摘要：基于最近幾年發(fā)展迅速的可編程計算機(jī)控制器（PCC）設(shè)計并實現(xiàn)了一種配置靈活、操作方便的水電站監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了PCC在通信以及數(shù)據(jù)處理上的優(yōu)勢，在以極高的可靠性完成機(jī)組運(yùn)行控制、并網(wǎng)控制、保護(hù)控制、參數(shù)調(diào)整等功能的同時，又以其豐富的編程語言以及強(qiáng)大的通信能力實現(xiàn)了機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、模擬量采集以及各種動作記錄。該系統(tǒng)為水電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計提供了一條新思路。
關(guān)鍵詞：可編程計算機(jī)控制器；掃描周期；監(jiān)控系統(tǒng)；開關(guān)量輸入模塊；模擬量輸入模塊
0 概述
可編程計算機(jī)控制器（Programmble Computer Controller ，簡稱PCC）是集計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)（簡稱3C 技術(shù)）為一體的新型工業(yè)控制裝置?？删幊逃嬎銠C(jī)控制器技術(shù)從20 世紀(jì)60 年代誕生以來，歷經(jīng)可編程邏輯控制器(Programmble Logic Controller，簡稱PLC）、可編程控制器（Programmble Controller，簡稱PC ) ，而可編程計算機(jī)均以其極高的可靠性、豐富的編程語言、實用的編程方法、強(qiáng)大的功能、優(yōu)良的性能、良好的耐惡劣環(huán)境的能力成為工業(yè)控制領(lǐng)域中增長最迅猛的工業(yè)控制設(shè)備。隨著3C 技術(shù)的高速發(fā)展，新一代PCC 將逐漸勝任大型集散控制和復(fù)雜的過程控制，其良好的兼容性、強(qiáng)大的通信功能、優(yōu)良的實時性、豐富的功能函數(shù)、品種繁多的硬件模塊、多種編程語言的使用等，將使PCC 能夠適應(yīng)于各種工業(yè)控制的需要。該系統(tǒng)以B&R2005 系列PCC為核心，實現(xiàn)了機(jī)組運(yùn)行控制、并網(wǎng)控制、保護(hù)控制、參數(shù)自動調(diào)整和人工調(diào)整、運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報警記錄、機(jī)組溫度、機(jī)組振動統(tǒng)計、滅磁開關(guān)動作統(tǒng)計、事故分閘次數(shù)、事故分閘電流統(tǒng)計、發(fā)電量分時累計、報表打印等功能。
1 可編程計算機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)與原理
可編程計算機(jī)控制器是一種計算機(jī)控制系統(tǒng)，但它比一般的計算機(jī)具有更強(qiáng)的為工業(yè)自動化控制服務(wù)的能力。PCC 系統(tǒng)組成與計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成十分相似，也具有中央處理器（CPU ）、輸入／輸出（I/O）接口、電源等，如圖l 所示。
圖1 可編程計算機(jī)控制器的基本組成
PCC的內(nèi)核是一個強(qiáng)有力的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)元件。由于集成了RISC（精簡指令計算機(jī)）作為外部通訊，因此可以減輕CPU 的負(fù)擔(dān)。和串口的通訊與主處理器實際操作同時發(fā)生，可以避免發(fā)生在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的通訊瓶頸問題。
1.l 輸入部件
輸入部件是PCC與被控對象之間的連接部件，是現(xiàn)場信號進(jìn)入PCC 的橋梁。PCC 的輸入部件均帶有光電耦合電路，可以把PCC與外部電路隔離，提高PCC 的抗干擾能力。
1.2 輸出部件
輸出部件是PCC 與現(xiàn)場設(shè)備之間的連接部件，它控制現(xiàn)場設(shè)備（如閘門提起、下落、閥門開和關(guān)等）。有時為了使PCC 能夠直接驅(qū)動諸如電磁閥、接觸器、燈和音響燈，輸出部件通常具有一些大功率器件，例如機(jī)械觸點式的繼電器、無觸點的交流開關(guān)等。
1.3 中央處理器
CPU 是整個PCC 的核心，它的主要任務(wù)為：控制從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)的接受與存儲；用掃描的方式通過I/0 部件接受現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入狀態(tài)表或數(shù)據(jù)存儲器中；診斷電源、故障和程序中的語法錯誤等；當(dāng)PCC 在運(yùn)行狀態(tài)時，從存儲器讀取用戶指令，經(jīng)過命令解釋后按照指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、邏輯運(yùn)算或算術(shù)運(yùn)算；根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出寄存器表的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實現(xiàn)輸出控制、制表打印以及數(shù)據(jù)通信等功能。
1.4 存儲器及其擴(kuò)展
PCC 的存儲器用來存儲系統(tǒng)和用戶的程序與數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序存儲器用來存放系統(tǒng)管理、用戶指令解釋、標(biāo)準(zhǔn)程序模塊、系統(tǒng)調(diào)用等程序，常用EPROM （重寫只讀存儲器）構(gòu)成。用戶存儲器用來存儲用戶編制的程序或用戶數(shù)據(jù)。其中，存儲用戶數(shù)據(jù)的稱為用戶數(shù)據(jù)存儲器，常用RAM ，為了防止掉電時信息丟失，采用后備電池作保護(hù)。除了上述必不可少的部件，還有通信接口、智能I/0接口、I/0 擴(kuò)展接口、功能開關(guān)與指示燈、編程器等部分。其中編程器的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、調(diào)試與監(jiān)視。編程器有簡易型和智能型兩種。簡易型編程器智能聯(lián)機(jī)編程，并且需要將梯形圖轉(zhuǎn)化為其語言后才能輸入。智能編程器又稱為圖形編程器，它可以聯(lián)機(jī)編程，也可以脫機(jī)編程，同時具有LCD 或CRT 圖形顯示功能。PCC 可以采用微機(jī)作為編程器，這時微機(jī)里應(yīng)安裝有相應(yīng)的軟件包，例如在本系統(tǒng)中，采用微型計算機(jī)作為編程器，同時在微型計算機(jī)上安裝了B&R 公司的軟件包Automation SLudio；為了使計算機(jī)能夠直接與PCC 通訊，計算機(jī)上需要有RS232 串口。
2 可編程計算機(jī)控制器的工作原理
PCC的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描過程，每次掃描的時間稱之為掃描時間，或者工作周期。典型的掃描周期分為6 個掃描階段。
2.1 自監(jiān)視掃描階段
PCC 內(nèi)部具有自監(jiān)視功能，它主要是由監(jiān)視定時器WDT (Watchdog Timer）完成的，WDT是一個硬件時鐘，而自監(jiān)視過程主要是檢查以及復(fù)位WDT 。如果復(fù)位前，掃描時間超過WDT的設(shè)定值，CPU 將停止運(yùn)行，同時復(fù)位輸入和輸出，并給出報警信號，這種故障成為WDT 故障。WDT 設(shè)定的時間一般為150~100 ms ，而一般系統(tǒng)的掃描時間均小于50-60 ms。
2.2 與編程器交換信息的掃描階段
用戶程序通過編程器寫入PCC ，以及用編程器進(jìn)行在線監(jiān)視和修改時，CPU將總線的控制權(quán)交給編程器；當(dāng)編程器完成處理工作或達(dá)到信息交換的規(guī)定時間后，CPU 重新得到總線權(quán)。
2.3 與數(shù)字處理器DPU 交換信息的掃描階段
當(dāng)系統(tǒng)配有數(shù)字處理器時，一個掃描周期才包含這個階段。
2.4 與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的掃描階段
在配有網(wǎng)絡(luò)的PCC 系統(tǒng)中，PCC 與PCC 之間或PCC 與上位計算機(jī)之間在這個階段進(jìn)行信息交換。
2.5 用戶程序掃描階段
在這一階段，根據(jù)用戶程序存儲器所存儲的指令，PCC 從輸入狀態(tài)暫存區(qū)和其他軟元件的狀態(tài)暫存區(qū)中將有關(guān)元件的狀態(tài)讀出，并從第一條指令開始順序執(zhí)行，每一步的執(zhí)行結(jié)果均存入輸出狀態(tài)暫存區(qū)。
2.6 輸入／輸出（I/O ）服務(wù)掃描階段
CPU 在執(zhí)行用戶程序時，使用的輸入值不是直接從實際輸入端得到的，運(yùn)算的結(jié)果也不是直接送到實際輸出端，而是在內(nèi)存中設(shè)置兩個暫存區(qū)：輸入暫存區(qū)和輸出暫存區(qū)。用戶程序中所用到的輸入值是輸入狀態(tài)暫存區(qū)的值，運(yùn)算結(jié)果存放在輸出狀態(tài)暫存區(qū)中。PCC 對輸入／輸出的處理具有以下3 個特點：
( l ）輸入狀態(tài)暫存區(qū)的數(shù)據(jù)，取決于服務(wù)階段各實際輸入點的通／斷狀態(tài)。當(dāng)用戶程序執(zhí)行階段，輸入狀態(tài)暫存區(qū)的數(shù)據(jù)不再隨輸入的變化而變化。
( 2 ）在用戶程序執(zhí)行階段，輸出狀態(tài)暫存區(qū)的內(nèi)容隨程序執(zhí)行結(jié)果不同而隨時改變，但輸出狀態(tài)鎖存器的內(nèi)容不變。
( 3 ）在輸出服務(wù)階段，將用戶程序執(zhí)行階段的最終結(jié)果由輸出狀態(tài)暫存區(qū)一起傳遞到輸出狀態(tài)鎖存器。輸出端子的狀態(tài)即由輸出狀態(tài)鎖存器決定。
3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
本系統(tǒng)檢測和控制的參數(shù)主要分為：電量參數(shù)、非電量參數(shù)以及設(shè)備運(yùn)行、保護(hù)狀態(tài)參數(shù)。
3.1 電量參數(shù)
包括發(fā)電機(jī)的三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、母線線電壓、相電壓、直流母線電壓等，PCC 與電量儀通過RS485 通訊可以直接從電量儀中讀取此上述電量數(shù)據(jù)；同時機(jī)組轉(zhuǎn)速以及頻率可以通過與調(diào)速器通信讀取，也可以通過與轉(zhuǎn)速繼電器通信讀取。
3.2 非電量參數(shù)
包括上導(dǎo)瓦、下導(dǎo)瓦、水導(dǎo)瓦、推力瓦溫度，定子鐵心溫度，冷熱風(fēng)溫度，壓油罐油壓、油位，集油槽油位，漏油槽油位，上下游水位等。其中溫度量的采集分別由B&R 2005 系列PCC 的模擬量輸入模塊和溫度巡檢儀完成，PCC 通訊模塊可以把溫度巡檢儀采集到的溫度量讀入PCC 緩存區(qū)；輔機(jī)系統(tǒng)模擬量例如壓油罐油壓、油位，集油槽油位等可以由PCC 模擬量輸入模塊來采集，也可以通過與壓油裝置的PLC 通信獲得；上下游的水位通過PCC 與水位計通信獲得。
3.3 設(shè)備運(yùn)行、保護(hù)狀態(tài)參數(shù)
包括機(jī)組斷路器開關(guān)、滅磁開關(guān)、導(dǎo)葉、進(jìn)水口閘門、剪斷銷、水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)電氣保護(hù)開關(guān)量狀態(tài)、事故和故障開關(guān)信號狀態(tài)、油氣水三系統(tǒng)工作狀態(tài)以及勵磁系統(tǒng)狀態(tài)等。這部分狀態(tài)量可直接引入PCC 開關(guān)量輸入模塊參與機(jī)組控制。本系統(tǒng)采用兩臺工控機(jī)作為上位機(jī)監(jiān)控終端，可同時監(jiān)控三臺機(jī)組中的任意兩臺。這兩臺工控機(jī)都必須安裝"B&R2005 PVI Manager" ，同時需要在系統(tǒng)中啟動"B&R OPC Server"才能實現(xiàn)對同一臺機(jī)組PCC 數(shù)據(jù)共享。其中上位機(jī)與PCC 站點之間的通信采用抗干擾性能優(yōu)異的光纜作為硬件連接，數(shù)據(jù)通過路由器進(jìn)行中轉(zhuǎn)；軟件上則是基于以太網(wǎng)的TCP/IP 協(xié)議。
本系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用北京亞控公司開發(fā)的組態(tài)軟件"組態(tài)王"進(jìn)行開發(fā)設(shè)計。該組態(tài)軟件能夠在PC 機(jī)上建立工業(yè)控制對象人機(jī)接口的一種智能軟件包，在該系統(tǒng)中，它以Widows 2000 中文系統(tǒng)作為其操作平臺，充分利用了Widows 、系統(tǒng)圖形功能完備，界面一致性好，易學(xué)易用等特點。該組態(tài)軟件使得采用PC 開發(fā)的系統(tǒng)工程比以往采用專用機(jī)開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更具有通用性，大大減少了開發(fā)者的工作量。"組態(tài)王"軟件包由工程管理器（Proj Manager）、工程瀏覽器(TouchExplorer）、畫面運(yùn)行系統(tǒng)（TouchView）三部分組成。工程瀏覽器內(nèi)嵌畫面開發(fā)系統(tǒng)即組態(tài)王卡發(fā)系統(tǒng)。工程瀏覽器是各自獨立的應(yīng)用程序，均可單獨使用，但在工程瀏覽器的畫面開發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計開發(fā)的畫面應(yīng)用程序必須在畫面運(yùn)行系統(tǒng)環(huán)境中才能運(yùn)行。
除了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，位于各個機(jī)組盤柜上的人機(jī)界面也可參與整個系統(tǒng)的監(jiān)視與現(xiàn)地控制。該人機(jī)界面采用HITECH 公司的"ADP6.0"軟件包進(jìn)行開發(fā)。
該監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖2 所示。
圖2監(jiān)控系統(tǒng)框圖
4 結(jié)束語
在B&R PCC 系列中，系統(tǒng)總線與I/0 總線是分離的。其中，工業(yè)計算機(jī)所需要的模塊，如附加的處理器模塊、遠(yuǎn)程主站、網(wǎng)絡(luò)模塊等，運(yùn)行在系統(tǒng)總線上；而數(shù)字量和模擬量I/0 模塊、定位模塊、智能I/0 處理器等則運(yùn)行在I/0總線上，這樣就很好地避免了總線系統(tǒng)的瓶頸問題。I/0總線與系統(tǒng)總線分離，使B&R PCC 系列具有工業(yè)計算機(jī)能力，而不用添加設(shè)備接口（I/0接口），同時系統(tǒng)總線可以進(jìn)行多處理器操作，這樣為了增加工作負(fù)載就可以添加多處理器模塊。另外，PCC 所有的I/0模塊都是電氣隔離的，并且采用EMC 方法進(jìn)行保護(hù)，可以有效屏蔽外部干擾，在B&R2005 系統(tǒng)中I/0模塊以塑料盒封裝，技術(shù)人員在安裝時可以避免直接與電接觸。
本文結(jié)合發(fā)展迅速的可編程計算機(jī)控制器技術(shù)，介紹了在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中可編程計算機(jī)控制器的應(yīng)用。PCC（可編程計算機(jī)控制器）是整個系統(tǒng)的核心部分，它很好地實現(xiàn)了機(jī)組開停機(jī)控制、模擬量采集、故障事故報警等功能，同時依靠強(qiáng)大的通訊能力將整個機(jī)組原來獨立的各個監(jiān)控站諸如調(diào)速器、壓油單元、溫度巡檢儀等連接在一起，并將從這些單元采集到的數(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，比較理想地實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程與現(xiàn)地監(jiān)控。
作者：劉俊（1964，女.湖南桃江人，工程師，從事電力系統(tǒng)通信工作）1，2，許鴻文2 ，殷蔚明2 ，徐匯攀2 ，孔令彬2
l ．華中電網(wǎng)有限公司，湖北 武漢430077；2 ．中國地質(zhì)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，湖北武漢430074
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