基于PCC的水電站計算機監控系統設計
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1 系統監控方式與組成結構
以計算機為基礎的監控方式CBSC(Computer-Based Supervisory Control)是目前國內外水電廠普遍采用的計算機監控方式。CBSC模式的主要特點是電廠的主要監控功能全部由計算機實現，大大簡化常規控制裝置，僅留一部分現地操作設備以備特殊情況，但由于位于監控系統較底層的現地控制單元LCU(Local Control Unit)一般都以PLC作為其控制核心，在數據處理、通信上功能不夠強大，用戶如要擴展或升級系統就需要相當大的投入，而PCC則依靠其豐富靈活的通信模塊成功解決了這一問題，使CBSC監控方式更加靈活有效。
結合廣西宜州拉浪水電站的實際情況，本系統基于BR 2005系列中型PCC并以CBSC方式設計監控系統。該系統控制核心PCC由一系列獨立封裝的盒式模塊組成，基本模塊包括電源模塊和CPU模塊，擴展模塊包括I/O模塊、通信模塊等。
在該系統中，調速器、電量儀及溫度巡檢儀等智能設備能夠穩定地同PCC通信并將數據送入PCC，而PCC則通過以太網(基于TCP/IP協議)同上位機監控終端通信，同時也將數據送至位于LCU上的人機界面顯示。這種模式彌補了設備分散帶來的不足，使運行人員可以在上位機或人機界面上監控機組運行狀態，實現真正的集散式監控系統。該系統結構如圖1所示。
圖1 系統結構
2 現地控制單元程序設計
2.1 控制程序設計
2.1.1 任務層設計
PCC的操作系統是一個分時多任務操作系統，該系統可使控制系統得以優化，擁有更好的穩定性和實時性。在控制程序中，各個任務程序模塊依據其自身的重要性、實時性要求，分別位于優先級不同的任務層下，完成不同的功能。例如，事故故障處理直接影響水輪機組的安全運行，因此，該模塊被置于任務層Cyclic #1中;而對實時性要求相對不高的模塊如通信程序模塊，則被置于任務層Cyclic # 4中。
圖2 為控制程序各個任務程序模塊的任務層分布(括號內時間分別表示不同任務層的循環時間)
2.1.2 模擬量處理程序設計
機組模擬量如壓力、溫度等對整個水輪機組的正常運行起著至關重要的作用，因此需要對模擬量進行濾波以保證數據的準確性。以PLC為核心的控制系統對模擬量值的濾波一般是通過將模/數轉換器得到的數值進行平均N次得以實現，存在著可靠性差等缺點。該程序則基于最小二乘法對模擬量數據進行擬合處理，并可根據傳感器特性的變化調整參數，提高了數據的可靠性。最小二乘法即：選擇適當的a，b，使式(1)中的ε最小。
因為ε是a，b的函數，用求極值的方法可知應滿足：
解出a，b：
則：
式中Yi為第i個模擬量通道的數據處理結果;Xi為從傳感器讀取的第i個模擬量通道的初始值;ai，bi為對應該通道的參數;n為平均次數，程序中一般取20次。
模擬量處理模塊部分程序如下：
LCU與外部設備如電量儀等的通信基于幀驅動器。幀驅動器是一種介于應用程序和硬件接口之間的軟件工具箱，它使幀以字節流的形式進行發送與接收，無需驅動器對這些幀進行操作。
a.初始化。通信開始時，通過幀命令FRM_xopen(enbale，device，mode)初始化端口，其參數定義了接口設備、接口參數以及數據傳輸狀態等。
b.數據發送與接收。函數FRM_xopen( )初始化完成后返回緩沖區的地址及其長度，然后調用memcpy( )將數據寫入緩沖區，并將數據發送出去。
數據接收的過程與發送基本相反，幀驅動器首先調用FRM_read( )讀取1幀數據并把它放在緩沖區中，然后由memcpy( )讀出該緩沖區的內容。
通信模塊部分程序如下：
3 上位機監控實現
3.1 OPC服務器
上位機監控功能是借助OPC(OLE for ProcessControl)服務器為橋梁實現上位機組態軟件對機組數據信息的共享的。OPC是一個工業標準，它為不同廠商的硬件設備、軟件和系統定義了公共的接口，使過程控制和工廠自動化中的不同系統、設備和軟件之間能夠互相連接、通信、操作。監控系統采用OPC協議與其他現場設備通信的優點在于：不管硬件設備是否使用標準的通信協議，制造商只需要提供1套OPC服務器，就可以支持大部分的監控等軟件，也不需要將自己的通信協議細節提供給軟件商。
OPC服務器軟件主要分為OPC服務器對象模塊、服務器界面模塊和OPC驅動程序模塊，3個模塊通過同一塊主內存數據區共享數據，通過線程的同步和互斥等技術的使用，可解決共享數據的保護問題。
在該系統中，上位監控計算機啟動后，系統自動加載一個被BR稱之為“PVI”的系統模塊，同時PVI啟動同封裝在PCC操作系統中的OPC服務器的通信(在本系統中基于TCP/IP協議)。PVI的核心部分為“PVI manager”，在“PVI manager”中用戶可根據需要選擇性定義從OPC服務器傳輸的數據。BRPVI的基本構成(見BR2005 User’s Manual，2004)如圖3所示。
圖3 PVI 基本構成
3.2 組態程序設計
該系統的組態程序采用北京亞控“組態王6.03”設計。“組態王6.03”有比較完善的報警和事件系統、報表系統及支持Windows標準的Active X控件，同時全面支持OPC標準，可以通過PVI很方便地實現同PCC OPC Server的數據共享，完成諸如開關量監視記錄和事件順序記錄、事故追憶和故障錄波、自動發電控制(AGC) 、自動電壓控制(AVC)等監控功能。
4 結語
本文結合發展迅速的PCC技術，介紹了一種新型高效的水電站計算機監控系統。該系統基于BR2005系列PCC，在以最小二乘法對機組模擬量進行濾波的基礎上，實現了機組的各種控制與保護功能，并基于幀驅動器以及OPC Server實現了PCC控制系統同外部智能設備及上位機的通信，組成了一個較先進的適用于中小型水電站的開放式監控系統。
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