摘要：可編程計算機控制器(PCC) 是一種專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)計算機, 文章對這項技術(shù)及其特點進(jìn)行分析, 并以某熱電廠機組設(shè)備系統(tǒng)改造為例, 介紹了PCC這項技術(shù)在發(fā)電廠實現(xiàn)智能分布式數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控改造運用情況和效果。
關(guān)鍵詞: PCC；監(jiān)控； 系統(tǒng)； 應(yīng)用
0. 引言
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展, 電網(wǎng)容量和用電負(fù)荷的日益增長, 電力系統(tǒng)對自動化和可靠性的要求越來越高。電力系統(tǒng)自動化對可靠性的需求, 使人們注意到"PLC" (可編程邏輯控制器) 這種高可靠性和強抗工業(yè)干擾的技術(shù)。90 年代以來, PLC 發(fā)展迅猛且應(yīng)用的局域網(wǎng)技術(shù)日趨成熟, 產(chǎn)品不斷向系列化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展, 在自動化控制領(lǐng)域中, 新一代的PLC改名為PCC 已逐漸躍居主導(dǎo)地位, 成為實現(xiàn)自動化控制的關(guān)鍵技術(shù), 在電力系統(tǒng)也不例外。
PCC( Programmable Computer Controller) 是一種可編程計算機控制器, 它是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)計算機, 采用"面向用戶的指令" , 因此編程方便；它直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境, 具有更強的抗干擾能力、更高的可靠性、廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍；大容量的存儲能力、標(biāo)準(zhǔn)通信接口, 基于過程總線的系統(tǒng)互聯(lián)、高級語言開發(fā)和運行環(huán)境,自診斷能力, 都使得PCC 在電力系統(tǒng)的應(yīng)用具備了出色的友好"平臺"。
1. PCC 系統(tǒng)CPU的特點
繼承了PLC 與微機技術(shù)的PCC 技術(shù)形成第一代自動化軟硬件平臺結(jié)構(gòu), 采用32 位CISC 和
RISC 的CPU, 多處理器結(jié)構(gòu)。圖1為本系統(tǒng)所用的CPU 模塊結(jié)構(gòu)。圖中除了主CPU 外, I/ O - Processor 即I/ O 處理器主要負(fù)責(zé)獨立于CPU的數(shù)據(jù)傳輸工作。DPR - Controller 即雙向口控制器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的管理。一個模塊上的3 個處理器,既相互獨立, 又相互關(guān)聯(lián)(通過DPR) , 從而使主CPU 的資源得到了合理使用, 同時又最大限度地提高了整個系統(tǒng)的速度。
圖1 CPU模塊結(jié)構(gòu)
2. PCC 在發(fā)電廠監(jiān)控中的應(yīng)用
以某熱電廠機組設(shè)備改造為例, 介紹應(yīng)用PCC 實現(xiàn)的智能分布式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。該
熱電廠有大小機組7 臺, 裝機容量194 MW, 現(xiàn)準(zhǔn)備對主要的4～5 號機及整個電氣系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控系
統(tǒng)改造。
2.1 設(shè)計原則
系統(tǒng)按分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計, 采用開放系統(tǒng)、分層控制等先進(jìn)的計算機設(shè)計思想, 將計算機技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、圖形和圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和自動控制技術(shù)有機地結(jié)合在一起, 技術(shù)成熟, 運行經(jīng)驗豐富, 能夠滿足近期的功能要求和遠(yuǎn)期的發(fā)展需要。整個設(shè)計遵照國際90 年代IEC1000 系列標(biāo)準(zhǔn), 滿足ISO9001 國際標(biāo)準(zhǔn)。
(1) 整個系統(tǒng)分為5 個采集控制站, 計有4 號機組監(jiān)控、5 號機組監(jiān)控、35 kV 出線監(jiān)控、同期控制、01/ 1～3 號機/ 6 kV 監(jiān)控。兩個操作員工作站。
(2) 通過計算機對勵磁調(diào)節(jié)器( KFD) 、發(fā)電機有功進(jìn)行遙調(diào)。在4、5 號機控制屏上設(shè)有手操有功調(diào)節(jié)和KFD 無功調(diào)節(jié)及與汽機聯(lián)系指揮信號。
(3) 不含同期點的出線, 原控制回路取消, 采用計算機控制。含有同期點的出線, 應(yīng)用成熟的計算機同期裝置, 采用計算機控制。
(4) 事故音響, 預(yù)告信號原回路取消, 功能由計算機系統(tǒng)實現(xiàn)。
(5) 廠用電BZT功能由計算機實現(xiàn), 對4、5號機強行勵磁及主變風(fēng)扇啟動控制均由計算機來進(jìn)行判別控制。
2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)配置如圖2 所示。
圖2 系統(tǒng)配置框圖
2.3 系統(tǒng)管理層
操作員工作站、工程師工作站和通訊服務(wù)器組成智能分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的管理層。
管理層通過PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)與5 個PCC 采集控制單元相連, 各工作站和服務(wù)器分別相當(dāng)于
PROFIBUS 網(wǎng)上的一個獨立的結(jié)點。
管理層采用多機及雙網(wǎng)絡(luò)方式運行, 各工作站及通訊服務(wù)器之間還組成一個小的局域以太網(wǎng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與共享, 互為備用, 提高了系統(tǒng)的可靠性; 軟件平臺采用32 位多任務(wù)、多進(jìn)程設(shè)
計, 可支持Windows95/ 98/ NT操作系統(tǒng)軟件, 配有多種應(yīng)用軟件接口, 并支持OEM開發(fā), 為用戶提
供了二次開發(fā)平臺； 硬件平臺可采用小型機、微型機或工作站等設(shè)備。
通訊服務(wù)器完成與地調(diào)、模擬盤、GPS 天文時鐘接收裝置以及電廠已有的幾臺RTU 設(shè)備的通
信；還通過HUB 與該廠的MIS 網(wǎng)相連, 實時監(jiān)控系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)結(jié)合在一起, 實現(xiàn)了實時信息的管理。
若用戶具備與Internet 連接的條件, 管理層還可以提供PVI 瀏覽器方案, 實現(xiàn)遠(yuǎn)方讀取數(shù)據(jù)。
2.4 系統(tǒng)控制層
PROFIBUS 網(wǎng)上的各采集控制單元組成智能分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制層。控制層按照機組或線路等監(jiān)控對象的不同分別組屏, 可以使各單元組合置于過程對象附近, 減少電纜投資。各監(jiān)控單元分別完成相應(yīng)監(jiān)控對象的模擬量、數(shù)字量采集以及數(shù)字量的輸出控制。模擬量采集采用交流采樣。
系統(tǒng)具有可擴充的模塊化結(jié)構(gòu), 電源、CPU、網(wǎng)絡(luò)板、I/ O 板、模擬量輸入板、通訊板等都是獨立的模板以總線方式連接在底板上, 它取代了標(biāo)準(zhǔn)的框架裝配的局限性, 可在標(biāo)準(zhǔn)的DIN 軌道上任意拆裝、組合。
每個單元都有一電源模塊。系統(tǒng)電源是系統(tǒng)可靠性與完整性的第一保證, PCC 的輸入電壓有
AC、DC兩種, 可實現(xiàn)交/ 直流切換。
系統(tǒng)配有當(dāng)?shù)卣{(diào)試通信口, 便于對不同的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備進(jìn)行跟蹤與調(diào)試, 方便了參數(shù)設(shè)置及運行監(jiān)視的維護(hù)。帶電插拔采集板件使得現(xiàn)場維護(hù)變得簡單方便。
在軟件支撐環(huán)境方面, PCC 采用高級語言編程, 為用戶提供透明的服務(wù)接口, 同時, 也支持直流采樣, 使得功能實現(xiàn)、系統(tǒng)增容都十分方便靈活。
操作系統(tǒng)為實時多任務(wù)系統(tǒng), 在操作系統(tǒng)中一個任務(wù)的循環(huán)周期可根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級確定。操作系統(tǒng)主要分三層:
(1) 操作系統(tǒng)核。
(2) PCC 軟件包。包括: 系統(tǒng)管理、系統(tǒng)任務(wù)、功能庫、一般任務(wù)、高速任務(wù)級、通訊軟件。
(3) 應(yīng)用程序。包括: 循環(huán)任務(wù)、非循環(huán)任務(wù)。操作系統(tǒng)為保證系統(tǒng)的高可靠性提供了監(jiān)視和安全的功能, 包括: 模塊檢測、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)檢測、棧溢出檢測、I/ O 數(shù)據(jù)傳輸檢測、循環(huán)周期檢測、硬件看門狗等。
由于PCC 的CPU 采用68000 + RISC 的32 位微處理器, 具有極強的運算處理能力, 可使大量運算、控制功能、保護(hù)功能分散在各智能單元, 大大提高了站內(nèi)通信網(wǎng)的利用率, 使整個系統(tǒng)效率達(dá)到最高。另外, 系統(tǒng)軟硬件方面良好的自診斷功能,可把故障范圍減至最小。
2.5 現(xiàn)場層
智能分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的外圍層為現(xiàn)場層, 包括采集層使用的傳感器、二次控制回路等。
現(xiàn)場層根據(jù)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快( ≥500kbps) , 軟硬件實現(xiàn)簡單的特點, 可以用CANBUS
(或RS485) 來連接廠內(nèi)的其他自動化裝置如保護(hù)單元、故障錄波、無功補償設(shè)備等的主干網(wǎng), 并通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接到采集層, 與上一層進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)通訊。
2.6 網(wǎng)絡(luò)通信
采用的PROFIBUS( Process Field Bus) 網(wǎng)絡(luò)是一種高速數(shù)據(jù)鏈路, 是具有標(biāo)準(zhǔn)通訊能力的開放式現(xiàn)場總線, 用于PCC 與PCC 之間, 或與其它接到本網(wǎng)絡(luò)上的智能設(shè)備(如顯示單元、上位機等) 間傳送數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)。PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)作為傳輸速度最快的現(xiàn)場工業(yè)總線(500 kbit/ s～10 Mbit/ s) , 物理連接方式簡單, 既可以用雙芯屏蔽通訊電纜, 也可以用光纖等；多主多從的"Peer To Peer"方式, 采用Token Ring 結(jié)構(gòu), 網(wǎng)上最多可連入多達(dá)128 個結(jié)點, 最大傳輸距離達(dá)4800 m； 與第三方系統(tǒng)通訊方便, 兼容性能；可任意的增加和刪除網(wǎng)絡(luò)結(jié)點,而對其他結(jié)點和整個網(wǎng)絡(luò)沒有影響, 可靠性高。PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議符合德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245。
系統(tǒng)的CPU 模塊、專用的網(wǎng)絡(luò)模塊和通訊模塊( 本系統(tǒng)未使用) 提供了多種標(biāo)準(zhǔn)通信接口
( TTY, RS422 , RS232 , RS485 等) , 使得CPU 的局部I/ O 總線擴展、遠(yuǎn)程擴展I/ O(通過RS485 電纜)以及CPU 間的現(xiàn)場總線組網(wǎng)非常靈活, 從而方便地實現(xiàn)系統(tǒng)縱向或橫向集成。
3. 系統(tǒng)改造后效果
應(yīng)用PCC 實現(xiàn)的電廠機組設(shè)備改造, 充分發(fā)揮了可編程編輯控制器( PLC) 的標(biāo)準(zhǔn)控制功能和工業(yè)計算機的分時多任務(wù)操作系統(tǒng)的集成優(yōu)勢, 不僅方便地實現(xiàn)了各機組、廠變、出線及同期控制單元的開關(guān)量和模擬量的采集, 而且其雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的管理層、具有大型機分析運算能力的PCC 模塊組成的控制層均為實現(xiàn)發(fā)電機有功調(diào)節(jié)、同期控制、強行勵磁、備自投等回路的自動控制提供了可靠的保證, 從而使該電廠的自動化管理水平登上一個新的臺階, 為建立全廠信息監(jiān)控和管理系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ), 為電廠節(jié)能增效、提高供電質(zhì)量開辟了更廣闊的空間。
4. 結(jié)束語
總之, 開放式系統(tǒng)平臺是當(dāng)今電力系統(tǒng)自動化發(fā)展的方向。現(xiàn)代的PCC 與微機的發(fā)展相互滲
透, 它已是一種可提供諸多功能、成熟的用戶應(yīng)用控制系統(tǒng), 而不是一種簡單的邏輯控制器, 它已被開發(fā)出更多的接口與其它控制設(shè)備進(jìn)行通信, 生成報告, 多任務(wù)調(diào)度, 可診斷自身故障及機器故障?；诂F(xiàn)場總線的智能分布式的新型控制思想, 基于標(biāo)準(zhǔn)化的開放性和兼容性, 通用性和高度專業(yè)化的融合, 這些優(yōu)勢使PCC 可以實現(xiàn)電廠的各種運行、分析與控制功能, 能夠滿足當(dāng)今的電廠實現(xiàn)生產(chǎn)、管理自動化的需要, 而且具有很高的性能價格比。PCC 應(yīng)用為電廠全面提高管理水平和經(jīng)濟效益提供了廣闊的前景, 是一種值得推廣的可行性方案。
參考文獻(xiàn)：
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作者: 廖為宏（1963 , 男, 江西南康人, 高級工程師,碩士, 從事電力系統(tǒng)自動化專業(yè)技術(shù)工作）浙江巨化集團(tuán)公司熱電廠，浙江 衢洲 324004