摘要：基于最近幾年發展迅速的可編程計算機控制器（PCC）設計并實現了一種配置靈活、操作方便的水電站監控系統。該系統充分發揮了PCC在通信以及數據處理上的優勢，在以極高的可靠性完成機組運行控制、并網控制、保護控制、參數調整等功能的同時，又以其豐富的編程語言以及強大的通信能力實現了機組運行數據統計、模擬量采集以及各種動作記錄。該系統為水電站監控系統的設計提供了一條新思路。
關鍵詞：可編程計算機控制器；掃描周期；監控系統；開關量輸入模塊；模擬量輸入模塊
0 概述
可編程計算機控制器（Programmble Computer Controller ，簡稱PCC）是集計算機技術、通信技術、自動控制技術（簡稱3C 技術）為一體的新型工業控制裝置。可編程計算機控制器技術從20 世紀60 年代誕生以來，歷經可編程邏輯控制器(Programmble Logic Controller，簡稱PLC）、可編程控制器（Programmble Controller，簡稱PC ) ，而可編程計算機均以其極高的可靠性、豐富的編程語言、實用的編程方法、強大的功能、優良的性能、良好的耐惡劣環境的能力成為工業控制領域中增長最迅猛的工業控制設備。隨著3C 技術的高速發展，新一代PCC 將逐漸勝任大型集散控制和復雜的過程控制，其良好的兼容性、強大的通信功能、優良的實時性、豐富的功能函數、品種繁多的硬件模塊、多種編程語言的使用等，將使PCC 能夠適應于各種工業控制的需要。該系統以B&R2005 系列PCC為核心，實現了機組運行控制、并網控制、保護控制、參數自動調整和人工調整、運行數據統計、報警記錄、機組溫度、機組振動統計、滅磁開關動作統計、事故分閘次數、事故分閘電流統計、發電量分時累計、報表打印等功能。
1 可編程計算機控制器的結構與原理
可編程計算機控制器是一種計算機控制系統，但它比一般的計算機具有更強的為工業自動化控制服務的能力。PCC 系統組成與計算機控制系統的組成十分相似，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 可編程計算機控制器的基本組成
PCC的內核是一個強有力的標準系統元件。由于集成了RISC（精簡指令計算機）作為外部通訊，因此可以減輕CPU 的負擔。和串口的通訊與主處理器實際操作同時發生，可以避免發生在傳統控制系統中的通訊瓶頸問題。
1.l 輸入部件
輸入部件是PCC與被控對象之間的連接部件，是現場信號進入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 與現場設備之間的連接部件，它控制現場設備（如閘門提起、下落、閥門開和關等）。有時為了使PCC 能夠直接驅動諸如電磁閥、接觸器、燈和音響燈，輸出部件通常具有一些大功率器件，例如機械觸點式的繼電器、無觸點的交流開關等。
1.3 中央處理器
CPU 是整個PCC 的核心，它的主要任務為：控制從編程器輸入的用戶程序和數據的接受與存儲；用掃描的方式通過I/0 部件接受現場的狀態或數據，并存入輸入狀態表或數據存儲器中；診斷電源、故障和程序中的語法錯誤等；當PCC 在運行狀態時，從存儲器讀取用戶指令，經過命令解釋后按照指令規定的任務進行數據傳送、邏輯運算或算術運算；根據運算結果，更新有關標志位的狀態和輸出寄存器表的內容，再經輸出部件實現輸出控制、制表打印以及數據通信等功能。
1.4 存儲器及其擴展
PCC 的存儲器用來存儲系統和用戶的程序與數據。系統程序存儲器用來存放系統管理、用戶指令解釋、標準程序模塊、系統調用等程序，常用EPROM （重寫只讀存儲器）構成。用戶存儲器用來存儲用戶編制的程序或用戶數據。其中，存儲用戶數據的稱為用戶數據存儲器，常用RAM ，為了防止掉電時信息丟失，采用后備電池作保護。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 擴展接口、功能開關與指示燈、編程器等部分。其中編程器的作用是供用戶進行程序的編制、調試與監視。編程器有簡易型和智能型兩種。簡易型編程器智能聯機編程，并且需要將梯形圖轉化為其語言后才能輸入。智能編程器又稱為圖形編程器，它可以聯機編程，也可以脫機編程，同時具有LCD 或CRT 圖形顯示功能。PCC 可以采用微機作為編程器，這時微機里應安裝有相應的軟件包，例如在本系統中，采用微型計算機作為編程器，同時在微型計算機上安裝了B&R 公司的軟件包Automation SLudio；為了使計算機能夠直接與PCC 通訊，計算機上需要有RS232 串口。
2 可編程計算機控制器的工作原理
PCC的工作方式是一個不斷循環的順序掃描過程，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 自監視掃描階段
PCC 內部具有自監視功能，它主要是由監視定時器WDT (Watchdog Timer）完成的，WDT是一個硬件時鐘，而自監視過程主要是檢查以及復位WDT 。如果復位前，掃描時間超過WDT的設定值，CPU 將停止運行，同時復位輸入和輸出，并給出報警信號，這種故障成為WDT 故障。WDT 設定的時間一般為150~100 ms ，而一般系統的掃描時間均小于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 ，以及用編程器進行在線監視和修改時，CPU將總線的控制權交給編程器；當編程器完成處理工作或達到信息交換的規定時間后，CPU 重新得到總線權。
2.3 與數字處理器DPU 交換信息的掃描階段
當系統配有數字處理器時，一個掃描周期才包含這個階段。
2.4 與網絡進行通訊的掃描階段
在配有網絡的PCC 系統中，PCC 與PCC 之間或PCC 與上位計算機之間在這個階段進行信息交換。
2.5 用戶程序掃描階段
在這一階段，根據用戶程序存儲器所存儲的指令，PCC 從輸入狀態暫存區和其他軟元件的狀態暫存區中將有關元件的狀態讀出，并從第一條指令開始順序執行，每一步的執行結果均存入輸出狀態暫存區。
2.6 輸入／輸出（I/O ）服務掃描階段
CPU 在執行用戶程序時，使用的輸入值不是直接從實際輸入端得到的，運算的結果也不是直接送到實際輸出端，而是在內存中設置兩個暫存區：輸入暫存區和輸出暫存區。用戶程序中所用到的輸入值是輸入狀態暫存區的值，運算結果存放在輸出狀態暫存區中。PCC 對輸入／輸出的處理具有以下3 個特點：
( l ）輸入狀態暫存區的數據，取決于服務階段各實際輸入點的通／斷狀態。當用戶程序執行階段，輸入狀態暫存區的數據不再隨輸入的變化而變化。
( 2 ）在用戶程序執行階段，輸出狀態暫存區的內容隨程序執行結果不同而隨時改變，但輸出狀態鎖存器的內容不變。
( 3 ）在輸出服務階段，將用戶程序執行階段的最終結果由輸出狀態暫存區一起傳遞到輸出狀態鎖存器。輸出端子的狀態即由輸出狀態鎖存器決定。
3 系統結構設計
本系統檢測和控制的參數主要分為：電量參數、非電量參數以及設備運行、保護狀態參數。
3.1 電量參數
包括發電機的三相電壓、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據；同時機組轉速以及頻率可以通過與調速器通信讀取，也可以通過與轉速繼電器通信讀取。
3.2 非電量參數
包括上導瓦、下導瓦、水導瓦、推力瓦溫度，定子鐵心溫度，冷熱風溫度，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；輔機系統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 設備運行、保護狀態參數
包括機組斷路器開關、滅磁開關、導葉、進水口閘門、剪斷銷、水輪機及發電機電氣保護開關量狀態、事故和故障開關信號狀態、油氣水三系統工作狀態以及勵磁系統狀態等。這部分狀態量可直接引入PCC 開關量輸入模塊參與機組控制。本系統采用兩臺工控機作為上位機監控終端，可同時監控三臺機組中的任意兩臺。這兩臺工控機都必須安裝"B&R2005 PVI Manager" ，同時需要在系統中啟動"B&R OPC Server"才能實現對同一臺機組PCC 數據共享。其中上位機與PCC 站點之間的通信采用抗干擾性能優異的光纜作為硬件連接，數據通過路由器進行中轉；軟件上則是基于以太網的TCP/IP 協議。
本系統的上位機監控系統采用北京亞控公司開發的組態軟件"組態王"進行開發設計。該組態軟件能夠在PC 機上建立工業控制對象人機接口的一種智能軟件包，在該系統中，它以Widows 2000 中文系統作為其操作平臺，充分利用了Widows 、系統圖形功能完備，界面一致性好，易學易用等特點。該組態軟件使得采用PC 開發的系統工程比以往采用專用機開發的工業控制系統更具有通用性，大大減少了開發者的工作量。"組態王"軟件包由工程管理器（Proj Manager）、工程瀏覽器(TouchExplorer）、畫面運行系統（TouchView）三部分組成。工程瀏覽器內嵌畫面開發系統即組態王卡發系統。工程瀏覽器是各自獨立的應用程序，均可單獨使用，但在工程瀏覽器的畫面開發系統中設計開發的畫面應用程序必須在畫面運行系統環境中才能運行。
除了上位機監控系統，位于各個機組盤柜上的人機界面也可參與整個系統的監視與現地控制。該人機界面采用HITECH 公司的"ADP6.0"軟件包進行開發。
該監控系統框圖如圖2 所示。
圖2監控系統框圖
4 結束語
在B&R PCC 系列中，系統總線與I/0 總線是分離的。其中，工業計算機所需要的模塊，如附加的處理器模塊、遠程主站、網絡模塊等，運行在系統總線上；而數字量和模擬量I/0 模塊、定位模塊、智能I/0 處理器等則運行在I/0總線上，這樣就很好地避免了總線系統的瓶頸問題。I/0總線與系統總線分離，使B&R PCC 系列具有工業計算機能力，而不用添加設備接口（I/0接口），同時系統總線可以進行多處理器操作，這樣為了增加工作負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 方法進行保護，可以有效屏蔽外部干擾，在B&R2005 系統中I/0模塊以塑料盒封裝，技術人員在安裝時可以避免直接與電接觸。
本文結合發展迅速的可編程計算機控制器技術，介紹了在水電站監控系統中可編程計算機控制器的應用。PCC（可編程計算機控制器）是整個系統的核心部分，它很好地實現了機組開停機控制、模擬量采集、故障事故報警等功能，同時依靠強大的通訊能力將整個機組原來獨立的各個監控站諸如調速器、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據經過處理送到上位機監控系統以及人機界面，比較理想地實現了系統的遠程與現地監控。
作者：劉俊（1964，女.湖南桃江人，工程師，從事電力系統通信工作）1，2，許鴻文2 ，殷蔚明2 ，徐匯攀2 ，孔令彬2
l ．華中電網有限公司，湖北 武漢430077；2 ．中國地質大學機電學院，湖北武漢430074
參考文獻：
[l］齊蓉，肖維榮，蔡立虹．可編程計算機控制器教程[M] ．西安：西北工業大學出版社，2002 . [2］齊蓉，肖維榮，蔡云虹．可編程計算機控制器高級技術［M] ．西安：西北工業大學出版社，2002 .
[3］江秀漢，李萍，薄保中．可編程控制器原理及應用［M] ．西安：西安電子科技大學出版社，1998 .
[4］周克良，楊杰，焦海寧．基于現場總線的水電站監控系統設計．中國期刊網：優秀博碩士論文，2004 .
