(tǒng)就需要相當(dāng)大的投入, 而PCC 則依靠其豐富靈活的通信模塊成功解決了這一問題, 使CBSC 監(jiān)控方式更加靈活有效。
　　結(jié)合廣西宜州拉浪水電站的實際情況, 本系統(tǒng)基于B&R 2005 系列中型PCC 并以CBSC 方式設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制核心PCC 由一系列獨立封裝的盒式模塊組成, 基本模塊包括電源模塊和CPU 模塊, 擴(kuò)展模塊包括I /O 模塊、通信模塊等。
　　在該系統(tǒng)中, 調(diào)速器、電量儀及溫度巡檢儀等智能設(shè)備能夠穩(wěn)定地同PCC 通信并將數(shù)據(jù)送入PCC,而PCC 則通過以太網(wǎng)( 基于TCP / IP 協(xié)議) 同上位機(jī)監(jiān)控終端通信, 同時也將數(shù)據(jù)送至位于LCU 上的人機(jī)界面顯示。這種模式彌補(bǔ)了設(shè)備分散帶來的不足, 使運行人員可以在上位機(jī)或人機(jī)界面上監(jiān)控機(jī)組運行狀態(tài), 實現(xiàn)真正的集散式監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　2   現(xiàn)地控制單元程序設(shè)計
　　2.1 控制程序設(shè)計
　　2.1.1 任務(wù)層設(shè)計
　　PCC 的操作系統(tǒng)是一個分時多任務(wù)操作系統(tǒng),該系統(tǒng)可使控制系統(tǒng)得以優(yōu)化, 擁有更好的穩(wěn)定性和實時性①。在控制程序中, 各個任務(wù)程序模塊依據(jù)其自身的重要性、實時性要求, 分別位于優(yōu)先級不同的任務(wù)層下, 完成不同的功能。例如, 事故故障處理直接影響水輪機(jī)組的安全運行, 因此, 該模塊被置于任務(wù)層Cyclic #1 中； 而對實時性要求相對不高的模塊如通信程序模塊, 則被置于任務(wù)層Cyclic # 4中。圖2 為控制程序各個任務(wù)程序模塊的任務(wù)層分布( 括號內(nèi)時間分別表示不同任務(wù)層的循環(huán)時間) 。

　　圖2 程序模塊的任務(wù)層分布

　　2.1.2 模擬量處理程序設(shè)計
　　機(jī)組模擬量如壓力、溫度等對整個水輪機(jī)組的正常運行起著至關(guān)重要的作用, 因此需要對模擬量進(jìn)行濾波以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。以PLC 為核心的控制系統(tǒng)對模擬量值的濾波一般是通過將模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)值進(jìn)行平均N 次得以實現(xiàn), 存在著可靠性差等缺點。該程序則基于最小二乘法對模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理, 并可根據(jù)傳感器特性的變化調(diào)整參數(shù), 提高了數(shù)據(jù)的可靠性。最小二乘法[6]即: 選擇適當(dāng)?shù)腶, b, 使式( 1) 中的ε最小。

　?。?）

　　因為ε是a, b 的函數(shù), 用求極值的方法可知應(yīng)滿足:
　　

（2）

　　解出a，b：

　　（3）

　?。?）

　　式中Yi 為第i 個模擬量通道的數(shù)據(jù)處理結(jié)果； Xi為從傳感器讀取的第i 個模擬量通道的初始
　　值； a i, bi 為對應(yīng)該通道的參數(shù); n 為平均次數(shù),程序中一般取20 次。
　　模擬量處理模塊部分程序如下:
　　int AnalogueFilter( unsigned int No, int AValue)
　　{IValue=AValue*ACoefficientA[No] +ACoefficientB[No]；∥最小二乘法濾波
　　IValue=FlatFilter (No, IValue, 1)；∥平均值濾波if( ( IValue>=AValueMin[No] ) &&( IValue<=AValue Max[No] ) ){EValue=EValue+ALog[No] [i] ；
　　FValue=( EValue+IValue) / 20；}}
　　2.2 通信程序設(shè)計
　　LCU 與外部設(shè)備如電量儀等的通信基于幀驅(qū)動器。幀驅(qū)動器是一種介于應(yīng)用程序和硬件接口之間的軟件工具箱, 它使幀以字節(jié)流的形式進(jìn)行發(fā)送與接收, 無需驅(qū)動器對這些幀進(jìn)行操作[7]。
　　a. 初始化。通信開始時, 通過幀命令FRM_xopen(enbale, device, mode) 初始化端口, 其參數(shù)定義了接口設(shè)備、接口參數(shù)以及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)等。
　　b. 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。函數(shù)FRM_xopen( ) 初始化完成后返回緩沖區(qū)的地址及其長度, 然后調(diào)用memcpy( ) 將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū), 并將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)接收的過程與發(fā)送基本相反, 幀驅(qū)動器首先調(diào)用FRM_read( ) 讀取1 幀數(shù)據(jù)并把它放在緩沖區(qū)中,然后由memcpy( ) 讀出該緩沖區(qū)的內(nèi)容。
　　通信模塊部分程序如下:
　　void OpenComPortProc(void) ∥ 端口初始化{strcpy( StringDevice,"SL3.SS1.IF2")；∥ 3 號槽的子模塊上的第2 個接口
　　strcpy( StringMode,"RS485, 9600, N, 8, 1") ；∥通信參數(shù)
　　FramexOpenStruct..device=(UDINT)StringDevice；
　　FramexOpenStruct.mode=(UDINT) StringMode；
　　FRM_xopen(&FramexOpenStruct)；
　　Ident=&FramexOpenStruct.ident；}
　　3  上位機(jī)監(jiān)控實現(xiàn)
　　3.1 OPC 服務(wù)器
　　上位機(jī)監(jiān)控功能是借助OPC(OLE for Process  Control) 服務(wù)器為橋梁實現(xiàn)上位機(jī)組態(tài)軟件對機(jī)組數(shù)據(jù)信息的共享的。OPC 是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 它為不同廠商的硬件設(shè)備、軟件和系統(tǒng)定義了公共的接口, 使過程控制和工廠自動化中的不同系統(tǒng)、設(shè)備和軟件之間能夠互相連接、通信、操作。監(jiān)控系統(tǒng)采用OPC協(xié)議與其他現(xiàn)場設(shè)備通信的優(yōu)點在于: 不管硬件設(shè)備是否使用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議, 制造商只需要提供1套OPC 服務(wù)器, 就可以支持大部分的監(jiān)控等軟件,也不需要將自己的通信協(xié)議細(xì)節(jié)提供給軟件商[8]。
　　OPC 服務(wù)器軟件主要分為OPC 服務(wù)器對象模塊、服務(wù)器界面模塊和OPC 驅(qū)動程序模塊, 3 個模塊通過同一塊主內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)共享數(shù)據(jù), 通過線程的同步和互斥等技術(shù)的使用, 可解決共享數(shù)據(jù)的保護(hù)問題。在該系統(tǒng)中, 上位監(jiān)控計算機(jī)啟動后, 系統(tǒng)自動加載一個被B&R 稱之為"PVI"的系統(tǒng)模塊, 同時PVI 啟動同封裝在PCC 操作系統(tǒng)中的OPC 服務(wù)器的通信(在本系統(tǒng)中基于TCP / IP 協(xié)議) 。PVI 的核心部分為"PVI manager", 在"PVI manager"中用戶可根據(jù)需要選擇性定義從OPC 服務(wù)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。B&R PVI 的基本構(gòu)成( 見B&R 2005 User's Manual,2004) 如圖3 所示。

　　圖3 PVI 基本構(gòu)成

　　3.2 組態(tài)程序設(shè)計
　　該系統(tǒng)的組態(tài)程序采用北京亞控"組態(tài)王6.03"設(shè)計。"組態(tài)王6.03"有比較完善的報警和事件系統(tǒng)、報表系統(tǒng)及支持Windows 標(biāo)準(zhǔn)的Active X 控件, 同時全面支持OPC 標(biāo)準(zhǔn), 可以通過PVI 很方便地實現(xiàn)同PCC OPC Server 的數(shù)據(jù)共享, 完成諸如開關(guān)量監(jiān)視記錄和事件順序記錄、事故追憶和故障錄波、自動發(fā)電控制(AGC) 、自動電壓控制(AVC) 等監(jiān)控功能。
　　4 結(jié)語
　　本文結(jié)合發(fā)展迅速的PCC 技術(shù), 介紹了一種新型高效的水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于B&R 2005 系列PCC, 在以最小二乘法對機(jī)組模擬量進(jìn)行濾波的基礎(chǔ)上, 實現(xiàn)了機(jī)組的各種控制與保護(hù)功能,并基于幀驅(qū)動器以及OPC Server 實現(xiàn)了PCC 控制系統(tǒng)同外部智能設(shè)備及上位機(jī)的通信, 組成了一個較先進(jìn)的適用于中小型水電站的開放式監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)自現(xiàn)場安裝調(diào)試完畢至今, 已安全可靠地穩(wěn)定運行了將近1 年。PCC 可能將會依靠其強(qiáng)大的性能逐漸取代PLC, 成為水電廠自動化改造中不可或缺的一部分。
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　　            2. 武漢東興自動控制技術(shù)有限公司, 湖北 武漢430077