摘要：本文吸收先進的監(jiān)控設(shè)計思想，在總結(jié)和分析原有的現(xiàn)地控制單元的設(shè)計原理的基礎(chǔ)上，將工業(yè)控制領(lǐng)城里一項先進的技術(shù)和產(chǎn)品一一PCC 引進到水電站的控制當中，使水電站監(jiān)控系統(tǒng)無論是在技術(shù)上還是結(jié)構(gòu)上都有了一個新的突破。該系統(tǒng)功能層次清晰、實時性、可靠性更高，具有較高的應用推廣價值。
關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；現(xiàn)地控制單元；PCC
目前在工業(yè)自動化領(lǐng)域具有代表性的控制方式可分為：單板機和單片機系統(tǒng)、可編程控制器（PLC ）、工業(yè)控制機（IPC ) 和計算機集散控制系統(tǒng)（DCS ）等四類。隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化越來越高的要求和計算機科學技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制機和可編程控制器以及計算機集散控制系統(tǒng)正處在相互融合的發(fā)展階段。而PCC ，即計算機可編程控制器，就是其中相互融合而產(chǎn)生的先進代表，它被認為是代表了當今工業(yè)控制技術(shù)的一大趨勢。它面向控制并經(jīng)濟高效地集成了己廣為工 控界熟悉的PLC 和IPC （工控機）的特點。通過兩者的相互融合，取長補短，從而以較高的性能價格比，構(gòu)成當代高水平的工業(yè)控制平臺。而水電廠，由于其控制的復雜性和多對象、多層次等特點，使得其控制在實時性、可靠性等方面往往不盡人意！而PCC 的出現(xiàn)，使得這幾個方面得到了較大的改善?？梢灶A見，PCC 將在今后更廣泛地應用到水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)中。
1 方案的比較
水電站監(jiān)控系統(tǒng)是實現(xiàn)水電站綜合自動化的基礎(chǔ)，而現(xiàn)地控制單元，即LCU 是水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，其性能的好壞直接影響著整個計算機監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀況。在目前的水電站監(jiān)控系統(tǒng)中，較普遍的LCU 設(shè)計為工控機加PLC , 但也有單純以工控機或PLC 為控制器的系統(tǒng)。下面對這幾種方法進行比較。
(l) IPC 控制。這種控制方式的結(jié)構(gòu)圖如圖l ：這種結(jié)構(gòu)的線路設(shè)計極為復雜，且不能滿足實時性和可靠性等要求。很少有電站采用此方案。
圖1 以IPC為控制器的LCU 結(jié)構(gòu)圖
(2) PLC 控制。在這種控制結(jié)構(gòu)中，PLC 不但負責順序、數(shù)據(jù)處理等，還需要實現(xiàn)與上位機和現(xiàn)地設(shè)備等的通信。其結(jié)構(gòu)圖如圖2 ：單純采用PLC 為控制器的LCU，雖然結(jié)構(gòu)比較簡單，但也有很多不盡人意的地方?？删幊炭刂破魇前匆话愎I(yè)環(huán)境，采用標準化設(shè)計的，可靠性高，抗干擾性能好，但它事件分率不高，不能滿足水電廠事件高分率的要求；另外其通信功能和數(shù)據(jù)處理能力受到一定的限制，一般的PLC 無論是通信接口還是所支持的通信協(xié)議，都很難滿足與多智能設(shè)備實現(xiàn)通信的要求。也有可以滿足通信要求的，如Quantum 系列PLC ，但其價格較為昂貴，性價比不高。
圖2 以PLCC為控制器的LCU 結(jié)構(gòu)圖
(3) IPC+PLC 。這是目前較普遍的LCU 的控制方式。在這種控制系統(tǒng)中，IPC主要負責數(shù)據(jù)處理，完成與上位機的網(wǎng)絡(luò)通信和PLC等通信，實現(xiàn)人機接口等，而可編程控制器完成數(shù)據(jù)采集和順控功能。其結(jié)構(gòu)圖如圖3 ：由圖可知，PLC 只與機組控制相關(guān)的設(shè)備連接在一起，而溫度巡檢儀和電量測控儀等智能設(shè)備，由于不參與機組控制，只顯示與機組伏態(tài)相關(guān)的一些參數(shù)，因此與工控機通過通信連接在一起，由工控機負責把上傳的信息進行處理。
在這種控制為式中，工控機作為計算機監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上的一個結(jié)點，各種數(shù)據(jù)經(jīng)過工控機送到網(wǎng)上各個結(jié)點，控制命令經(jīng)工控機下達到控制器等設(shè)備。因此，工控機的可靠性顯得非常重要，工控機一旦故障，整個控制系統(tǒng)兒乎癱瘓。不但在上位機上下發(fā)的控制命令無效，且在現(xiàn)地的人機界面上也無法操作。雖然工控機是工控產(chǎn)品，但由于它的風扇、硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器等旋轉(zhuǎn)部件的存在，可靠性就降低了很多。且這種結(jié)構(gòu)比較復雜。
圖3 以IPC + PLC 為控制器的LCU 結(jié)構(gòu)圖
(4) PCC 控制。PCC 是一種新興工業(yè)技術(shù)，它集中了IPC和PLC 兩者的優(yōu)點，其高可靠性和抗于擾能力以及強大的通信功能，使之在工業(yè)控制方面具有無可比擬的優(yōu)勢。因為水電站工作環(huán)境比較惡劣，控制任務繁重，且對事件分辨率要求較高，選用一般的IPC 或PLC 很難滿足要求，因此我們選用PCC 作為現(xiàn)地控制單元的核心控制器。其結(jié)構(gòu)和以PLC 為處理器的LCU 的結(jié)構(gòu)相同。（見圖2）由圖可以看出，以PCC 為核心的現(xiàn)地控制單元結(jié)構(gòu)簡單。且由于PCC 具有強大的通信功能和多任務的實時編程環(huán)境，使計算機監(jiān)控在結(jié)構(gòu)、技術(shù)路線、實現(xiàn)方法上都有所創(chuàng)新。
2 硬件設(shè)計
PCC 硬件是標準模件結(jié)構(gòu)，全部模件均為固態(tài)插入或標準化結(jié)構(gòu)組件。在底板總線上的設(shè)計采用了系統(tǒng)總線和I/O 總線分離布置的結(jié)構(gòu)特點，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。并提供多種接口卡和通訊模塊，使得PCC 和多種智能設(shè)備的通信成為可能。由于PCC 具有以上這些優(yōu)點，因此以PCC 作為核心控制器的LCU 的硬件線路設(shè)計便相對簡單。其典型配置如圖4 。
圖4 典型配置圖
每塊基板配置一電源模塊，主基板和從基板的電源模塊型號不同 。整個系統(tǒng)用一CPU 模塊統(tǒng)一 協(xié)調(diào)管理，并根據(jù)需要配置相應的輸入、輸出模塊等。
面板開入信號、轉(zhuǎn)速接點信號、保護信號、狀態(tài)信號等通過DI模塊輸入PCC ，經(jīng)用戶程序判斷處理后，發(fā)出相應的輸出信號到DO 模塊，控制輸出繼電器動作，從而控制二次電氣回路。
PCC 和調(diào)速器、勵磁、保護、輔機等裝置除用硬接線I / O 點交換信息外，還可用RS 一485 通信實現(xiàn)信息交換，有效的保證了系統(tǒng)的可靠性和信息的完整性。加之PCC 設(shè)備本身己充分采取了電氣隔離技術(shù)，因此在設(shè)計LCU 的電氣回路時，在抗干優(yōu)技術(shù)環(huán)節(jié)上便可大大節(jié)省人力。
3 軟件設(shè)計
PCC 采用分時多任務的操作系統(tǒng)，將任務定性地分成不同的等級，不同的任務等級設(shè)置不同的循環(huán)時間 ，使任務的處理具有一定的優(yōu)先級區(qū)別。對實時性要求較高的任務可設(shè)置為高等級的，相對地對時間要求沒那么嚴格的任務可設(shè)置為較低等級的任務。這樣就可保證系統(tǒng)對一些中斷請求的實時快速響應。同時邏輯任務的添加，并不影響整個控制程序的循環(huán)時間，因而也不會影響系統(tǒng)控制的精度。對水電站監(jiān)控系統(tǒng)來說，可將LCU 的控制任務劃分成以下任務塊，并確定其優(yōu)先級。
Timer＃1[4ms] 事件順序記錄
GPS對時
Cyclic＃1[20ms] 采樣
故障處理
事故迫憶
Cyclic＃3[100ms]機組開機控制
機組停機控制
輔機控制
狀態(tài)判斷
參數(shù)設(shè)置、處理程序
Cyclic＃4[20ms] PCC 熱插拔時的處理
電量儀通訊
三菱PLC 通訊
溫度巡檢儀通訊
保護系統(tǒng)通訊
由于GPS 對時是保證整個系統(tǒng)精度的首要因素，事件順序記錄SOE 是關(guān)乎整個監(jiān)控系統(tǒng)性
能優(yōu)劣的關(guān)鍵要素，于是將其設(shè)置為最高優(yōu)先級。其次為采樣、故障處理和事故追憶子程序，其循環(huán)時間為20ms 。至于開停機等控制操作和參數(shù)處理，我們將其循環(huán)時問設(shè)置為100ms，優(yōu)先級次于采樣等子程序。各通信子程序的優(yōu)先級別最低。系統(tǒng)只有在響應完優(yōu)先級別高的任務請求時，才會處理該級別的任務請求。
4 該系統(tǒng)優(yōu)點
本文吸收先進的全開放的監(jiān)控設(shè)計思想，將工業(yè)控制領(lǐng)域里一項先進的技術(shù)和產(chǎn)品一一PCC , 引進到水電站的控制當中 , 使水電站監(jiān)控系統(tǒng)無論是在技術(shù)上還是結(jié)構(gòu)上都有了一個新的突破。
（1）結(jié)構(gòu)簡單，層次清晰。拋棄了現(xiàn)地控例單元配置PLC和工控機雙CPU 的煩瑣做法，使PCC擔負起順序控制、數(shù)據(jù)處理、于上位機通信等多重任務。使電站監(jiān)控系統(tǒng)形成電站級和現(xiàn)地控制級雙重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，符合先進的分布式設(shè)計思想。
(2）維護方便。PCC 的軟件編程環(huán)境支持在線或離線模擬，使得程序的修改和維護更直觀、方便。
(3）便于擴充和升級。硬件和軟件都采用模塊化設(shè)計，易于系統(tǒng)擴充配置和維護。
(4）性能優(yōu)良。PCC 各模塊都采用光電隔離技術(shù)，抗干擾能力強。
(5）節(jié)省開發(fā)時間。PCC 的優(yōu)良性能使得在抗干擾設(shè)計等環(huán)節(jié)大大減少了工作量。
5 小結(jié)
這種控制模式不但可以降低投資成本，而且因其層次清晰，模塊化配置等特點減少了系統(tǒng)故障的發(fā)生。對于在目前我國地方投資不足的情況下加快中小型水電站的建設(shè)步伐是很有促進作用的。
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作者：張海霞（1979.3），女，碩士，研究方向：自動控制、智能儀器儀表與檢測。
武漢科技學院 電子信息系，湖北 武漢430073