經(jīng)過多年努力,，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在水電廠及其它領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。對于水電廠來說,，采用一套結(jié)構(gòu)合理,、功能完善、可靠性高,、人機(jī)界面友好的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),，是水電廠提高安全生產(chǎn)水平，實現(xiàn)“無人值班（關(guān)門運行）”的環(huán)節(jié),。非?？上驳氖牵?jīng)過國內(nèi)同行們的努力,，國內(nèi)計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展很快,，已經(jīng)接近或達(dá)到同類產(chǎn)品的國際先進(jìn)水平。

　　隨著近幾年計算機(jī)硬件,、軟件的快速發(fā)展,，國內(nèi)計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)不斷得到發(fā)展。本文作者參加了清江隔河巖水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造工程,，現(xiàn)就該廠LCU改造的特點,，改造中所采用的新技術(shù)及LCU新型結(jié)構(gòu)，進(jìn)行初步探索,，談一下個人的看法,，不當(dāng)之處，希望批評指正,。

　　1．監(jiān)控系統(tǒng)改造的目標(biāo)

　　隔河巖水電廠原采用加拿大的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),，已穩(wěn)定運行多年，為該廠安全生產(chǎn)及創(chuàng)國內(nèi)一流水電廠作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn),。但隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,，對電力系統(tǒng)、對電廠的要求越來越高,，向國際的一流水電廠的技術(shù),、管理水平看齊，創(chuàng)建國際一流水電廠,，從而實現(xiàn)管理水平高,、技術(shù)先進(jìn)、人員進(jìn)一步精練,、關(guān)門運行的目標(biāo),，勢在必行。一方面,，原有的系統(tǒng)功能已不能滿足要求,，另一方面?zhèn)淦穫浼嗀浽絹碓嚼щy,，而且價格非常高，對電廠的安全運行形成隱患,。為此對老系統(tǒng)必須進(jìn)行更新改造,，以便為創(chuàng)國際一流水電廠打下堅實的基礎(chǔ)。對于LCU,，改造的方法是：現(xiàn)地設(shè)備僅保留原有的盤柜柜體,、自動準(zhǔn)同期裝置和24V電源、照明等少量附件,，其它全部拆除，取而代之的是新的LCU,，采用施耐德公司Quantum 系列PLC作為控制器,。中國水利水電科學(xué)研究院自動化所提供了五套LCU，本文作者參加了LCU的研制,、現(xiàn)場安裝調(diào)試等改造工作,，本文是對改造工作的總結(jié)和思考。

　　2．LCU改造的特點

　　2．1控制流程方式不同

　　原監(jiān)控系統(tǒng)是加拿大CAE研制的,，CAE的模式與國內(nèi)的一貫做法有很大差異,。比如，開機(jī)有九大步,，停機(jī)也有九大步,。對于常規(guī)水電廠的機(jī)組，而我們的一貫做法是五態(tài)轉(zhuǎn)換,，所謂五態(tài)即停機(jī)態(tài),、空轉(zhuǎn)態(tài)、空載態(tài),、發(fā)電態(tài),、不定態(tài)（前四種狀態(tài)中過渡狀態(tài)稱為不定態(tài)）。（對于有調(diào)相任務(wù)的機(jī)組,，還有調(diào)相態(tài),；對于抽水蓄能機(jī)組，還有水泵態(tài),；但不在討論的常規(guī)機(jī)組范圍之內(nèi),。）機(jī)組一定處于五種狀態(tài)之中。機(jī)組的開機(jī),、停機(jī),、解列、解列后并網(wǎng)等操作,，不過就是機(jī)組在的停機(jī)態(tài),、空轉(zhuǎn)態(tài),、空載態(tài)、發(fā)電態(tài)四種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換,。雖然兩種表示方法實質(zhì)是一致的,，但習(xí)慣于五態(tài)轉(zhuǎn)換的人，要熟悉開機(jī),、停機(jī)各九大步,，需要一定的時間?？紤]到電廠從運行人員到檢修維護(hù)人員都諳熟這開,、停機(jī)九大步這一因素，雖然編程與調(diào)試都需要付出較大的努力去適應(yīng),，還是采用了原來的開,、停機(jī)九大步形式，以方便電廠人員的運行與維護(hù),。

　　2．2使用結(jié)構(gòu)化文本語言來編程

　　原有計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的LCU的程序是使用文本化語言編寫的,，它的風(fēng)格與C語言相類似。與機(jī)組開停機(jī)形式采用各九大步相類似,，由于電廠維護(hù)人員熟悉文本化語言,，要求全部采用文本化的編程語言編寫LCU的程序。在使用可編程控制器（以下稱為PLC）時,，我們通常使用梯形圖的語言,。它的好處是編程易學(xué)、直觀,、與電氣二次展開圖極為相似,，非常適合電廠人員掌握，可以使現(xiàn)場維護(hù)人員方便的進(jìn)行對程序的維護(hù),。在隔河巖計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU部分改造中,，采用了施耐德（Shneider）公司的Quantum 系列PLC，編程軟件采用Concept2.2,。該軟件支持國際電工委員會IEEE1131的標(biāo)準(zhǔn)的全部五種語言,，即：支持FBD（Function Block Diagram功能塊圖）、SFC（Sequential Function Chart順序功能圖）,、LD（Laddar Diagram梯形圖）,、ST（Structured Text結(jié)構(gòu)化文本）和IL（Instruction pst指令表）五種語言。前三種語言是圖形方式,，后兩種是文本方式,。由于指令表IL語言指令的特點，具有可讀性差,，指令簡單,，不直觀,，可移植能力差，非結(jié)構(gòu)化文本（有JUMP指令）,，數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng)（無循環(huán)FOR語句）,，只能適合較小規(guī)模的控制。ST語言是一種結(jié)構(gòu)化的文本語言,。它與C語言很相似,。它不僅具有豐富的邏輯處理能力，它還具有IF,、CASE,、FOR、WHILE,、REPEAT,、EXIT、EMPTY等語句,，數(shù)據(jù)處理能力非常強(qiáng)，沒有GOTO,、JUMP或類似的指令,。因此，它的移植性很好,有利于程序的標(biāo)準(zhǔn)化,。它與FBD,、LD、SFC相比,，不夠直觀,，與電氣二次展開圖相去較遠(yuǎn)。另外,，它的不足之處是占用較多內(nèi)存且掃描周期要長一些（均與FBD,、LD、SFC相比）,。上面提到了LD語言的一些優(yōu)點,，F(xiàn)BD圖與電氣二次的原理圖更接近。FBD,、SFC,、LD都不具備IF、CASE,、FOR,、WHILE、REPEAT,、EXIT,、EMPTY等語句,，數(shù)據(jù)處理能力不夠強(qiáng)。根據(jù)我個人使用情況,，比較可取的方法有：（1）全部使用ST,；（2）使用ST與FBD相結(jié)合；（3）使用ST與LD相結(jié)合,。（2）和（3）兩種方法能夠?qū)煞N語言的特點結(jié)合起來,，是比較好的方式。因為用數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的文本化語言處理數(shù)據(jù),，用直觀性好的LD或FBD編制順控流程,，現(xiàn)場的技術(shù)人員能夠比較容易接受、容易理解,、容易接受?，F(xiàn)場的技術(shù)人員最關(guān)心的是順控流程。我個人比較傾向
于（3）的方式,。

　　但是對于熟悉使用C語言或類似C語言的其它文本化語言的工程技術(shù)人員來說,，或者對于特別復(fù)雜的順控流程用LD或FBD實現(xiàn)很困難的情況，使用結(jié)構(gòu)化文本ST語言是一個明智的選擇,。隔河巖的情況就是這樣,，他們原來加拿大CAE計算機(jī)監(jiān)控的LCU的全部流程是用類似C語言的文本化的語言編制的，他們的機(jī)組順控流程也很復(fù)雜,，因此電廠要求所有流程使用ST語言編制,。這樣，改造后的LCU的程序,，與原來的程序風(fēng)格上接近,，電廠的技術(shù)人員比較容易理解和維護(hù)。實踐證明,，選擇ST語言是正確的,。

　　2．3 PLC直接上網(wǎng)經(jīng)過多年探索和實踐，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用分層,、分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，也就是按照被控設(shè)備分成單元，即LCU?，F(xiàn)在較為普遍的LCU一般由工控機(jī),、控制器（PLC：用于數(shù)據(jù)采集和控制）、自動準(zhǔn)同期裝置,、轉(zhuǎn)速裝置,、變送器、電源等附件組成。工控機(jī)作為計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)上的一個結(jié)點,，各種數(shù)據(jù)經(jīng)過工控機(jī)送到網(wǎng)上各個結(jié)點,，控制命令經(jīng)工控機(jī)下達(dá)到控制器等設(shè)備。因此工控機(jī)的可靠性顯得非常重要,。雖然工控機(jī)是工控產(chǎn)品,，由于它的風(fēng)扇、硬盤驅(qū)動器,、軟驅(qū)等旋轉(zhuǎn)部件的存在,，可靠性就有所降低。針對這種情況,，人們把眼光紛紛投向以太網(wǎng),，考慮PLC的直接上網(wǎng)。現(xiàn)在國際上知名的幾大廠家的PLC均能夠?qū)崿F(xiàn)直接上網(wǎng),，如施耐德公司全線的Quantum系列,、Premium系列等、通用電氣公司GE90-70系列,、GE90-30系列,、VersaMAX系列等、西門子公司的有關(guān)PLC,、羅克韋爾PLC的有關(guān)系列控制器,。

　　在隔河巖計算機(jī)監(jiān)控改造工程中，采用了直接上網(wǎng)的形式,。但它的結(jié)構(gòu)還是符合分層分布（單元）式的結(jié)構(gòu)原則,。這種結(jié)構(gòu)是符合“無人值班（關(guān)門運行）”的目標(biāo)的,。

　　2．4 冗余結(jié)構(gòu)

　　雙機(jī)熱備冗余

　　現(xiàn)在PLC的可靠性是很高的,，但為了把大型、特大型機(jī)組的可靠性提高到更高的水平,，特別是滿足隔河巖這種大型骨干電廠“無人值班（關(guān)門運行）”對LCU的要求,，同時也利于維護(hù)（一臺運行，另一臺可處于編程狀態(tài)）,，采用了雙機(jī)（CPU）熱備結(jié)構(gòu),。雙機(jī)熱備的實現(xiàn)有兩種放方式，一是硬件方式,，一是軟件方式,。硬件方式如施耐德公司Quantum系列PLC雙機(jī)熱備、通用電氣公司GE90-70系列雙機(jī)熱備等,；軟件方式通用電氣公司GE90-30系列雙機(jī)熱備有一般硬件的方式性能比較好,。但是不管那種方式，都要達(dá)到無擾切換。也就是切換的過程要保證控制連續(xù)進(jìn)行,、數(shù)據(jù)不丟失,。這一點是非常重要的。

　　在隔河巖計算機(jī)監(jiān)控改造工程中,，采用了施耐德公司Quantum系列PLC雙機(jī)熱備結(jié)構(gòu),。當(dāng)主控CPU故障或電源失去時，自動切換到備用CPU,，備用CPU自動升為主控CPU,，實現(xiàn)無擾切換。當(dāng)進(jìn)行維護(hù)時,，可以手動進(jìn)行主,、備單元的切換。這樣,，可以提高可靠性指標(biāo),。

　　光纖以太網(wǎng)冗余

　　對于LCU來說，它與系統(tǒng)的其它結(jié)點的連接方式,，或說組網(wǎng)方式,，現(xiàn)在普遍采用以太網(wǎng)，而且采用光纖作為介質(zhì),。單網(wǎng)的可靠性已經(jīng)很高,，但考慮其它不可預(yù)見的機(jī)械物理上的等因數(shù)，可以考慮采用雙光纖以太網(wǎng),。

　　隔河巖計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用了雙光纖以太網(wǎng),。從LCU（PLC）而言，它的雙光纖以太網(wǎng)工作方式不需要切換,，而且是同時工作（ALL IN WORKING）的方式,。這樣，不需要切換,，一旦一號網(wǎng)故障,，二號網(wǎng)可以零時間切換過去。由此可以獲得很高的性能,。這是由Quantum系列PLC的以太網(wǎng)實現(xiàn)的功能,。

　　與遠(yuǎn)程機(jī)箱的聯(lián)結(jié)電纜冗余

　　一般情況，一個LCU單元需要幾個擴(kuò)展機(jī)箱,。如隔河巖項目,，它有五個擴(kuò)展機(jī)箱。在Quantum系列PLC上,，它有兩種連接方式,，一種是遠(yuǎn)程RIO（Remote Input/Output）方式，一種是分布DIO（DistributedInput/Output）方式。隔河巖項目采用的是RIO方式,，它的擴(kuò)展機(jī)箱稱為遠(yuǎn)程站（RemoteDrop）,。

　　一般情況下，主機(jī)箱采用與擴(kuò)展機(jī)箱采用單纜連接已經(jīng)足夠,。但采用雙纜可以獲得更高的可靠性,。如在龍羊峽水電廠，單機(jī)32萬千瓦,，PLC的主機(jī)箱在上游側(cè),，其中一個遠(yuǎn)程站在下游側(cè)。在該電站,，采用雙纜連接主機(jī)箱與該遠(yuǎn)程站,，一跟從左側(cè)走線，一跟從右側(cè)走線,，這樣一旦一側(cè)有火災(zāi),、機(jī)械損傷等不可預(yù)見性的因素，不影響系統(tǒng)的正常運行,。

　　在隔河巖計算機(jī)監(jiān)控改造工程中,，也采用了雙纜的結(jié)構(gòu)。

　　輸入冗余

　　一般來說,，輸入的冗余應(yīng)該采用三取二的方法,，即少數(shù)服從多數(shù)的方法。通用電氣公司GE系列PLC 有這樣的硬件結(jié)構(gòu),，從CPU,、輸入、輸出都三重冗余,，以滿足可靠性極高的情形,，如冶金領(lǐng)域的高爐。但是它的投資大,，在水電行業(yè)實在沒有必要,。但是,，對于少數(shù)重要的信號,，如用于事故停機(jī)、緊急事故停機(jī)的信號,、重要設(shè)備如出口斷路器的狀態(tài)信號有兩路信號輸入,，就存在如何處理的問題。在隔河巖計算機(jī)監(jiān)控改造工程中,，就遇到這樣的問題,。處理的方法是采用安全傾向因子，在不同的狀態(tài)、過程中,，可以采用不同的安全傾向因子,，這樣用一對冗余信號加一組安全傾向因子，就可以得到在不同的狀態(tài),、過程中一組信號,。一個安全傾向因子可以是幾個甚至更多個信號的邏輯運算結(jié)果。

　　5）輸出冗余

　　對于部分重要設(shè)備,，如滅磁開關(guān),、出口斷路器，為保證其在任何情況下的高可靠性動作,，需要對每一個這樣的設(shè)備配置兩個開出通道,，即配置冗余的通道，已保證其可靠性,。有些電廠的出口斷路器,。如隔河巖的，分閘就是兩個線圈,，正常工作線圈和后備線圈,，任何一個線圈勵磁，斷路器都會分閘,。實際上就是設(shè)備的冗余,。國電公司在“無人值班（關(guān)門運行）征求意見稿”中有過這樣的要求。

　　一般,，冗余的通道動作策略有兩種：

　　一種是采用兩個冗余通道同時動作的策略,；

　　另一種是采用在第一個通道動作失敗后，冗余的第二通道再動做的策略,。

　　顯然同時動作不是很好,，因為正常情況下，設(shè)備會正常動作,。這種情況下,，第二通道動作沒有必要，可能造成第一通道動作失敗后,，第二冗余通道動作不能正常動作,。

　　采用后一種辦法較好。監(jiān)視第一個通道動作,，在一定時間內(nèi),，狀態(tài)沒有反饋回來，第二通道動作,。這樣,，第二通道幾乎沒有“表現(xiàn)的機(jī)會”,，一旦讓他表演，他會“準(zhǔn)確而恰如其分地表演”,。 在隔河巖計算機(jī)監(jiān)控改造工程中,，就是采用這種方案，取得了比較理想的效果,。

　　電源的冗余

　　電源的重要性不言而喻,。再好的設(shè)備，不提供電源,，什么都無從談起,。在隔河巖計算機(jī)監(jiān)控改造工程中，采用了電源冗余技術(shù),。隔河巖電廠的主電源為DC110V,，I/O電源為DC24V。在遠(yuǎn)程站中,，采用兩塊電源模塊相冗余,，在CPU機(jī)箱采用單電源（每一個CPU機(jī)箱占用獨立的底板）。電廠提供兩路DC110V電源,，一路DC110V電源提供給其中一個CPU機(jī)箱電源模塊和遠(yuǎn)程站的一個電源模塊,，另一路DC110V電源提供給另一個CPU機(jī)箱電源和遠(yuǎn)程站的另一個電源模塊。兩路DC110V各通過DC/DC轉(zhuǎn)換產(chǎn)生DC24V,，兩路DC24V之間形成冗余,。正常情況下，兩路DC110V都供電,，兩個CPU機(jī)箱一主一備正常工作,，DC24V正常工作，遠(yuǎn)程站上的兩塊電源各承擔(dān)該機(jī)箱一半負(fù)荷,。當(dāng)一路DC110V故障時,，其中一個CPU機(jī)箱能夠正常工作（當(dāng)備用CPU機(jī)箱上電源失去時，沒有什么操作,，也沒有什么影響,。當(dāng)主用CPU失去電源時，備用CPU無擾動切成主CPU）,，一路DC24V正常工作,，遠(yuǎn)程站上的其中一塊電源承擔(dān)該機(jī)箱全部負(fù)荷。這樣就實現(xiàn)了電源的冗余,。

　　2．5 交流采樣與變送器

　　交流采樣的使用越來越多,，大有代替變送器的趨勢,。但是,，現(xiàn)在對于交流采樣的理解不是那么清楚,。隔河巖計算機(jī)監(jiān)控改造工程中，關(guān)于交流采樣與變送器處理與使用是比較恰當(dāng)?shù)?、合適的,，是值得其它電站（廠）借鑒的。這里所說的合理與恰當(dāng),，當(dāng)然指的是交流量的處理,，因為現(xiàn)在對于直流及非電量只能采用變送器進(jìn)行采集處理。具體處理方法是：對于機(jī)組同期,、機(jī)組有功功率,、機(jī)組電壓（無功功率）、導(dǎo)葉開限等實時性,、可靠性要求高的控制環(huán)節(jié),，采用變送器。而采用交流采樣裝置采集發(fā)電機(jī)的三相電流,、三相電壓（相,、線）、有功功率,、無功功率,、功率因數(shù)等電氣參數(shù)。

　　2．6采用CableFast快速配線系統(tǒng)

　　按照常規(guī)的接線方式,，各種I/O模塊到盤柜端子需要配線,。隔河巖水電廠機(jī)組單機(jī)容量大，考慮的較完善,，因此I/O點數(shù)多,。開關(guān)量輸入有320點，開關(guān)量輸出有128點,，溫度點數(shù)有64點,，非電氣模擬量輸入有32點，模擬量輸出8點,。共有I/O模塊25塊,，每個模塊有40端子需要與端子現(xiàn)聯(lián)，至少要有1000線需要接,。但現(xiàn)場安裝改造時間非常有限,，必須采取效率更高的方法。采用施耐德的快速接線系統(tǒng)CableFast是一種好的解決方法,。CableFast快速配線系統(tǒng)是施耐德公司的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,，它將Quantum 接線端子與端子塊預(yù)先用電纜連接好，端子塊可以直接安裝在DIN導(dǎo)軌上,，外部接線可以直接接在端子塊上,，這樣就減少了配線的工作量,，節(jié)省了大量時間，是一種比較好的方式,。

　　2．7精心設(shè)計認(rèn)真準(zhǔn)備

　　為了使現(xiàn)場的配線,、改造的工作量最小，也為以后的維護(hù)方便,，需要精心地進(jìn)行設(shè)計,。合理布局，合理配置,。一般外部端子接線不要改變,，這樣就可以減少施工時間。另外,，要進(jìn)行充分的準(zhǔn)備,，各種配件、各種工具等,，否則就會影響工期,。在隔河巖現(xiàn)場改造過程中，我們較好解決了這個問題,，使得現(xiàn)場的改造,、裝配工作有條不紊地進(jìn)行，在保障工期地前提下,，使裝配地工藝操作原進(jìn)口設(shè)備地工藝水平,，得到電廠地好評。

　　3．結(jié)語

　　在清江隔河巖水電廠現(xiàn)地控制單元（LCU）改造中,，在結(jié)構(gòu),、技術(shù)路線、實現(xiàn)方法上都有所創(chuàng)新,。主要體現(xiàn)在水電行業(yè)首次使用QUANTUM PLC 直接上網(wǎng)（取消工控機(jī)）,，體現(xiàn)在采用了雙機(jī)熱備冗余、雙網(wǎng),、部分I/O冗余及電源的冗余,。

　　隔河巖水電廠的LCU尤其是機(jī)組LCU I/O點數(shù)多，是一般同規(guī)模機(jī)組的3到4倍,。而且監(jiān)控系統(tǒng)的改造要求高,，特別是時間短。在不到三周的時間里,，要進(jìn)行現(xiàn)場安裝,、配線、調(diào)試,，時間非常緊,。經(jīng)過與電廠等有關(guān)方面的積極配合,，隔河巖水電廠計算機(jī)改造工程已基本完成。目前,，設(shè)備運行良好,，預(yù)期的目標(biāo)基本實現(xiàn),，效果是好的,。