郴州西门子专业授权代理商

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1  引言

    目前，我国小型水电站的自动化水平仍处于比较落后的状态，尤其是坐落于偏远山区的小型水电站，这些小型水力发电厂都受到地理条件、经费等因素的限制，发电厂房和变电站的视频、动态监测和综合报警等系统，一般都是分步、分批建设实施，这样使得各个系统独立运行，每套系统都需要独立的管理人员，难以做到多系统的综合监控、集中管理，导致整体系统效率比较低，系统运行成本增加。此外，水电厂的辅助设备，包括机组顶盖水位控制、高压气机、低压气机、漏油泵、闸门等，在发电过程中都承担重要作用。但是这些设备分布比较分散，平时主要依靠运行人员对这些设备进行巡检。这不仅工作量很大，并且没有实时数据监控，难以及时发现设备运行中的故障。

     为此，本文设计并实现了一套以水电厂辅助设备的监控为主，包括动力环境监测、综合报警处理和门禁控制信息的计算机监控系统。该系统有效解决了上述问题，实现了一套**平台软件统一管理所有辅助设备。

2  系统分析与设计

2.1 系统需求

    为了改善当前的辅助设备控制方式，优化辅助设备运行环境，减轻运行人员的巡检工作量，实行更人性化的现代科学技术管理模式，小型水电厂要求设计出一套界面友好、有较强的可操作性、较先进的控制方式、能实时运行、具有较好稳定性、较强的抗电磁干扰和防雷能力、本身故障缺陷少的辅助设备计算机监控系统。

2.2 方案设计

    为了能及时发现运行中的辅助设备缺陷，只有把辅助设备运行的当前状况、运行数据实时上传至中控室，运行人员根据中控室监控画面来了解设备运行中的技术参数、并根据这些技术参数来判断设备运行情况是否正常，从而做出相应的技术措施，这样既实现了集中监控又减轻了运行人员的设备巡检压力。因此该辅助设备监控系统应以辅助设备监控为主，辅以动力环境监测、综合报警处理和门禁控制信息。所设计的辅助设备监控系统总体结构框图如图1所示。

    在图1中，采用西门子s7-200系列的plc作为现场控制器对现场设备进行控制、数据采集、故障告警信息等处理，各个s7-200通过profibus总线与中心控制器s7-300相连。在profibus总线上还带有安装有西门子wincc软件的工控机作为人机界面部分。现场控制器s7-200与现场各个设备之间的通信采用rs485总线。为了有效保护辅助设备的正常运行，不被雷电破坏，在辅助设备两端的485总线入口处加装**的485信号防雷器，保证辅助设备的安全性与可靠性。由于现场的各个辅助设备实际都通过profibus总线连接到人机界面上，因此当其中任何一台设备出现故障时，都可以通过在人机界面上运行的wincc实时显示出来，这样操作人员就能及时对故障信息采取措施，从而大大地优化了设备运行，提高了工作效率。此外，监控系统还结了专业的环境监控设备和报警设备，并接入了门禁系统，加强了对变电站进出人员的管理。

3  系统实现

3.1 监控系统网络结构设计

    监控系统采用全开放式分布式网络结构，由管理层和控制层组成。管理层包括中央控制室，主要负责完成过程控制、状态监控、数据采集、故障报警处理等功能，是计算机监控的核心部分。控制层包括弧形闸门、高、低压气机plc站、顶盖水泵plc站、生活水泵漏油泵、压油泵plc站、坝腔排水泵plc站、回油泵、漏油泵plc站，分别对厂内辅助设备及监测点进行控制、监测、采集信号，并将有关水电厂的辅助设备运行情况上传至中央控制室，同时接受中控室上位机的远程调度命令[2]。

3.2管理层设计

    水电厂辅助设备计算机监控系统管理层设备由1台用于水电厂辅助设备*监控室并兼作操作站计算机的服务器、1台彩色打印机和1台激光打印机组成。操作站为水电厂辅助设备计算机监控系统全分布式结构中的智能控制设备，由它实现全厂辅助设备计算机监控系统与各辅助设备的接口来完成监控系统对各辅助设备的监控。为了保较高的可靠性、较强的抗干扰性，服务器采用ibm的专业服务器。服务器采用bbbbbbs 2000个人版本操作系统，配备遵循profibus工业网络通讯协议[2]。监控系统组态软件采用西门子wincc软件。采用sql server 数据库工具，用于采集与存储监控计算机检测的主要数据[3]。

    水电厂辅助设备*监控室可显示的组态画面包括：“主画面”、“设备状态监控画面”、“设备运行监控数据及运行曲线画面”、“报警图表画面”。主画面显示操作索引，引导远程操作和实时监控操作；设备监控画面显示设备的运行情况(起动运行状态，停止状态，运行数据)；设备运行监控数据及运行曲线画面显示有关设备的运行参数，如：电流、电压、油位、油压、水位、水压、温度等，及其运行趋势曲线棒图；报警画面显示设备运行中的报警信息。因此中央控制室可对系统的所有辅助设备进行远程操作和控制，并具备显示实时动态参数、设备工作状态及实时/历史报警信号、在线仪表的实时/历史趋势曲线等功能，同时可进行离线/在线编程及设定参数的修改，编制和打印生产与管理等各类报表。 

3.3 控制层设计

    水电厂辅助设备计算机监控系统的控制层由现场分站、plc控制单元(弧形闸门、高、低压气机控制单元、顶盖水泵控制单元、生活水泵控制单元、坝腔排水泵控制单元、回油泵、漏油泵控制单元)组成，采用profibus—dp现场总线进行通信，操作站计算机和现场分站plc均挂在网络上，该网络有主从之分，主站和从站之间采用轮询的通讯方式[2]。 

    (1) 弧形闸门、高、低压气机采用一台s7-200  plc进行控制，弧形闸门、高、低压气机用原来的控制系统，只需在原有的plc程序作改动，在原有的程序加上通信方面的程序即可。

    (2) 顶盖水泵采用一台s7-200  plc进行控制，顶盖水泵用吸收式液位变送器送至plc的模拟量采集，plc再进行逻辑运算控制，并将模拟量信息、运行信息，故障告警信息上传给中控室，中控室也可进行远程控制。二台顶盖水泵互为备用，每当一台泵工作积累时间达到设定值时自动切换，当水位不断上升，并达到设定的*二高水位，再启动另一台泵，如果水位仍继续上升，再启动潜水泵，有一台泵故障自动切换*二台泵，如果二台均故障，切换至潜水泵，这些运行情况都会向中控室发出告警，从而更好地优化系统运行。

    (3) 生活水泵漏油泵、压油泵采用一台s7-200  plc进行控制。用超声波压力变送器、超声波液位变送器送至plc的模拟量采集，plc再进行逻辑运算控制，并将模拟量信息、运行信息，故障告警信息上传给中控室，中控室也可进行远程控制。 

    (4) 坝腔排水泵采用一台s7-200  plc进行控制。采用压力式液位变送器送至plc的模拟量采集，plc再进行逻辑运算控制，并将模拟量信息、运行信息，故障告警信息上传给中控室，中控室也可进行远程控制。二坝腔排水泵互为备用，每当一台水泵工作积累时间达到设定值时自动切换，当水位不断上升，并达到设定的*二高水位，再启动另一台水泵。如果**台水泵有故障自动切换*二台水泵。这些运行情况都会向中控室发出告警。坝腔控制箱装有温湿度控制器和防潮发热装置。

    (5)回油泵、漏油泵采用一台s7-200  plc进行控制。采用集中控制箱，根据设定的油位进行起动或停止油泵的操作，具有预告警和告警功能。   

3.4系统安全性能

    系统的安全性能主要依靠门禁系统和部署在水电厂内的署报警设备来实现，部署在水电厂的门禁系统，可对内部员工出入进行登记，当有人非法入侵时能够发出报警信号输出到视频编码器，并通过监控系统上传到监控中心。烟感、温感设备主要检测环境温度和烟尘，预防火灾发生。红外对射报警器主要部署在变电站周遭围墙等处，当有人翻越围墙进入到站内时，就会隔断红外线触发报警。当门禁系统和报警设备有警情出现时，系统可立即触发报警联动：

    (1) 在调度中心管理员监控电脑上进行文字、声音提示警情；

    (2) 自动把现场图像切换到电视墙上显示；

    (3) 对相关监控点进行图像录像存储，供事后查阅并可作为警情处理依据。调度中心管理员可根据现场实际情况马上采取紧急预案解决现场问题。

4  功能设计

4.1 数据采集和网络通讯功能

(1) 数据采集及处理

    负责与各种控制装置、保护装置、测量装置等设备通讯，完成数据采集和处理，对模拟量的处理包括软件滤波(去掉干扰信号)、误差补偿、数据有效性合理判断、标度换算等，对开关量的处理包括软件滤波(去掉抖动信号)、数据有效性合理判断等。

(2) 及冗余

    负责管理层*监控室和控制层监控单元之间的通讯，完成各种数据和控制命令的传送，并采用软、硬件冗余技术以保的可靠性。 

4.2 数据库功能

(1)实时数据管理

    负责对存放实时数据的内存高速数据缓存的存取控制，完成对模拟量数据对象和开关量数据对象的实时运算和实时刷新、对系统报警和系统事件的实时检测和处理。

(2) 历史数据管理

    负责管理和维护历史数据库，存储系统各种重要数据参数，报警数据记录、顺序事件记录，完成来自本地、网络和远方的客户对各种历史数据的存取请求、结构化查询和统计运算处理。 

(3) 曲线查询和报表查询

    负责为本地和网络客户提供报表查询、曲线查询、一览表查询、事故追忆查询及生产过程数据的统计和打印[4]。

4.3 系统软件功能

    水电厂辅助设备计算机监控系统软件主要包括上位机管理程序、plc控制与监测程序。 

    (1) 上位机的管理程序主要完成设备运行状况的图形显示监测、生产状况的数据库管理、检测数据的处理、菜单处理以及报警等功能。软件是开放型、实时分布数据库结构式的软件，选用西门子wincc。采用查询方式完成与plc的通信及检测数据的处理；将各辅助设备的相关信息以图形及数据的方式显示于显示器上；如有报警信号则显示相应图形，同时进行声光报警[5]。 

    (2) plc控制与监测程序主要完成对各工作站的自动控制、数据处理、plc自诊断等功能[6]。plc自诊断等功能包括plc 硬件故障诊断、软件故障诊断、在线运行故障诊断，硬件故障诊断可在线或离线自检设备的故障，故障诊断能到模块；软件故障诊断是指应用软件运行时，若遇故障应能自动给出故障性质及部位，并提供相应的软件诊断工具；在线运行时，当诊断出故障，能自动闭锁控制出口或切换到备用系统，并将故障信息上送中控室以便显示、打印和报警。

    (3) 切换丰富的图文信息，适合指挥中心监控、指挥、调度。本文设计的水电厂辅助设备综合监控系统，成功解决了分散监控，集中管理的难题。该系统可对所有变电站的重点部位进行24小时视频，并可以按照不同的方式对不同的设置录像。

4.5 面向对象的交互式图形界面

    提供人机接口，负责全厂辅助设备的运行监视、操作控制、故障报警、曲线显示和报表查询，并控制各种运行参数的修改和设置等。人机接口功能如下：

(1) 画面显示和操作控制

    负责监控画面的显示和实时刷新，通过文字、图形和动画等友好直观的方式实时的反映机组和主变等设备参数的变化情况，提供安全和简捷的交互式操作方式以协助用户完成对设备的操作控制和对机组的顺序控制。 

(2) 报警和事件提示

    负责用文字、图形和语音的方式实时动态的显示报警信息和事件信息，提供面向对象的多种查询方式，如按对象、按事件类型、按未复归事件和未确认事件进行查询。 

(3) 实时趋势

    负责显示重要参数的实时趋势图，以供技术人员和值班人员观察和分析系统运行情况。     

5  系统特点

(1) 安全性能高

    系统可接入门禁系统，还可连接大量报警设备和大量专业的环境监控设备，从而大大提高了系统的安全性、可靠性及运行的稳定性。

(2) 实施方便快捷

    充分利用小型水电厂现有网络环境，易于日后系统扩展。

(3) 适合构建大型系统

    系统支持三级/四级网络架构，支持大系统联网平台。 

(4) 功能丰富全面

    强大的综合软件管理系统提供了一个广阔的控制平台。实现用一套**平台软件统一管理所有辅助设备。中控室大屏幕图文显示系统，能实时显示。

6  结束语

    水电厂辅助设备计算机监控系统按照“综合监控、集中管理”的思想进行设计，整个系统简洁、实用。同时集中监控的辅助设备计算机监控系统可靠性、稳定性、抗干扰性、开放性、可扩充性、性价比均满足要求，为小型水电厂无人值班(少人值守)提供了技术**。

InTouch是美国Wonderware公司开发的世界上**个集成的、基于组件的MMI系统——FactorySuite 2000中的一个核心组件。它具有世界良好的HMI（人机接口界面）和面向对象的图形开发环境，便于、快捷地配置用户的应用程序。它在报警和历史趋势方面的功能，较大地方便了对系统的监控，Wonderware InTouch 在实际应用中被越来越广泛地用于电气自动化控制，如我公司润忠轧钢工段加热炉、打捆机等多个控制系统都使用了这个软件，现结合实际对该软件进行简单介绍。

一、Wonderware InTouch 软件的特点
InTouch和其它人机界面软件相比，主要特点是：
1、经过了完备的测试和运行考验。目前世界上有数十万套的InTouch系统在运行，因而该软件的可靠性和稳定性是非常高的。
2、较大限度的开放性。InTouch的运行环境是Win98/95/NT，基本的通讯格式包括“快速DDE”和Suibbbink。其中, 快速DDE兼容微软的DDE，因此许多Win95/98/NT下运行的软件都可以与InTouch直接通讯。为了与其他设备通讯，InTouch提供了广泛的通讯协议转换接口——I/O Server，能方便地连接到各种控制设备，包括：Siemens、Modicon等。甚至，也可以利用第三方Server。InTouch还提供了一个工具软件，编写通讯协议转换软件。
3、它具有强大的网络功能，通过传统的DDE和扩展的NetDDE的方式，可与本机和其它计算机中的应用程序实时交换数据。另外，它支持标准的ActiveX技术，使得用户可以轻松地为自己的应用程序开发各种网络多媒体功能。
4、数据库功能。InTouch除了自身带有数据库以外，还支持SQL语言，可以方便地与其他数据库连接。同时，它支持通过ODBC访问各种类型的数据库，便于系统的综合管理。
5、InTouch的编程因为方法非常简单，任何专业的工程技术人员和维修人员都可以掌握。一方面缩短了应用开发周期，另一方面方便了用户修改和开发上位软件。
6、InTouch提供了各种强大功能，通过组态完全可以满足用户在操作、显示、记录上的各种特殊要求。
7、InTouch有多种绘图工具和丰富的图形库，可以做出非常易于操作和漂亮的画面。 现在Wonderware公司推出的InTouch 7.0中文版，更加方便用户的使用和掌握。

二、InTouch 软件在自动化控制系统中的应用
以我公司的打捆机电气控制过程为例，打捆机的主要设备为液压站油泵、打捆机各打捆头、送线装置、压盘及导线小车等，上位机微机自动化系统的主要任务是对上述设备的动作进行使能设定、故障保护、打捆过程监控以及故障记录等。主要内容是：
1、保护功能：当油箱温度、压力异常时液压泵电机跳闸保护；当出现动作**时或喂线、抽线计数错误时停止打捆动作；当出现网络中断及PLC死机等异常情况时自动中止并等待人工响应。
2、遥测功能：模拟量如测量压盘、小车的实际位置；数字量如液压站油箱**高温度报警、出口压力报警、泵吸口阀保护开关等。
3、远程通信：打捆机各设备状态，保护动作信息可以在上位机操作系统的人机界面上一目了然。
4、远程控制：现场各开关量输出，包括对电气室电机接触器的吸合和断开等，打捆机本体各模拟量阀如导线小车、压盘动作的控制。
5、远程调节：对打捆机压盘设定打捆压力、打捆头扭结计数等进行合理调节。
6、过程站监控和管理：包括CRT显示，异常和事故报警，历史记录，顺序故障记录等。