,第二篇水电站计算机监控系统的基本技术任务一、水电站计算机监控系统的工作原理子任务一、电站主控层的计算机监控原理电站主控层（主要由上位机组成），介于电网层与现地控制层之间，是操作员监控运行过程的主要窗口，负责对控制过程的“控、监、传”。

其“控”，就是将“人”的操作信息送入控制系统，实现运行状态的转换，其“监”，就是对系统的数据库进行管理，进而实现信息处理和送达，其“传”，就是在电网层与现地控制层之间实现信息的传递。

在水电站主控层安装有水电站计算机监控系统的历史数据库、实时数据库、历史数据库管理系统、实时数据库管理系统、上位机软件系统和人机接口界面等。

现地控制单元层的数据首先采集进入实时数据库，一方面，上位机软件根据设定的时间，通过实时数据库管理系统定时访问实时数据库的数据，并定时刷新人机接口界面，这样便于操作运行人员了解整个电站的运行情况；另一方面，实时数据库的数据定时存储入历史数据库，历史数据库可以由历史数据库管理系统进行管理，操作运行人员可以一次通过人机接口界面、上位机软件和历史数据库管理平台对历史数据进行管理、修改和查询等操作。

此外，实时数据库可以通过上位机中的远程通讯软件与电网层进行数据交换。

主控层原理见（图2-1）。

图2-1 电站主控层的工作原理简图子任务二、现地控制单元层计算机监控原理水电站计算机监控系统的现地控制单元主要包括机组现地控制单元和开关站及公用设备现地控制单元。

其中，机组现地控制单元主要在现场对机组运行实现监视和控制。

它需要直接与水电站的生产过程接口，对发电机生产过程进行监控，运行中要实现数据采集、处理和设备运行监视，同时通过局域网与监控系统其他设备进行通信，以及完成自诊断等。

同时，它要协调功能层设备如调速器、励磁装置、同期装置、备自投装置等与现地控制单元的的联动以完成调速、调压、调频以及事故处理等快速控制的任务。

在上位机系统出现故障或退出运行时，现地LCU应能够正常运行和实现对水轮发电机组发电的基本控制。

而开关站及公用设备现地控制单元主要完成对开关站以及公用设备的计算机监控。

现地LCU主要技术有：1.水轮发电机组的测量水轮发电机组的测量主要包括电量和非电量的测量。

电量包括交流电参数和直流电参数。

非电量包括水位、油位、压力、温度等。

2.水轮发电机组的顺序控制水轮发电机组的顺序操作功能是机组现地控制单元中自动控制的组成部分，是实现水电厂计算机监控的基础，其任务是按照给定的运行命令自动地按规定的顺序控制机组的调速器、励磁设备、同步装置和机组的自动化原件，实现机组各种工况的转换。

常规机组通常有停机、发电和调相三种运行状态。

机组的顺序操作主要是机组三种运行状态的转换，实际运行中，也包括发电、并网、空载、空转等运行状态的转换。

1）水轮发电机组的PLC控制系统设计目前在水电站中广泛应用的计算机监控系统现地控制单元是以可编程序控制器（PLC）和人机接口界面（触摸屏）为控制核心的。

PLC的输入输出原理如图所示：从上图可知，PLC一般由CPU，开关量输入单元（DI）、模拟量输入单元（AD）、开关量输出单元（DO）、模拟量输出单元（DA）、脉冲量输入单元、脉冲量输出单元、电源单元以及通讯接口单元等组成。

开关量输入单元（DI）采集机组各种开关（ON/OFF）信号，如事故信号、断路器分合信号以及重要继电保护的动作信号等；模拟量输入单元（AD）采集电站的电压、电流、水压、油压、水位等模拟信号，如机组励磁电压、励磁电流、调速器油压、蜗壳水压等；开关量输出单元（DO）用来执行各类操作控制指令，如机组的自动开停机控制、事故紧急停机控制等；模拟量输出单元（DA）用来执行各类调节指令，如机组有功功率和无功功率的调节、发电机出口电压的调整、系统频率的调节等。

PLC通讯单元一般有两种形式，其一为单口型式，另一种为双口型式。

当为单口型式时,由于PLC通信单元的RS－485或RS232C通讯接口只能与上位机进行串行通讯，不能直接通过以太网进行通信，所以PLC对各种采集的信号通过程序进行分析和处理后，需经协议的转换把数据传送到电站主控层的上位机。

双口型式有双以太网口和一以太网口一串口（RS-232，或RS-485）。

任务二顺控程序的意义及编写原则子任务三、PLC 控制系统设计与调试的步骤1. PLC 控制系统设计与调试的一般步骤，如下图：2. PLC 控制系统设计与调试的主要步骤说明： 注意：将此处的功能表图改为控制流程图。

分析被控对象工艺过程提出系统控制要求确定外部输入、输出设备PLC选型分配I/O点，设计I/O接线图绘制功能表图设计梯形图编制程序清单修改模拟调试输入程序并检查设计控制台（柜）及安装接线图现场施工接线联机调试满足要求？编制技术文件交付使用满足要求？N NN YY（1）分析被控对象并提出控制要求详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，确定控制系统的可靠性指标及质量和品牌要求，了解被控对象机、电、液、光之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制流程，确定控制方案，拟定设计任务书。

（2）确定输入／输出设备根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。

（3）PLC选型PLC选型包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。

（4）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路1）分配I/O点画出PLC的I/O点与输入／输出设备的连接图或对应关系表，该部分也可在第（2）步中进行。

2）设计PLC外围硬件线路画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。

由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。

到此为止系统的硬件电气线路已经确定。

（5）程序设计与模拟调试1）程序设计根据系统的控制要求，主要根据流程图的逻辑关系，采用合适的设计方法来设计PLC 程序，该步骤一般在电脑上使用与PLC兼容的专用的PLC编程软件来编辑，各厂家均有自己的PLC编程软件，编程完成后再使用专用的数据线或通过网络等将程序传送到PLC内部。

程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。

除此之外，程序通常还应包括以下内容：A.初始化程序。

在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。

初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。

B.检测、故障诊断和显示等程序。

这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。

C.保护和连锁程序。

保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。

它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。

2）程序模拟调试程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。

根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。

A. 硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。

B. 软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。

模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。

（6）硬件实施硬件实施方面主要是进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。

主要内容有：A.设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。

B.设计系统各部分之间的电气互连图。

C.根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。

由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。

（7）联机调试联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。

联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。

如不符合要求，则对硬件和程序作调整。

通常只需修改部份程序即可。

全部调试完毕后，交付试运行。

经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。

（8）整理和编写技术文件技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。

任务三、了解通信技术在计算机监控系统中的应用对于计算机监控系统，数据通信是不可缺少的。

很多计算机监控系统或控制系统是难以用一台计算机实现的，而是由多个控制单元或监控单元共同构成的，其中控制单元是为了完成为被控对象的自动控制，而集中监控和操作管理单元是为了达到综合信息全局管理的目的。

这种结构称之为分布式结构，这些分布式的单元之间就是通过计算机网络连接在一起，并通过网络进行相互之间的通信的。

子任务一、计算机网络计算机网络指在其中运行通信程序以相互传送信息的计算机集合。

当代、凡稍具规模的计算机监控系统，都已毫不例外地采用计算机网络。

从网络角度考察，称这些在网的计算机或自动装置为通信站或通信点。

各站点之间由通信子网连接起来，按计算机网络在地域上的分布，又可分为局域网（LAN，Local Area Network）、广域网（WAN，Wide Area Network）以及遍布全世界的网际网（Internet）。

1.局域网局域网，就是在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范围小。

局域网在计算机数量配置上没有太多的限制，少得可以只有两台，多的可达几百台。

一般来说在企业局域网中，工作站的数量在几十到两百台次左右。

在网络所设计的地理距离上一般来说可以是几米至10km以内。

局域网一般位于一个建筑物或一个单位内，不存在寻径问题，不包括网络层的应用。

2.广域网广域网是在一个广泛地理范围内所建立的计算机通信网，简称WAN。

其范围可以超越城市、国家乃至全球，因而对通信的要求及复杂性都比较高。

广域网侧重共享位置准确无误及传输安全性。

在实际应用中，LAN可与WAN互连，或通过WAN与位于其他点点的WAN互连，这时LAN就成为WAN上的一个端系统。

子任务二、常用的传输介质作为网络中信道的传输媒介，人们通常会想到一对电线。

事实上，电线是最常用的传输媒介体。

此外还有其他传输媒介，例如无线电、微博、光纤、激光束、同轴电缆等，还有卫星通信以及电力线载波通信等。

在电力系统计算机监控系统中，上列通信手段几乎都在使用着。

不同的媒介体有不同的特性，适用于不同的场合。

（1）双绞线。

双绞线是由两个绝缘道题扭绞而成的线对，导体通常由高纯度的铜制成，在导体的外面包一层塑料或纸绳予以绝缘。

若干扭绞的线对组成电缆芯，其外层包上护套。