应伟军;赵燕伟;胡长硕;徐竞喆
【摘 要】针对小型水电站集中控制与安全可靠性能的需要,设计了水电站上位机软件,包括监控软件和通讯服务软件两个部分;监控软件采用组态软件IFIX4.5设计,根据监控软件的设计步骤,配置驱动程序实现采集数据、构建过程数据库并对相应参数进行设置、设计监控系统界面、利用IFIX自带的子例程函数库设计报表;通讯服务软件采用VB设计,通过协议转换实现监控软件与智能设备之间的通讯;该上位机软件在实际工程中得到了很好的应用,能够准确实时地显示各机组运行情况及主要运行参数,提高了整个系统的安全可靠性. 【期刊名称】《计算机测量与控制》 【年(卷),期】2015(023)003 【总页数】4页(P783-786)
【关键词】小水电站;监控软件;通讯服务软件;智能设备 【作 者】应伟军;赵燕伟;胡长硕;徐竞喆
【作者单位】浙江工业大学特种设备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,杭州 310014;浙江工业大学特种设备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,杭州 310014;水利部农村电气化研究所,杭州 310012;水利部农村电气化研究所,杭州 310012 【正文语种】中 文 【中图分类】TP315
0 引言
随着计算机技术、网络通讯技术的快速发展，水电站监控系统的自动化程度不断提高，在法国、美国、日本、瑞典等国家，小型水电站的自动化率已达到95%以上，并且基本都实现了无人值守自动化。法国的Grand Maison水电电站，通过采用计算机监控以及自动控制技术，实现白天少人值守，晚上是无人值守。瑞典的Trangslet水电站采用ABB公司所提供的自动化设备同样实现无人值守［1］。我国水电站起步较晚，且在早期对小水电的发展不够重视，故我国小型水电站的发展水平还处于相对落后的状态，目前尚处于研发完善阶段［2－3］。从20世纪90年代起，我国小型水电站的发展有了长足进步，后期建设的小型水电站，所运用的自动化技术基本取代了水电站的常规控制［4］。杭州亚太水电研究所针对小水电综合自动化较早就做出了努力，近些年来，国内一些水电监控的厂家也陆续推出了面向小水电的综合自动化系统，这些厂家有长沙华能、许继电气、重庆新世纪等［5］。水电站监控系统作为水电站发电、泄洪的控制核心，对其安全可靠性的要求不断提高。除了对系统硬件配置的要求外，对上位机监控系统的性能也提出了很高的要求。
1 水电站监控系统总体设计
本文所设计的水电站监控系统以杭州亚太成套设备有限公司承包的某水电站为背景。此监控系统以计算机监控为主，简易常规控制为辅的原则进行总体设计，采用分层分布式结构。充分注意自动控制系统与常规控制系统的协调配合，建成后可以达到无人值班或少人值守的要求。简易常规控制系统可在上位机系统与下位机控制系统通讯中断或主控站故障时作为操作备用。 1.1 水电站监控系统结构及功能
图1所示，本水电站监控系统分为两大部分，一是现地控制系统即下位机控制系
统，二是站级监控系统即上位机系统。根据实际需要，通讯方式采用工业以太网。 下位机控制系统包括水轮发电机组控制系统、发电机励磁系统、水轮机调速系统、保护系统等。其主要任务是对机组运行进行监测与控制，如控制水电站正常的开停机流程、紧急停机流程等。此系统一般布置在发电机附近，原始数据在此进行采集，各种控制调节命令都最后在此发出。
上位机系统包括多个工作站（操作工作站、工程师工作站等）、网络通讯设备、卫星同步时间（GPS）、语音报警等。上位机系统的任务主要是完成对整个电站设备的集中监控、管理和对外通讯等功能［6］。 图1 水电站监控系统原理图 1.2 上位机软件的组成及功能
上位机软件主要分为两部分，一是作为前台的监控软件，二是作为后台程序的通讯服务软件。
监控软件是电站工作人员直接操作的对象，本文的监控软件采用组态软件IFIX4.5和高级语言VB设计。监控软件采用按钮操作方式，在任意情况下均能激活菜单或退出菜单并返回原画面，能够完成水电站实时状态的采集、被控对象运行参数进行调节、报警及事故记录、报表处理与打印等功能。
通讯服务软件采用VB语言设计，用于组态软件IFIX4.5没有某些智能设备驱动的情况。其主要任务是保证监控软件与智能设备之间的通讯顺畅，完成数据的上传与下发。一方面与各智能设备进行通讯，完成数据的采集与下发；另一方面与组态软件进行数据交换，将智能设备中采集到的数据发送给组态软件，并接收组态软件下发到各智能设备的参数［7］。 2 上位机监控软件的设计
上位机监控软件采用组态软件IFIX4.5设计。在软件设计中主要实现数据采集功能、过程数据库构建、监控界面设计、报表设计等［8］。
1）数据采集：
数据采集的第一步是从过程硬件中获得数据源。I／O 驱动器作为桥梁将组态软件与过程硬件进行连接通讯，根据某水电站的实际需求，采用MBE 驱动。图2 所示，组态软件IFIX4.5通过MBE驱动从过程硬件中将现场数据采集到驱动器映像表DIT 的指定位置，扫描报警控制程序SAC 从DIT 读入数据，并将数据传至过程数据库PDB 中；IFIX Workspace向PDB发出请求，将数据显示在监控界面上；其它应用以同样方法从PDB获得数据，并作相应数据处理。 2）过程数据库构建：
水电站监控系统中所需监控的点数可达到上千点，如果通过人工来配置标签点，将是一个很庞大的工程。所以我们可以采用以下步骤来构建过程数据库。
步骤1：打开过程数据库中的数据库管理器，分别添加一个数字量数据块与模拟量数据块，并对标签加以命名。
步骤2：对驱动器进行选择，对I／O 地址、报警界限、是否允许输出等参数进行配置。
步骤3：将数据库管理器中所设计的标签点导出成EX－CEL文件，通过EXCEL文件来配置多个标签点。 图2 数据链接示意图
步骤4：将配置好的EXCEL文档导入到数据库管理器中。 通过以上方法，在构建过程数据库使能够大大减小工程量。 3）主监控界面设计：
上位机监控软件具有丰富的人机界面，能够给电站运行人员提供友善的人机接口，操作安全可靠，并能满足运行人员的习惯。组态软件提供多种绘图工具，通过线、字符等基本绘画工具设计出友好的图形界面，通过填充属性链接、文本色链接、移动链接、缩放链接等实现动画效果。通过以上设计，组态软件IFIX 能用生动的图
形界面、逼真的动画将实际工程问题在用户窗口中描述出来。
图3所示为水电站监控系统的电气主接线图。从一次设备传来的数据对画面进行实时更新，运行人员在中控室就能掌握整个水电站发电输电设备运行状况，包括各个发电机组运行状态以及各机组电压、电流、有功功率、无功功率、频率等主要运行参数。
图3 水电站监控系统的电气主接线图
图4所示为一号机组监控图。在监控界面上显示了一号机组的开停机流程、全部运行参数。通过此界面，可实现对一号机组有功功率、无功功率或功率因素地给定，以及有功功率、无功功率地调节。此外，在界面上设置有命令按钮，能够实现对机组的全部操作，包括开停机控制、紧急停机控制、信号确认复归等。 4）报表设计： 图4 一号机组监控图
组态软件IFIX4.5获取历史数据库数据的方法有两种，一种是通过ODBC方式来获取历史数据，另一种是通过Historical Data Access（HDA）来获得数据。HDA 是一个组态软件IFIX 中的子例程函数库，它能够使用户方便地访问IFIX 历史数据库，同时还能进行内存管理、错误检测和恢复等，并且HDA 访问数据库的速度很快［9］。故在本文中采用HDA 来设计水电站监控系统的报表。 图5所示为设计好的报表。报表设计总体步骤如下。 图5 1号机组报表
步骤1：需要用EXCEL 制作一个报表作为查询模板，将该模板另存为XTML 格式文件，并将其放在工程目录下的APP文件夹中。
步骤2：在查询界面上添加所需控件，包括保存、预览按钮，单选按钮，时间日期控件，web浏览器，并分别设置以上各自控件的属性。
步骤3：使用VB来编写报表查询脚本，包括界面显示以及报告数据显示，实现机
组历史数据根据所需时间将查询结果显示在web浏览器控件中。 界面显示的主要VBA 脚本如下：
使用VB来设计报表脚本时，HDA 子例程函数库在报表中设计步骤如下［10］。 步骤1：建立一个组，在组中一次性最多可以添加八个标签。 步骤2：设定历史数据库的路径，以用来确定数据源。 步骤3：并确定数据查询的起始时间、时间长度以及时间间隔。 步骤4：将标签添加到事先建立的组中。
步骤5：初始化读数据库的操作并设置单个标签所读数据的长度。 步骤6：通过HdaGetData 函数将数据读到数组Values（）中。 步骤7：将采集来的数据放到EXCEL 表中，实现报表数据显示功能。 HDA 子例程函数库主要VBA 脚本如下：
3 通讯服务软件设计
如图6 所示，本监控系统中主要智能设备包括三菱FX3UPLC、温度巡检仪、保护装置，这些设备的通讯协议各有不同，并且均不支持组态软件IFIX4.5的MBE 驱动。所以需要设计一个通讯服务软件，起到承上启下的作用。 图6 小水电站通讯结构
通讯服务软件与监控软件之间的通讯协议为Modbus／Tcp协议，故通讯服务软件采用winsock控件进行数据交换，并设置监听端口为502。通讯服务软件作为服务器程序接收监控软件下达给智能设备的报文，接收监控软件MBE 驱动发来的报文，并做出相应的应答。
通讯服务软件与智能设备之间的通讯协议为各个智能设备的通讯协议。当通讯服务
软件初始化后，该软件通过设定时间间隔始终对智能设备发送数据和接收数据，实时更新内存中的数据，以供监控软件数据读取。 4 监控系统调试运行
完成上位机软件设计之后，进行系统调试运行，运行通讯服务软件并将监控软件切换到运行模式。进入电站机组总监控界面，监控画面能够准确实时显示各机组运行情况及主要运行参数。开机时，将界面切换到机组监控界面，查看机组开机条件是否全部满足，包括调速器电源正常、闸阀全开、灭磁开关合、冷却水投入等8个条件，当开机条件满足时，各条件所对应的指示灯全变为绿色，接着给定有功功率值和无功功率值，点击发电按钮即可进入开机控制流程。整个开机流程在界面上有显示，系统每完成一步，其所对应指示灯将会由红色变为绿色，起到机组实时监控效果。切换进入报表查询界面，根据需要选择机组号、日期，即可查询该机组的报表数据。选择实时报警按钮进入实时报警查询界面，此界面中可同时显示故障报警事件、事故报警事件、越限报警事件。调试证明，由监控软件与通讯服务软件组成的上位机软件能够很好地实现对水电站控制系统的实时监控。在水电站实际应用中，该上位机软件也取得了很好效果。 5 结论
本文简单介绍小水电站监控系统组成之后，详细介绍了上位机软件的设计，包括监控软件设计和通讯服务软件设计。组态软件使得系统能够实时动态显示整个监控系统的运行状态。通讯服务软件解决了组态软件驱动扩展不灵活的问题，与组态软件相配合，实现了组态软件IFIX4.5与非主流的智能设备之间的通讯。在水电站中，该上位机软件得到了很好的应用。
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