【文章內(nèi)容簡介】 站發(fā)電生產(chǎn)過程屬于工業(yè)過程，所以其計算機控制系統(tǒng)的工作環(huán)境相對沒有那么完善，而且是處于不同程度的高溫、潮濕、粉塵、振動、腐蝕、磁場等諸多不利的條件之下，所以水電站所需要的計算機監(jiān)控系統(tǒng)必須可以適應現(xiàn)場的環(huán)境，而且在惡劣的環(huán)境之下可以正常的運行工作。除此之外，計算機監(jiān)控系統(tǒng)還要具備與過程設備連接的良好借口，可以適應構(gòu)成使用硬件系統(tǒng)的需要。 水電站的地理位置特殊，自然條件和電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的不同可能會告知不同水電站具有很大的差異。所以，計算機系統(tǒng)也需要能夠做到在改變少量的軟、 硬件之后可以適應不同水電站的開發(fā)應用，做到一個成熟計算機監(jiān)控系統(tǒng)的要求，為用戶或者設計者省去較多的麻煩，節(jié)約資金開發(fā)，縮短頭暈的周期。 （ 4）人機聯(lián)系要求完善 發(fā)電生產(chǎn)的過程需要及時有效的進行參數(shù)監(jiān)視、運行操作、系統(tǒng)組態(tài)和異常情況下的故障診斷和處理，而且需要隨時接受運行人員的各種運行工作命令，還要做到人機聯(lián)系的方式比較簡單、只管、明確、方便、快捷、規(guī)范、安全。這都是需要計算機監(jiān)控系統(tǒng)必須具有完善的人機接口和人機界面。 這些都需要完善的硬件配置和相應的軟件支持才能做到。 計算機監(jiān)控系統(tǒng)的要求會根據(jù)電廠設 備和對象不同隨之表現(xiàn)出不同，所以系 10 統(tǒng)應具備實現(xiàn)其基本功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以滿足基本功能要求為前提，全力做到簡單實用。 （ 5）軟件配備要求齊全 計算機監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)廠商需要根據(jù)實際的過程控制的需要配套提供給用戶豐富的軟件，以此來使得計算機控制系統(tǒng)具備驅(qū)動計算機系統(tǒng)各組成部分正常運轉(zhuǎn)和完善的實時操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、文件管理系統(tǒng)等，滿足生產(chǎn)過程所需要用到的控制的需要。用戶也需要在系統(tǒng)選型時高度重視，且關(guān)注應用軟件的開發(fā)和完善。 （ 6）良好的抗干擾和防震性能 水電站一般都是處于有強電磁場 干擾的冮環(huán)境之下，其計算機監(jiān)控系統(tǒng)亦然，而且水電站整個的廠房的中控室和計算機均有明顯的機械振動，機械傳感等。所處的環(huán)境溫度較高，這些都對計算機系統(tǒng)附加了另外的要求。為了避免疏忽所帶來的嚴重后果，系統(tǒng)的裝置技術(shù)也必須妥善的進行處理。 監(jiān)控系統(tǒng)的主要設計任務 監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計 計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式的劃分主要是根據(jù)其控制方式或者布局來加以區(qū)別的。一個水電站的裝機容量和機組太熟、電站在電力系統(tǒng)中的地位、計算機在電站自動化中的功能等都會影響到計算機監(jiān)控系統(tǒng)的整個布局。 一、集中式計算 機監(jiān)控系統(tǒng) 這種模式的監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要是由一臺計算機來承擔整個水電站的所有監(jiān)控任務，比較依賴于一臺計算機，可靠性比較差。一般是將采集到的數(shù)據(jù)全部集中到計算機來進行分析和處理，然后更具計算機計算和處理的結(jié)果來傳送到各測控點進行控制和調(diào)節(jié)。集中式監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程如下 （ 1） 單計算機系統(tǒng) （ 2） 雙計算機系統(tǒng) （ 3） 雙主計算機帶雙前置計算機系統(tǒng) （ 4） 以數(shù)據(jù)庫為核心的多計算機系統(tǒng) 以上也是通常會采用的計算機系統(tǒng)配置。 二、分散式處理計算機監(jiān)控系統(tǒng) 11 這種的監(jiān)控系統(tǒng)是新一代的繼直接作用式氣動儀表、氣動單元組合儀表等之后的 控制系統(tǒng)。其具體是強調(diào)了水電站生產(chǎn)設備的地理位置和控制系統(tǒng)的功能所具有的的“分散”性。它是一種能對水電站機組運行進行集中式的監(jiān)視和管理，控制功能分離，物理位置分散，依靠微型計算機，利用數(shù)據(jù)通信模塊懂得功能將所有的信息全部相連的新型的自動控制系統(tǒng)。 分散式控制系統(tǒng)的熱點是控制比較分散但是管理比較集中，而且功能比較全面，計算機的算法很多樣，可以做到自治性和協(xié)調(diào)性兼顧，先進性和繼承性兼顧，還比較靈活可靠，適應性也很好，擴展范圍廣，人機界面友好。 三、分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng) 由于 20世紀 80年代的時候，新開發(fā) 的計算機處理器的性能價格比非常的高，但是絕對的性能不夠完善，沒有用來完成大型計算機所具有的一些功能。所以當時的人們把硬件和相應的軟件都使之在大量重復的大規(guī)模的集成電路芯片中分布出來，來構(gòu)成一個新興的計算機系統(tǒng)。這就是分布式計算機控制系統(tǒng)發(fā)展初期的基本思想。 分布式計算機系統(tǒng)的優(yōu)點在于它具有多個分布的資源，即計算機硬件、外部的設備、程序和數(shù)據(jù)庫。這些資源都是獨立的但是卻又相互作用，可以獨立萬層其自身的功能任務，也可以一起搭配協(xié)調(diào)完成一些列任務。但是該系統(tǒng)要求的操作系統(tǒng)非常高級，要對整個系統(tǒng)進行統(tǒng)一的控制和管理 ，然后按部就班的完成所需要的任務，所以這種系統(tǒng)也就有了非常統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，而且系統(tǒng)中的個資源運行之間沒有主從關(guān)系，不存在層次控制。 四、分層控制系統(tǒng) 分層控制系統(tǒng)的意義在于可以把整個水電站的控制系統(tǒng)分成幾個相應的不同層次來進行逐一控制，電廠的層次大致可分為梯級調(diào)度層、廠站監(jiān)控層、機組操作層、輻設控制層等，這其中梯級調(diào)度只適用于梯級的電廠。 綜上所述： 以上所有的水電監(jiān)控系統(tǒng)而言，中小型的水電站在電力系統(tǒng)中的地位相對較低，作用相對比較弱，而且生產(chǎn)的過程也比較的單一，設備層次比較低。綜合考慮之下，計算機 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“分布”，系統(tǒng)控制理論“分層”的綜合性監(jiān)控系統(tǒng)，在可靠性、靈活性和投資少的前提下，性價比比較高，所以中小型水電站系統(tǒng)結(jié) 12 構(gòu)首選分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)非常的好。由于分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點比較突出，它已取代了其他類型的監(jiān)控系統(tǒng)。 水電站的電廠的分層控制 本文主要是講述中小型水電站采用的分層分布式控制系統(tǒng)。 水電廠是處于在龐大的電力系統(tǒng)中的基層工作，這是電力系統(tǒng)的分層控制。 每個水電廠的本身也是可以分為幾個不同的層次： 電廠控制層、機組控制層、功能控制層、現(xiàn)場設備驅(qū)動層。電廠控制層 屬于廠級計算機系統(tǒng)，機組層以下的都是現(xiàn)地層或者現(xiàn)地單元。 具體如圖 ： 自 水 電廠控制層 廠級計算機系統(tǒng) 動 電 廠 化 的 機組控制層 監(jiān) 復 控 系 功能控制層 雜 統(tǒng) 現(xiàn)地層（現(xiàn)地單元） 分 程 層 現(xiàn)場設備驅(qū)動層 度 圖 水電廠分層 （ 1） 電廠控制層 這個水電廠控制系統(tǒng)的最高層“領(lǐng)導” ,整個水電系統(tǒng)的機組 運行、管理、發(fā)電等都是由這層來協(xié)調(diào)、控制，也把電廠信息，監(jiān)控數(shù)據(jù)等與電網(wǎng)監(jiān)控層進行傳遞和聯(lián)絡。 （ 2） 機組控制層 機組控制層通過現(xiàn)在單元的 I/O裝置等自動化的裝備來對發(fā)電機組的啟停、工況的轉(zhuǎn)換等進行直接的控制，并且將運行信息數(shù)據(jù)進行采集處理。 13 （ 3） 功能控制層 功能控制層不由監(jiān)控系統(tǒng)承擔，而是由另外專門設置的裝置完成歷次調(diào)節(jié)、調(diào)速、繼電保護、水利機械保護、事故錄波等功能任務 [5]，它與監(jiān)控系統(tǒng)之間的聯(lián)系僅僅依靠簡單的信息轉(zhuǎn)換來完成。 （ 4） 現(xiàn)場設備驅(qū)動層 水電站廠房中現(xiàn)場的機械、電器設備（水泵、閥門、開關(guān)等）和現(xiàn)場的驅(qū)動設備 （電機、電磁閥、電磁驅(qū)動機構(gòu)等）都是由這一層來進行放大控制，而不是通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)直接驅(qū)動。 14 第 3 章 上位機軟件的設計 水力機組運行實時監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 31 所示，主要包括傳感器、信號調(diào)理裝置和數(shù)據(jù)采集卡三部分。其中，傳感器的功能是將被測量的水力參數(shù)轉(zhuǎn)化為相應的電信號，信號調(diào)理裝置將輸出的電信號進行放大、隔離、濾波等預處理，而數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，送入計算機處理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示、存儲等操作。 圖 31 硬件結(jié)構(gòu)圖 虛擬儀器及 LabVIEW 概述 虛擬儀器技術(shù) 虛擬儀器（ Virtual Instrument， VI）的概念是美國國家儀器公司于 20 世紀 80 年代最早提出的，它是繼第一代儀器（模擬式儀表）、第二代儀器（分立元件式儀表）、第三代儀器（數(shù)字式儀表）、第四代儀器（智能儀器）之后的新一代儀器 [28]，它引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場重大變革，使網(wǎng)絡技術(shù)和計算機進入儀器領(lǐng)域，開創(chuàng)了“軟件就是儀器”的先河。 虛擬儀器是指，在以通用計算機為核心的硬件平臺上 ，用途由用戶自己定義、 測試功能由測試軟件實現(xiàn)的、具有虛擬面板的一種計算機儀器系統(tǒng)。虛擬儀器可 以集成為自動控制系統(tǒng)；可自由構(gòu)建成專用儀器系統(tǒng)；可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器， 如邏輯分析儀、示波器、頻譜分析儀、信號發(fā)生器等，使得測量人員從繁雜的儀 器堆中解放出來。任何形式的虛擬儀器系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到臺式 PC、工作站或筆記本電腦等各種計算機平臺上，再加上應用軟件而構(gòu)成的。虛擬儀器通過軟件將儀器硬件與計算機硬件資源有機地融合為一體，從而把儀器硬件的控 15 制、測量能力和計算機強大的計算處理能力結(jié)合在一起，大大縮小了 儀器硬件的成本和體積。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的對比 相比于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器具有四大優(yōu)勢：性能高、擴展性強、開發(fā)時間少、 完美的集成功能。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的性能比較見表 41 所示。 表 31 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器性能對比表 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 功能由用戶定義 功能由廠家定義 與網(wǎng)絡及其他外圍設備連接方便 與其他設備連接受限 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 信號電纜少，采用虛擬旋鈕，操作簡單 信號電纜開關(guān)多，操作復雜 系統(tǒng)開放、靈活、可構(gòu)成多種儀器 系統(tǒng)封閉，功能固定，擴展性低 系統(tǒng)開發(fā)時間短 系統(tǒng)開發(fā)時間長 數(shù)據(jù)可編輯、存儲、打印 數(shù)據(jù)無法改變 關(guān)鍵技術(shù)是軟件，升級維護方便 關(guān)鍵是硬件，由專業(yè)廠家升級 儀器間資源可重復利用，整體價格便宜 儀器間無法通用 ，整體價格較昂貴 開發(fā)與維護費用低 開發(fā)與維護費用高 軟件技術(shù)更新快（周期為 1～ 2 年） 技術(shù)更新慢（周期為 5～ 10 年） 虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器由硬件和軟件兩部分組成。 （ 1）虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu) 硬件是虛擬儀器工作的基礎(chǔ)，主要完成被測信號的采集、傳輸、存儲處理和輸入/輸出等工作，由計算機和 I/O 接口設備組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖 41 所示。 ① 計算機 一般為一臺 PC 或工作站，是硬 件平臺的核心。 ② I/O 接口設備 16 I/O 接口設備即采集調(diào)理部件，包括 PC 總線的數(shù)據(jù)采集卡、 VXI 總線儀器模塊、 GPIB 總線儀器、 LXI 總線儀器模塊、 PXI 總線儀器模塊、現(xiàn)場總線儀器模塊和串口總線儀器模塊等標準總線儀器，主要完成被測輸入信號的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。 （ 2）虛擬儀器的軟件系統(tǒng) 虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)是軟件，通過運行計算機上的軟件，一方面實現(xiàn)虛擬儀器的圖形化儀器界面，給用戶提供一個設置儀器參數(shù)、修改儀器操作、檢驗儀器通信和實現(xiàn)儀器功能的人機接口；另一方面 使計算機直接參與測量特征的分析與測試信號的產(chǎn)生，完成數(shù)據(jù)的輸入、輸出、存儲及綜合分析等功能。虛擬儀器軟件由 3 部分構(gòu)成。 ① 輸入 /輸出（ I/O）接口軟件 I/O 接口軟件存在于儀器與儀器驅(qū)動程序之間，它具有以下功能： a 對儀器內(nèi)部寄存單元進行直接存取數(shù)據(jù)操作； b 為儀器驅(qū)動程序提供信息傳遞； c 是實現(xiàn)開放統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。 ② 儀器驅(qū)動程序 儀器驅(qū)動程序的實質(zhì)是為用戶提供用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集，它是連接頂層應用軟件和底層 I/O 軟件的紐帶與橋梁，每個儀器模塊都有自己對應的儀器驅(qū)動程序，儀器生產(chǎn)廠家在提供儀器模塊的同時也會提供儀器