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淺析水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析
摘要：介紹和分析幾種適用于中、小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與適用性，并對(duì)文山州部分水電站目前計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在的問題提出建議。
關(guān)鍵詞：水電站;計(jì)算機(jī)監(jiān)控;結(jié)構(gòu);建議
1、概述
近年來，隨著水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的成熟與普及，計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)在中、小型水電站中得到廣泛的運(yùn)用。從2000年以來，文山地區(qū)新建的水電站基本都采用了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，但在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，部分電站存在一些細(xì)微不足，卻關(guān)系到監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。
2、水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
2.1 集中式監(jiān)控系統(tǒng)集中式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是基于現(xiàn)場(chǎng)總線聯(lián)接的實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。因其一般只設(shè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)全廠進(jìn)行集中監(jiān)控，故稱集中式監(jiān)控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是不設(shè)采用計(jì)算機(jī)的現(xiàn)地控制級(jí)設(shè)備，所有監(jiān)控功能在一臺(tái)主機(jī)上運(yùn)行。因而只要計(jì)算機(jī)一出故障，整個(gè)控制、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就癱瘓，只能改為手動(dòng)運(yùn)行，可靠性低。其次，所有信息都在主機(jī)上處理，監(jiān)控性能也受限制。但這種系統(tǒng)簡單、造價(jià)低、投資少，只適用于對(duì)監(jiān)控要求不高的小型水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。
2.2 分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)分層控制方式是將整個(gè)控制系統(tǒng)按控制的性質(zhì)、復(fù)雜的程度和組織結(jié)構(gòu)分成不同的層，由各層來完成分配給他們的監(jiān)控功能，各層之間有一定的制約和協(xié)調(diào)關(guān)系。水電站的控制對(duì)象主要是水輪發(fā)電機(jī)組、開關(guān)站、公用設(shè)備、閘門等。按控制對(duì)象設(shè)置單獨(dú)的控制，稱作現(xiàn)地控制單元。電廠控制層也設(shè)計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)一些全廠性功能。電廠控制層本身也可以是一個(gè)功能分散的系統(tǒng)，有多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成。
當(dāng)某個(gè)控制單元發(fā)生故障，只影響到該部分設(shè)備，而不會(huì)影響到整個(gè)電廠的運(yùn)行。由于分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)的以上優(yōu)點(diǎn)，近年來新建設(shè)的水電站監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都采用這種方式。
隨著水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，在分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)中，常用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有以下幾種：
2.2.1 一體化工控機(jī)分層結(jié)構(gòu)圖2為采用一體化工控機(jī)上以太網(wǎng)方式，為全開放、分層、分布式結(jié)構(gòu)，PLC、采樣裝置、溫度巡檢、勵(lì)磁、調(diào)速器等設(shè)備通過一體化工作站與上位機(jī)系統(tǒng)通信。這種結(jié)構(gòu)主要考慮的是在上位主機(jī)故障時(shí)現(xiàn)地工控機(jī)仍可獨(dú)立運(yùn)行。即所有現(xiàn)地單元均可以各自獨(dú)立運(yùn)行。每個(gè)單元都是由工控機(jī)和可編程控制器(PLC)及各個(gè)專用功能裝置或設(shè)備構(gòu)成，并可以設(shè)計(jì)成具有各自獨(dú)立的現(xiàn)地操作、監(jiān)控功能。該系統(tǒng)功能豐富、人機(jī)界面友好、可靠性高，但是投資略高。
2.2.2 P 直接連接以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)1圖3為采用PLC直接連接以太網(wǎng)的全開放、分層、分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采樣裝置、勵(lì)磁、調(diào)速器等設(shè)備與通訊管理裝置與PLC連接，通過PLC與上位機(jī)系統(tǒng)通信�，F(xiàn)地采用與PLC通信的工業(yè)級(jí)觸摸屏作為人機(jī)界面，系統(tǒng)可靠性極高、性價(jià)比高，設(shè)備直接上網(wǎng)，便于網(wǎng)絡(luò)控制和管理，系統(tǒng)響應(yīng)速度大大提高。適用于通信協(xié)議較少，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求較高的中、小型水電站自動(dòng)化結(jié)構(gòu)。
2.2.3 PLC直接連接以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)2圖4為采用PLC與通訊管理裝置都直接連接以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。設(shè)備數(shù)量及功能方式與前種結(jié)構(gòu)都相同，但區(qū)別只在于在現(xiàn)地控制單元通訊管理裝置與PLC通訊的同時(shí)，通訊管理裝置也直接接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)雙通信網(wǎng)絡(luò)。該結(jié)構(gòu)較之前幾種方式，通信上更可靠。例如運(yùn)行中PLC死機(jī)，只影響到對(duì)設(shè)備的操作控制，但在上級(jí)監(jiān)控層仍然能監(jiān)視到與通信管理裝置連接的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。較之前幾種結(jié)構(gòu)，就是多增加了通信光纖及相關(guān)設(shè)備，投資也相應(yīng)增多。
2.2.4 冗余組網(wǎng)結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)的硬件要求采用多層次的冗余措施，如通訊服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通道、UPS、現(xiàn)地總線、機(jī)箱電源、機(jī)柜電源等，都實(shí)現(xiàn)冗余配置，并對(duì)PLC擴(kuò)充雙CPU、雙電源、I/O模塊熱插拔等功能，系統(tǒng)要求由軟件實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)備的檢測(cè)與故障診斷，實(shí)現(xiàn)冗余部件的無擾動(dòng)切換，確保系統(tǒng)中某一部件的故障或退出都不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該方案系統(tǒng)功能極為豐富，可靠性極高，適用于對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求極高的大、中型水電站監(jiān)控系統(tǒng)。
3 文山州地區(qū)部分水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)情況
2000年投運(yùn)的東方紅原三級(jí)、五級(jí)電站在文山州地區(qū)率先采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并成功使用以后，2000年以后建設(shè)的電站都采用了計(jì)算機(jī)監(jiān)控。
東方紅原五級(jí)電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選用的是一體化工控機(jī)分層結(jié)構(gòu)。除以太網(wǎng)光纖交換機(jī)因老化原因?qū)е卤O(jiān)控系統(tǒng)電廠控制層一臺(tái)上位主機(jī)短期故障外，長期以來運(yùn)行情況良好。在光纖交換機(jī)故障期間，另一臺(tái)上位主機(jī)及各現(xiàn)地控制層都能正常工作。這充分體現(xiàn)了一體化工控機(jī)分層結(jié)構(gòu)在上層監(jiān)控設(shè)備故障情況下，影響不到現(xiàn)地層監(jiān)控設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。
東方紅原二級(jí)電站在受災(zāi)恢復(fù)后，其計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用的是本文介紹的“PLC直接連接以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)1。該結(jié)構(gòu)在現(xiàn)地單元沒有工控機(jī)，投資也相對(duì)較省。長期運(yùn)行情況良好，但特點(diǎn)就是現(xiàn)地層功能簡單。在現(xiàn)地對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)、控制通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流，但也就只有這兩樣功能。諸如信號(hào)類、數(shù)據(jù)越限報(bào)警、其他設(shè)備(例如勵(lì)磁、調(diào)速器等)通信量等等在現(xiàn)地控制單元就無法讀取。
基本上不管采用的是哪一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，目前文山州幾個(gè)水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況都基本良好，系統(tǒng)監(jiān)控功能都基本實(shí)現(xiàn)。所以以上兩種常用結(jié)構(gòu)在本地區(qū)都有廣泛運(yùn)用。谷拉電站、威龍電站采用的是一體化工控機(jī)分層結(jié)構(gòu)，那么果河六級(jí)電站采用的是PIJ2直接連接以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)1。
4、實(shí)踐運(yùn)用分析
通常對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)要求著重的是產(chǎn)品選型、功能軟件等方面，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在中、小水電站中認(rèn)為不是很重要。其實(shí)不然，化學(xué)有術(shù)語“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì)”，在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，也可以說“系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定功能和可靠性”。
集中式監(jiān)控系統(tǒng)和冗余組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，前者是很不可靠，后者極度可靠但投資也很高。下面對(duì)幾種常用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可靠性和功能分布做簡單分析。
4.1 一體化工控機(jī)分層結(jié)構(gòu)一體化工控機(jī)分層結(jié)構(gòu)中不難看出，現(xiàn)地單元的所有設(shè)備通信都是通過現(xiàn)地工控機(jī)集中后接人以太網(wǎng)提供給其他終端的，一旦該機(jī)故障，不論廠級(jí)控制層(中控室)或現(xiàn)地控制單元(機(jī)組屏)對(duì)該單元的所有監(jiān)測(cè)、控制及相關(guān)的功能就都不能實(shí)現(xiàn)，可視為該單元癱瘓。作為一臺(tái)計(jì)算機(jī)，在現(xiàn)場(chǎng)受灰塵、溫度、濕度、振動(dòng)等影響，其故障率相對(duì)較高，并且該設(shè)備維修時(shí)間較長，還涉及到計(jì)算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)、監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)設(shè)置等方面都有可能影響到該機(jī)的長期可靠工作。例如文山某電站投運(yùn)后不久，機(jī)組現(xiàn)地控制單元的一體化工控機(jī)硬盤就出現(xiàn)壞道，導(dǎo)致該計(jì)算機(jī)故障。
另外，交流采樣裝置和PLC都是分別與工控機(jī)通信，PLC不能直接讀取發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)，對(duì)機(jī)組的控制流程存在影響。因?yàn)镻LC運(yùn)行穩(wěn)定可靠，一般機(jī)組的順控流程都是做在PIE里，但此結(jié)構(gòu)PLC不能直接讀取采樣數(shù)據(jù)，故該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的機(jī)組流程在開機(jī)并網(wǎng)后，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)帶基負(fù)荷;在現(xiàn)地手動(dòng)啟動(dòng)順控停機(jī)按鈕時(shí)，也不能實(shí)現(xiàn)機(jī)組自動(dòng)減負(fù)荷，其動(dòng)作是從直接解列機(jī)組開始。
4.2 PIE直接連接以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)PIE直接連接以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)不管采用單網(wǎng)還是雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性都提高了，同時(shí)也完善了部分功能，目前應(yīng)用較為廣泛。但如果現(xiàn)地人機(jī)設(shè)備選用的是觸摸屏，存在的缺點(diǎn)就是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)量少，無信號(hào)報(bào)警等，對(duì)值班員在現(xiàn)地的操作帶來很大不便。簡單的說，就是人在現(xiàn)地通過觸摸屏能得到的數(shù)據(jù)較少，在現(xiàn)地操作過程中，不能有效地對(duì)機(jī)組的自動(dòng)控制進(jìn)行監(jiān)視。
5、建議改造方案(以谷拉電站為例)
通過以上對(duì)中、小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況，如因網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障或故障率高的、或較為重要的電站，建議改造為PLC直接連接以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。谷拉電站裝機(jī)容量為2×20 MW，電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用的是一體化工控機(jī)分層結(jié)構(gòu)，現(xiàn)地控制層配置有3個(gè)單元，即1號(hào)機(jī)組LCU、2號(hào)組LCU、公用I.EU。每個(gè)現(xiàn)地控制單元配置有1臺(tái)一體化工控機(jī)，電廠以太網(wǎng)通過1臺(tái)24口交換機(jī)實(shí)現(xiàn)連接，結(jié)構(gòu)形式與圖2相同。
建議在每個(gè)現(xiàn)地控制單元增設(shè)1臺(tái)通訊管理裝置及1個(gè)光纖通道(公用LCU可以不用光纖數(shù)據(jù))。
原來的光纖通道不變，繼續(xù)實(shí)現(xiàn)一體化工控機(jī)與以太網(wǎng)的連接，新增的光纖通道用來實(shí)現(xiàn)PLC與以太網(wǎng)的連接。通訊管理裝置完成與交流采樣裝置、溫度巡檢裝置、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器等設(shè)備的通信，數(shù)據(jù)通過PLC及一體化工控機(jī)同時(shí)上送至以太網(wǎng)。
改造后監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)年8月開始，合同要求第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電2006年6月30日，合同工期34個(gè)月，經(jīng)過工程建管部及各參建單位的努力第一臺(tái)機(jī)組于2006年3月底順利投產(chǎn)發(fā)電，為各方帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。通過對(duì)項(xiàng)目目標(biāo)控制方法的不斷探索和實(shí)踐，在工程管理和控制方面形成了一些較有特點(diǎn)、較為成功的做法。
1)通過合理規(guī)劃、精心設(shè)計(jì)、采用工程先進(jìn)技術(shù)、采取科學(xué)優(yōu)化等舉措，控制工程的投資，節(jié)約建設(shè)成本。從工程前期設(shè)計(jì)到工程現(xiàn)場(chǎng)施工，昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)院堅(jiān)持以設(shè)計(jì)為重點(diǎn)進(jìn)行項(xiàng)目的投資控制，組織專家、設(shè)總跟蹤工程進(jìn)度，了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，與建管部共同研究施工方案的科學(xué)實(shí)施辦法，設(shè)計(jì)不足的地方采取補(bǔ)救措施，避免盲目施工，依據(jù)工程實(shí)際發(fā)生情況，提出優(yōu)化方案并進(jìn)行科學(xué)論證，既避免了重復(fù)返工造成的投資浪費(fèi)，又優(yōu)化了工程合理布局，有效的減少建設(shè)成本。
2)通過嚴(yán)格、嚴(yán)密的工程招標(biāo)是控制投資的又一方式。組織經(jīng)驗(yàn)豐富的專家、主要設(shè)計(jì)人員審核工程招標(biāo)文件，嚴(yán)格審查參與投標(biāo)的單位，在公平、公正、公開競(jìng)爭的良好環(huán)境，以最合理的合同價(jià)獲得最好的施工隊(duì)伍和可靠施工技術(shù)方案以及產(chǎn)品過硬的設(shè)備供貨商，使工程投資目標(biāo)得以良好實(shí)現(xiàn)。
3)采用合同管理方式建立獨(dú)立的工程質(zhì)量監(jiān)理。工程質(zhì)量是工程總承包首要目標(biāo)，其關(guān)系到社會(huì)公眾利益、生命和財(cái)產(chǎn)的安全。建管部以制度化作為抓好工程質(zhì)量的根本保證，建立層層負(fù)責(zé)的質(zhì)量責(zé)任制，形成全過程、全方位的質(zhì)量保證體系。工程監(jiān)理合同中規(guī)定：工程監(jiān)理單位必須同時(shí)與施工單位各自獨(dú)立地進(jìn)行全部工程的質(zhì)量檢測(cè)，包括必須使用獨(dú)立的檢測(cè)儀器和工具;獨(dú)立地實(shí)施質(zhì)量檢測(cè);獲取獨(dú)立的檢測(cè)數(shù)據(jù)和資料;提交獨(dú)立的檢測(cè)報(bào)告等。這樣在每一個(gè)分項(xiàng)工程上，建管部同時(shí)得到分別來自監(jiān)理單位和施工單位的各自獨(dú)立的兩套質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)估報(bào)告，可以切實(shí)掌握工程質(zhì)量的真實(shí)情況，確保工程獲得合格的施工質(zhì)量。
4)建立工程總承包建設(shè)管理中建管部、參建施工單位之間的一切行為均以合同作為惟一依據(jù)的原則，合同運(yùn)用于項(xiàng)目管理的各個(gè)方面，以合同、經(jīng)濟(jì)手段管理和實(shí)施工程施工。各方履行各自合同職責(zé)，這樣大大減少工程施工過程中各參建單位之間的扯皮現(xiàn)象，工程進(jìn)度和工程投資得以較好的得到控制。
5)在工程質(zhì)量、進(jìn)度、投資得到有效控制的同時(shí)，在建管部上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的支持下，以重要進(jìn)度節(jié)點(diǎn)提前實(shí)現(xiàn)作為目標(biāo)，采取適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)刺激措施，提高參建單位的工作積極性和工作效率，可以將工程工期大大縮短。在現(xiàn)在的水電工程建設(shè)市場(chǎng)運(yùn)作中，這種手段的采用往往會(huì)取得工程上事半功倍的效果，既為業(yè)主帶來經(jīng)濟(jì)效益，也能為項(xiàng)目總承包者帶來好的社會(huì)效益。
6)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境下的水電工程總承包運(yùn)作，需要一定知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的市場(chǎng)分析人才，從市場(chǎng)角度掌握工程建設(shè)材料的價(jià)格變動(dòng)，適當(dāng)運(yùn)用市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)分析，采購存放一定數(shù)量的建設(shè)材料，運(yùn)作得當(dāng)，也能為工程創(chuàng)造不菲的經(jīng)濟(jì)利益。
大盈江三級(jí)水電站工程總承包建設(shè)組織模式、工程招標(biāo)和合同管理制度化、規(guī)范化管理的方法在工程實(shí)施中取得了良好的效果和成績，在以后的項(xiàng)目總承包建設(shè)中還需要進(jìn)行深入的研究和探索，將總承包建設(shè)管理模式加以完善，更能適應(yīng)未來規(guī)范化的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)大環(huán)境。
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