一、問題的提出
目前，我國火電機(jī)組水源地對水井工況的監(jiān)視及控制主要以人工就地操作或水工集控室中控制為主。這兩種方式都采用常規(guī)儀表，設(shè)置單獨(dú)的水泵過流保護(hù)裝置，自動化水平很低，人工就地操作，由于水井位置分散浪費(fèi)大量的人力，水工集控室中控制也會由于水井分散和水源地遠(yuǎn)離控制室而浪費(fèi)大量電纜。基于上述情況，為實(shí)現(xiàn)電力部減人增效、爭創(chuàng)*的目標(biāo)，提高設(shè)備健康水平和設(shè)備自動化水平，實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，為廠網(wǎng)分開打下良好的基礎(chǔ)，經(jīng)過充分調(diào)研，我院和龍口發(fā)電廠決定聯(lián)合研制開發(fā)火電廠水源地?zé)o線遙控及無人值班系統(tǒng)。
二、開發(fā)目標(biāo)
該系統(tǒng)以智能測控前端交流采樣為基礎(chǔ)，以485現(xiàn)場總線和超短波無線通訊為信息通道，以pml3720協(xié)議為信息載體實(shí)現(xiàn)對水源地的遙測、遙控和就地自動綜合保護(hù)，*實(shí)現(xiàn)火電廠水源地供水的綜合自動化，達(dá)到無人值守，大大提高勞動生產(chǎn)率的目的。系統(tǒng)除具備一般計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)外，在場地要求、電纜電臺的架設(shè)等應(yīng)具有較好的靈活性，目的是盡量減少現(xiàn)場改造的工作量，降低現(xiàn)場改造的投入成本，實(shí)現(xiàn)低投入高收效。具體目標(biāo)如下：
1．系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)清晰合理，實(shí)現(xiàn)485現(xiàn)場總線主從通訊方式和無線廣播點(diǎn)對多點(diǎn)通訊方式有機(jī)結(jié)合。
2．就地操作與本地操作、遠(yuǎn)方操作相結(jié)合，通過防誤操作邏輯，確保運(yùn)行、維護(hù)、檢修的安全。
3．通過實(shí)時(shí)功率因數(shù)判斷分析，實(shí)現(xiàn)水井水位報(bào)警，并可以實(shí)現(xiàn)自動保護(hù)跳閘。
4．整個(gè)系統(tǒng)要有很高的可靠性。系統(tǒng)的安全可靠性對運(yùn)行維護(hù)人員的人身安全及電機(jī)使用壽命等有重要影響，因此必須能夠滿足各水泵水井電機(jī)安全運(yùn)行和控制的需要。能夠完成對電機(jī)的過流、過壓保護(hù)，電流電壓不平衡保護(hù)，缺相保護(hù)，較好地實(shí)現(xiàn)水源地綜合自動化。
5．多點(diǎn)監(jiān)視和控制，數(shù)據(jù)分散采集，集中顯示處理。一個(gè)監(jiān)控主站可同時(shí)監(jiān)視控制多個(gè)遠(yuǎn)端站，具體由水源地實(shí)際水井和升壓泵數(shù)目決定。電廠網(wǎng)控室運(yùn)行人員能夠同時(shí)監(jiān)控遠(yuǎn)方水源地的運(yùn)行工況，在*的情況下根據(jù)實(shí)際情況對水源地電機(jī)進(jìn)行啟停操作。
6．系統(tǒng)應(yīng)反應(yīng)快，實(shí)時(shí)性好。采用搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)可集中采集電機(jī)電氣的各種模擬量信息，通過對各種模擬量的分析準(zhǔn)確詳實(shí)的反應(yīng)各電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級和數(shù)據(jù)的重要程度決定處理的先后順序。人工控制命令優(yōu)先級zui高，讀取實(shí)時(shí)諧波等命令優(yōu)先級較低，事件量數(shù)據(jù)重要，需要及時(shí)讀取，正常的電氣運(yùn)行參數(shù)次之，可以定時(shí)讀取。
7．系統(tǒng)應(yīng)具有良好的人—機(jī)界面。運(yùn)行人員可通過屏幕監(jiān)視水井電機(jī)及各升壓泵的當(dāng)前運(yùn)行情況。當(dāng)參數(shù)越*以多種方式顯示報(bào)警信息，利用顏色聲音等多種媒介提醒運(yùn)行人員注意，并對參數(shù)的越限情況進(jìn)行記錄和累計(jì)，為進(jìn)行事故分析，提高電機(jī)的安全運(yùn)行水平起到重要的作用。對不同的操作人員應(yīng)賦予不同的操作權(quán)限，做到權(quán)責(zé)分明。能對不同的系統(tǒng)維護(hù)人員完成本職工作起促進(jìn)作用，也便于工作考核和事故責(zé)任追究。運(yùn)行人員操作界面要靈活、方便、直觀、簡單、易用，應(yīng)滿足經(jīng)短期培訓(xùn)就能熟練操作的要求。
8．系統(tǒng)要便于升級和擴(kuò)充。系統(tǒng)硬件選擇應(yīng)充分考慮先進(jìn)和可靠性，確保投資具有長期有效性。系統(tǒng)軟件應(yīng)考慮方便擴(kuò)充，可配置，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求方便的增加和減少系統(tǒng)控制單位。系統(tǒng)可以控制智能前端的zui大數(shù)量，485現(xiàn)場總線方式zui大可控?cái)?shù)量為（10條485總線）：320臺；無線方式zui大可控?cái)?shù)量為：每個(gè)串口的理論值為：9999。
9．項(xiàng)目實(shí)施費(fèi)用少，運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)方便。系統(tǒng)實(shí)施應(yīng)zui大限度的保護(hù)以往投資，減少新增投入，運(yùn)行期間所需費(fèi)用低，便于維護(hù)。
三、實(shí)施方案
1．系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
主站和子站相結(jié)合，在泵房設(shè)立主站，主站和泵房內(nèi)的子站通過485總線連接，各水井子站通過無線電臺和主站通訊，主站和電廠的網(wǎng)控制室的遠(yuǎn)方子站也是通過無線電臺進(jìn)行通訊。具體結(jié)構(gòu)如下圖：
2．系統(tǒng)硬件配置
在系統(tǒng)硬件配置上，為實(shí)現(xiàn)分散與集中的有機(jī)結(jié)合，具體配置如下：
2．1數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用的是智能測控前端（acm3720）設(shè)備，各測控設(shè)備可就地分散安裝，抗*力強(qiáng)，測量精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，有232和485兩種總線通訊接口，可滿足大量數(shù)據(jù)快速采集的要求。
智能測控前端（acm3720）設(shè)備的主要性能：
a、輸入pt、ct進(jìn)行遙測（采用交流采樣算法可計(jì)算300多個(gè)參數(shù)）
b、4路開入作為遙信（分辨率為1ms，每路均可作脈沖計(jì)數(shù)）
c、3個(gè)繼電器輸出可直接控制開關(guān)的分／合閘繼電器，實(shí)現(xiàn)遙控操作，并可實(shí)現(xiàn)高速定值越限、越限延時(shí)等多種控制保護(hù)功能（過流、速斷、過壓、過負(fù)荷等）
d、1個(gè)輔助電壓輸入（vaux）可測量溫度等非電量
e、soe功能（可連續(xù)記錄100個(gè)事件，分辨率1ms）
f、rs485／rs232通訊口
測量精度：電流、電壓0.2級；功率、電能0.5級該設(shè)備有較高的可靠性，功能強(qiáng)，具有良好的性能價(jià)格比。
2．2由于升壓泵房靠近主站，各水泵監(jiān)控采用485總線電纜直接與監(jiān)控主站相連，通訊數(shù)率zui高19200bps，數(shù)據(jù)傳輸較快。由于各水井分散并遠(yuǎn)離監(jiān)控主站，通過超短波無線數(shù)傳電臺實(shí)現(xiàn)主站和子站間的數(shù)據(jù)通訊。無線數(shù)傳電臺1200bps傳輸數(shù)率已能夠滿足監(jiān)控需要，數(shù)傳電臺時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定可靠，安裝簡單，維護(hù)方便。遠(yuǎn)方子站與主站相距幾十公里，也是通過無線數(shù)傳電臺進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)實(shí)施時(shí)實(shí)現(xiàn)了不同類型儀表均可接人到485總線上達(dá)到對各種不同設(shè)備同時(shí)監(jiān)控的目的。系統(tǒng)的擴(kuò)充性良好，只需在需無線遙控的水井增加智能測控前端（acm3720）設(shè)備及與其連接的無線數(shù)傳電臺，就能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。
2．3主站和遠(yuǎn)方子站都采用新一代工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，抗*力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，防塵，耐高溫，適合在惡劣的環(huán)境下使用，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。
2．4遠(yuǎn)方子站保留網(wǎng)絡(luò)接口，可以實(shí)現(xiàn)加入電廠局域網(wǎng)后多點(diǎn)監(jiān)控。遠(yuǎn)方子站通訊程序設(shè)計(jì)采用的是套接字udp協(xié)議，以廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)，只需將遠(yuǎn)方子站監(jiān)控主機(jī)連人電廠局域網(wǎng)，局域網(wǎng)內(nèi)任何一臺安裝有客戶端軟件的計(jì)算機(jī)上都可以根據(jù)權(quán)限進(jìn)行監(jiān)視或操作。因此將極大方便電廠技術(shù)人員及時(shí)了解水源地運(yùn)行的實(shí)際情況，便于及時(shí)解決處理出現(xiàn)的問題。
3．操作系統(tǒng)和開發(fā)軟件
在系統(tǒng)軟件配置上，選擇了winnt操作系統(tǒng)。winnt是多任務(wù)、多線程、網(wǎng)絡(luò)安全性高的操作系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定，功能很強(qiáng)，具有窗口界面，操作方便，使用簡單，適合在監(jiān)控系統(tǒng)中使用。winnt達(dá)到了美國政府規(guī)定的c2安全級別，winnt安全系統(tǒng)借用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想。內(nèi)部的安全功能既保護(hù)了nt操作系統(tǒng)，又保護(hù)了應(yīng)用程序抵御行為惡劣的應(yīng)用程序的攻擊，對病毒的防護(hù)也起到了一定作用。
3．1軟件設(shè)計(jì)中通訊程序?qū)?shù)據(jù)的采集采用了中斷接收數(shù)據(jù)的方式，使數(shù)據(jù)采集更及時(shí)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
3．2軟件設(shè)計(jì)中通訊程序設(shè)計(jì)成儀表控制和數(shù)據(jù)采集按有優(yōu)先級的輪詢方式進(jìn)行處理，使用戶zui急需的需要得到*先的處理。
3．3軟件設(shè)計(jì)中通訊程序中與遠(yuǎn)方子站的通訊采用的是集中傳送方式，一次性把全部所需數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)方子站，降低數(shù)據(jù)流量，提高通訊效率。
3．4通訊程序采用多線方式，高性能的數(shù)據(jù)采集機(jī)制。
3．5通訊軟件管理軟件的數(shù)據(jù)通訊采用面向非連接的udp協(xié)議，保留網(wǎng)絡(luò)接口，可以與管理信息網(wǎng)連接，把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)焦芾砭W(wǎng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的共享。使用udp協(xié)議優(yōu)于面向連接的tcp協(xié)議的是，不必建立連接就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，并且不需考慮由于連接意外中斷而產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失問題。
3．6開發(fā)多窗口顯示的管理程序。使用共享內(nèi)存技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的快速刷新及各任務(wù)的相互獨(dú)立運(yùn)行。
3．7管理程序中對不同的操作人員賦予不同的操作權(quán)限，做到權(quán)責(zé)分明。操作人員的一切操作都被系統(tǒng)記錄，對不同的系統(tǒng)維護(hù)人員完成本職工作起促進(jìn)作用，也便于工作考核。
四、開發(fā)過程簡介
1、98年7月一98年8月收集資料，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。
2、98年9月無線數(shù)傳設(shè)備選型和現(xiàn)場通訊試驗(yàn)，近距離和遠(yuǎn)距離。解決數(shù)傳電臺rts后延時(shí)問題。
3、98年10月一98年12月基于pml協(xié)議的通訊程序開發(fā)調(diào)試。
4、99年1月一99年4月監(jiān)控軟件開發(fā)調(diào)試。
5、99年4月一99年5月系統(tǒng)現(xiàn)場安裝調(diào)試，系統(tǒng)在龍口發(fā)電廠投入運(yùn)行。
五、解決的技術(shù)關(guān)鍵
1、有線方式和無線方式有機(jī)的結(jié)合在一起。設(shè)計(jì)方案既能滿足主站和操作員站同機(jī)的單機(jī)應(yīng)用，又能滿足應(yīng)用于多個(gè)操作員站的要求。
2、改進(jìn)無線調(diào)制解調(diào)器，增加rts信號延時(shí)電路，解決了智能測控前端與無線數(shù)傳電臺間不能正常進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的問題。
3、實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)監(jiān)視和控制。不僅水控集控室可以對所有水井控制操作，電廠網(wǎng)控室運(yùn)行人員也可以在*的情況下實(shí)現(xiàn)對30公里外的水源地水井運(yùn)行遙控操作。
4、通過實(shí)時(shí)功率因數(shù)判斷分析，實(shí)現(xiàn)水井水位報(bào)警，并可以實(shí)現(xiàn)自動保護(hù)跳閘。
5、基于通訊協(xié)議的通訊程序開發(fā)。網(wǎng)絡(luò)通訊程序既要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和好的實(shí)現(xiàn)算法是通訊程序開發(fā)的關(guān)鍵。在同一網(wǎng)絡(luò)上的不同類型的儀表的兼容使用是高性能通訊程序需要解決的問題之一。通訊程序可以兼容485總線主從通訊方式和無線廣播一點(diǎn)對多點(diǎn)方式。
六、系統(tǒng)主要特點(diǎn)
1．基于工業(yè)現(xiàn)場總線和無線廣播通訊方式的分布式綜合自動化系統(tǒng)。
2．軟件和硬件控制回路防誤操作邏輯設(shè)計(jì)。就地操作與本地操作、遠(yuǎn)方操作相結(jié)合，通過防誤操作邏輯，確保運(yùn)行、維護(hù)、檢修的安全
3．實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)監(jiān)視和控制。不僅水控集控室可以對所有水井控制操作，電廠網(wǎng)控室運(yùn)行人員也可以在*的情況下實(shí)現(xiàn)對30公里外的水源地水井運(yùn)行遙控操作。
4．軟件實(shí)現(xiàn)水井水位報(bào)警，并可以實(shí)現(xiàn)自動保護(hù)跳閘。
5．系統(tǒng)可靠性、綜合自動化程度高。
測控單元集數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、控制、保護(hù)智能化一體化。系統(tǒng)故障不影響就地測控單元的正常運(yùn)行，就地某一測控單元故障不會影響其他測控單元的運(yùn)行。
6．系統(tǒng)安裝工作量小，調(diào)試時(shí)間短。
只需通過一根通訊電纜把泵房采集設(shè)備與主站計(jì)算機(jī)連接起來。各水井子站只需增加控制儀表和無線數(shù)傳電臺，就可以采用統(tǒng)一的通訊協(xié)議把大量的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)。這種技術(shù)極大的減少了現(xiàn)場工作量和資金投入。
7．系統(tǒng)簡單易用，維護(hù)方便。
系統(tǒng)人—機(jī)界面良好，只需對操作人員進(jìn)行簡單介紹，操作人員就能熟練使用。
8．系統(tǒng)配置靈活，可擴(kuò)充性強(qiáng)。
可根據(jù)具體需要對系統(tǒng)進(jìn)行裁減，485總線方式zui多可監(jiān)控共10個(gè)網(wǎng)絡(luò)320個(gè)測控單元；無線方式理論上每個(gè)串口zui多可控制9999個(gè)測控單元；有主站并可有一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)方子站。
本項(xiàng)目在龍口發(fā)電廠大力支持和協(xié)作下完成，于99年6月在龍口發(fā)電廠投入實(shí)際運(yùn)行，已取得了良好的應(yīng)用效果。由于本系統(tǒng)采用工程化、標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)模式，采用工業(yè)現(xiàn)場總線和無線廣播通訊方式相結(jié)合的分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)科學(xué)、功能完備，通用性和可擴(kuò)充性好，易于使用和維護(hù)，能夠適用于各類火力發(fā)電廠和環(huán)保監(jiān)測、分散監(jiān)控等領(lǐng)域，具有十分廣闊的推廣應(yīng)用前景。隨著該產(chǎn)品的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，將發(fā)揮更大的作用，產(chǎn)生更多的社會和經(jīng)濟(jì)效益。