基于以太網(wǎng)的水電站綜合測(cè)試系統(tǒng)研究

關(guān)　鍵，王軍強(qiáng)，李婷婷(1．水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310012; 2．水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江杭州310012)

基于以太網(wǎng)的水電站綜合測(cè)試系統(tǒng)研究

關(guān)鍵1，2，王軍強(qiáng)1，2，李婷婷1，2
(1．水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310012; 2．水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江杭州310012)

摘要:針對(duì)農(nóng)村水電站生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)機(jī)組穩(wěn)定及安全運(yùn)行進(jìn)行測(cè)試和監(jiān)控的要求;深入研究了一種能夠利用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木C合測(cè)試系統(tǒng)，將集成了底層網(wǎng)絡(luò)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)化控制，形成了一種可靠、快速、便捷的農(nóng)村水電站遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)。圖3幅。

關(guān)鍵詞:農(nóng)村水電站;以太網(wǎng);數(shù)據(jù)采集;遠(yuǎn)程測(cè)試

0　引言

農(nóng)村水電站相較于大中型電廠雖然在規(guī)模和裝機(jī)容量方面相對(duì)較小，但依然是一套“五臟俱全”的復(fù)雜系統(tǒng)，因此通過(guò)加強(qiáng)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控和模擬仿真試驗(yàn)等有效手段對(duì)電站進(jìn)行安全檢測(cè)，在保障電站的穩(wěn)定、高效和安全運(yùn)行等方面具有重要的意義。在目前大力推廣“無(wú)人值班(少人值守)”管理模式和提高農(nóng)村水電站自動(dòng)化水平的形勢(shì)下，提出了一種水電站綜合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，主要針對(duì)水電站機(jī)電設(shè)備的安全檢測(cè)、模擬仿真和動(dòng)態(tài)監(jiān)控。本系統(tǒng)克服了目前基于工控機(jī)或單片機(jī)開(kāi)發(fā)的檢測(cè)設(shè)備功能單一、兼容性不足、不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控測(cè)試的功能要求等缺點(diǎn)，通過(guò)引入以太網(wǎng)通信傳輸技術(shù)，將底層控制網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了水電站機(jī)電設(shè)備測(cè)試與監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)化管理，提高了電站測(cè)試的自動(dòng)化水平。

1　系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)構(gòu)架由上位機(jī)電腦或其他能夠接入以太網(wǎng)的控制終端、帶有以太網(wǎng)通信模塊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、多類型的傳感器及其信號(hào)變送模塊、智能控制模塊和限位控制模塊組成(見(jiàn)圖1)。

圖1　系統(tǒng)構(gòu)架示意

1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

水電站綜合測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)概念，具有不同類型信號(hào)的擴(kuò)展調(diào)理模塊，能夠滿足目前水電站數(shù)據(jù)信號(hào)采集的類型和數(shù)量要求。通過(guò)內(nèi)置16位A/D變換器，可擴(kuò)展256個(gè)模擬信號(hào)通道，同時(shí)保持高速采樣速率。系統(tǒng)集成多路數(shù)字I/O通道，包括隔離和繼電器觸點(diǎn)通道。系統(tǒng)具備脈沖輸入輸出通道、變頻信號(hào)源以及模擬輸出模塊。集成了以太網(wǎng)接口、RS232接口和USB接口模塊，可以實(shí)現(xiàn)多種控制方式。

1.2以太網(wǎng)接口

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制要求信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，而以太網(wǎng)傳輸協(xié)議采用的傳輸協(xié)議是TCP/IP協(xié)議。這是一種應(yīng)用于大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，不同于底層控制網(wǎng)絡(luò)所采用的如CAN和Profibus等控制網(wǎng)絡(luò)總線傳輸協(xié)議，在本質(zhì)上并不完全滿足生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求;但隨著信息技術(shù)的發(fā)展，這些問(wèn)題得以解決。以太網(wǎng)具有的開(kāi)放性、高速性和通用性的特點(diǎn)，決定了其能夠更好的滿足控制系統(tǒng)各個(gè)層次的要求，使信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)得以融合。通過(guò)底層控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)互聯(lián)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，形成控制和管理信息一體化的現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系是十分必要的。

目前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化已在國(guó)內(nèi)得到大規(guī)模的發(fā)展和應(yīng)用，但在農(nóng)村水電站的管理方面還較為落后，通過(guò)對(duì)水電站自動(dòng)化管理系統(tǒng)的研究，以電站機(jī)電設(shè)備測(cè)試作為基礎(chǔ)，將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于水電站的網(wǎng)絡(luò)化和智能化監(jiān)控管理，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)電站設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控與測(cè)試。

2　信號(hào)參數(shù)

測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是在研究了農(nóng)村水電站機(jī)組特性的條件下，分析選取了能夠動(dòng)態(tài)描述機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)參數(shù)。信號(hào)參數(shù)主要包括了發(fā)電機(jī)輸出電流和電壓信號(hào)、勵(lì)磁電流和電壓、功率、轉(zhuǎn)速和頻率、水輪機(jī)接力器位移、水頭壓力、流量、機(jī)組振動(dòng)和擺度、壓力脈動(dòng)、壓差等信號(hào)。

(1)通過(guò)電壓和電流變送器接入發(fā)電機(jī)定子(二次側(cè))電壓和電流，電渦流傳感器接入主軸轉(zhuǎn)速，差阻式位移傳感器接入調(diào)速機(jī)構(gòu)接力器行程信號(hào)，同時(shí)加入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中帶有的頻率信號(hào)源和脈沖信號(hào)輸出，可以對(duì)機(jī)組的調(diào)速機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

(2)通過(guò)電動(dòng)式振動(dòng)傳感器、電渦流非接觸式擺度傳感器、壓力脈動(dòng)傳感器可以對(duì)機(jī)組及引水系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。

(3)通過(guò)發(fā)電機(jī)電功率表或是軸功率測(cè)量，接入超聲波流量信號(hào)和水位(水頭)信號(hào)，可以對(duì)發(fā)電機(jī)或水輪機(jī)功率進(jìn)行測(cè)量。

(4)水位、電流、電壓、頻率、溫度等信號(hào)作為機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

大量的信號(hào)數(shù)據(jù)中，一部分?jǐn)?shù)據(jù)可以通過(guò)計(jì)算獲得，而基礎(chǔ)數(shù)據(jù)則需要通過(guò)傳感器進(jìn)行采集?？紤]到用于測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)具有的便捷性，將各類來(lái)自傳感器的輸入信號(hào)通過(guò)變送器轉(zhuǎn)換為0～5 V或4～20 mA的基準(zhǔn)模擬輸入信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D變換器的功能對(duì)模擬通道進(jìn)行擴(kuò)展，能夠同時(shí)接入大量數(shù)據(jù)信號(hào)。

3　控制程序設(shè)計(jì)

從傳感器到客戶端，完整的測(cè)試系統(tǒng)包括了下位機(jī)控制程序、底層控制網(wǎng)絡(luò)接口通信程序、底層控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序和上位控制程序。其中下位機(jī)控制程序和底層控制網(wǎng)絡(luò)接口通信程序技術(shù)較為成熟，底層控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序和上位控制程序是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。

3.1協(xié)議轉(zhuǎn)換程序

由于傳輸協(xié)議的不同，底層控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)互聯(lián)需要通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序來(lái)完成。按照?qǐng)D2協(xié)議轉(zhuǎn)換程序結(jié)構(gòu)圖所示(見(jiàn)圖2)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)底層控制網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給客戶端時(shí)，先通過(guò)底層控制網(wǎng)絡(luò)控制器將該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)包保存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，由協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)?shù)據(jù)包映射為應(yīng)用層數(shù)據(jù)，并封裝起來(lái)發(fā)送到以太網(wǎng)的應(yīng)用層。同樣，有上位控制信號(hào)需要發(fā)送至底層控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，以太網(wǎng)控制器會(huì)將傳輸層數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，并由協(xié)議轉(zhuǎn)換程序從數(shù)據(jù)報(bào)文中解析出底層控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，通過(guò)底層控制網(wǎng)絡(luò)控制器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降讓涌刂凭W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上。

圖2　協(xié)議轉(zhuǎn)換程序結(jié)構(gòu)示意

以太網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)包括了應(yīng)用層、傳輸控制層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。將數(shù)據(jù)傳輸至以太網(wǎng)，協(xié)議轉(zhuǎn)換的要點(diǎn)在于將數(shù)據(jù)包進(jìn)行TCP/IP封裝。協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)⒌讓涌刂凭W(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)按照以太網(wǎng)協(xié)議構(gòu)架進(jìn)行對(duì)應(yīng)，這是數(shù)據(jù)解析和映射的過(guò)程。依照TCP/IP協(xié)議規(guī)則，由IP層從物理層接收完成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包，并附加來(lái)源地址和目的地址，再發(fā)送到更高的TCP或UDP層。為了提高傳輸效率，這里采用UDP面向無(wú)連接的通信協(xié)議，同時(shí)增加回傳校驗(yàn)機(jī)制，提高傳輸?shù)目煽啃?。協(xié)議轉(zhuǎn)換程序也進(jìn)行了同樣的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將來(lái)自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)底層控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換和傳輸。

3.2基于DASYLab的上位控制軟件

根據(jù)系統(tǒng)的功能和構(gòu)架，需要相適應(yīng)的上位軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)多信息數(shù)據(jù)的融合和監(jiān)控，同時(shí)控制軟件還應(yīng)具備高速、通用、便捷和智能化的特點(diǎn)。因此利用通用環(huán)境下的DASYLab高速數(shù)據(jù)采集、分析和控制軟件，以圖形化編程完成數(shù)據(jù)的讀取、顯示、存儲(chǔ)、分析、運(yùn)算、控制、觸發(fā)等功能。

系統(tǒng)基于DASYLab的功能模塊完成數(shù)據(jù)信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示、錄入儲(chǔ)存、計(jì)算分析、限位報(bào)警、控制反饋等任務(wù)。多類型數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化以數(shù)字形式通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，上位軟件讀取數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分類管理。根據(jù)需要，軟件可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行功能化處理，需要直觀顯示的數(shù)據(jù)可以以連續(xù)波形的方式進(jìn)行顯示，如水頭壓力等數(shù)據(jù)信號(hào);需要組合分析的數(shù)據(jù)可以合并顯示，如甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開(kāi)度、勵(lì)磁電壓等數(shù)據(jù)信號(hào);需要綜合分析的數(shù)據(jù)，也能夠利用軟件內(nèi)部函數(shù)進(jìn)行計(jì)算顯示，如水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率計(jì)算等。

圖3　上位控制程序開(kāi)發(fā)與應(yīng)用界面

圖3所示為一種設(shè)定水輪機(jī)調(diào)速機(jī)構(gòu)的接力器位移信號(hào)顯示方式，上位軟件能夠動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)顯示接力器的行程，從而判斷水輪機(jī)的導(dǎo)葉的開(kāi)度(見(jiàn)圖3)。

4　結(jié)論

本文提出的將農(nóng)村水電站機(jī)電設(shè)備測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)合起來(lái)，是網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理技術(shù)應(yīng)用在新領(lǐng)域的一次開(kāi)拓。實(shí)際應(yīng)用證明系統(tǒng)無(wú)論在穩(wěn)定性、便捷性和可操作性上都滿足設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，模塊化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本身具有很好的擴(kuò)展性、適應(yīng)性和高速響應(yīng)的特點(diǎn)。在下一步的應(yīng)用中，可以將金屬結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如壓力鋼管的應(yīng)力和振動(dòng)測(cè)量，甚至是整個(gè)水工建筑物的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都接入到該系統(tǒng)中，形成一個(gè)完整的測(cè)試、監(jiān)測(cè)和控制體系。在接入以太網(wǎng)后，可以實(shí)現(xiàn)在特定區(qū)域內(nèi)對(duì)多座電站進(jìn)行同時(shí)監(jiān)控和管理，同時(shí)為發(fā)電調(diào)度和防洪調(diào)節(jié)提出了新的管理思路和方式，從而體現(xiàn)該系統(tǒng)的良好效果和應(yīng)用價(jià)值。

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責(zé)任編輯吳昊

作者簡(jiǎn)介:關(guān)鍵(1981－)，男，工程師，主要從事水利水電工程質(zhì)量檢測(cè)相關(guān)工作。

基金項(xiàng)目:南京水利科學(xué)研究院中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(青年基金) (Y915013)

收稿日期:2016－01－06