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基于OPC技术的变电站自动化系统 |
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| 基于OPC技术的变电站自动化系统 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 9:40:11  |
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李向荣1，冯庆东2，张海忱2
0 引言
过程控制中的对象链接和嵌入技术［OLE（Object Linking and Embedding，OLE）for Process Control，OPC］是一种先进的过程控制技术，拥有强大的过程控制能力，可实现集成自整定、优化变电站控制等多种先进控制算法，且具有灵活的产品组态。采用OPC技术可使整个变电站自动控制系统完全基于现场总线技术，全面支持ProfibusDP、兼容基金会现场总线（Foundation Fieldbus，FF）和CAN（Control Area Network）总线，可以灵活的接入变电站现场的各种仪表、传感器和执行机构，并可为变电站设备提供预知性维护信息[1]。OPC系统基于Internet技术，使用户可以通过互联网浏览整个变电站现场的情况，进行远程设备维护和专家会诊[2]。由于OPC系统基于开放的微软和英特尔软硬件平台，具有高可靠性，所以可充分满足电力行业不同电压等级变电站自动化的需求。
采用OPC技术开发的变电站自动控制系统可提供多种开放性标准连接，用户可以将变电站控制信息轻松集成在电力企业内部各种应用系统和应用程序中，易于连接电力企业资源规划（Enterprise Resources Planning，ERP）及管理信息系统（Management Information System，MIS），易于实现电力企业管理控制一体化和集成设备管理系统（Device Management System，DMS），使处于电力市场环境下的整个电力企业各种信息系统完全整合，以满足更多的决策需求，避免出现自动化孤岛现象。信息系统的高度集成有利于电力企业在竞争日益激烈的电力市场环境中迅速作出决策，适应电力市场需求，快速调整电力商品供求关系，从而为企业带来更大的效益。
1 现场总线
近几年，随着计算机技术、通信技术、信息技术、集成电路技术以及智能传感技术的发展而出现的现场总线技术，给电力工业控制领域带来了一场深刻的革命。现场总线代表了一种具有突破意义的控制思想，改变了原有的控制体系结构，能够真正做到危险分散、控制分散、集中监控和全数字化。现场总线技术具有以下特点：
（1）采用现场总线的智能仪表可以提供更多的信息，从而可以使供电企业能够对设备进行预知性检修和更换。由于采用全数字化的串行通信，能够做到功能完全分散，从而使变电站自动化系统的复杂性和成本大大降低。
（2）变电站内的各种仪表可通过现场总线与集控操作站连接，使控制器和I／O子系统大大减少。部分现场仪表也可以执行控制和计算，从而减少了电缆数量及其带来的施工和布线负担，降低了整个变电站建设项目成本，也减轻了调度主站系统信息处理的负担。
（3）变电站一般都具有很强的干扰源，由于采用全数字化的现场总线技术，具有很好的抗干扰性，使信号的衰减可以忽略，因此整个变电站自动化系统鲁棒性更强。全数字化的通信采用多种纠错机制，可以保证变电站自动化系统与电网调度通信的可靠传输。
（4）开放性的国际标准，使用户可以灵活选择不同厂家提供的智能仪表和控制设备，从而扩大了可监控对象的范围和领域，增加了系统的互操作性和互换性[3]。
（5）广泛支持当今流行的现场总线标准，使用户的以往投资和长远利益得到有效保护。
（6）仪表和设备管理系统可集成在系统中，可帮助电力企业减少停电时间。基于现场总线的仪表和设备还可以提供多种预知性维护信息。
2 FCS控制系统
在自动控制领域里，一般把20世纪70～90年代称为分布控制系统（Distribution Control System，DCS）时代，到2000年自动控制技术开始进入一个崭新的发展阶段，即现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）时代。自动控制系统的发展过程见图1。以往的控制系统不是专为现场总线的智能变送器而设计的，因此没有意识到变电站各种仪表本身所能提供的多种信息。
图1 自动控制系统的发展过程
3 开放的标准OPC
OPC技术采用微软面向工业过程控制的对象链接和嵌入方法，确保变电站自动控制系统轻松集成各种现场设备，而不会有任何驱动程序上的困扰。OPC功能确保最大限度的集成变电站现场数据，从而为供电企业ERP提供更多的数据和信息，以支持企业的决策和管理。这种高度的数据共享，避免了以往自动控制系统容易出现的自动化孤岛现象。OPC的工作原理见图2。
图2 OPC工作原理图
快速高效的服务器每秒可以交换几千个以上的数据，系统在拥有数据共享灵活性的前提下保持了系统的高性能。OPC服务器可以为电力企业内部的各种信息系统访问变电站自动控制系统中的各种实时数据和历史数据提供环境，甚至可以在办公软件Word或Excel中引用现场数据，这使报告或报表的数据能更真实的反映电力生产实际；OPC客户端可将各种提供OPC驱动程序的设备集成在系统中，任何支持OPC的设备和软件都将成为系统的一个部分。采用OPC技术，也为客户提供了更多的硬件选择，使系统集成更加方便[4]。传统的软件接口见图3。
图3 传统的软件接口
4 支持Internet功能
把Internet技术和变电站自动控制系统连接起来，使自动化专业工程师可以实时的了解电力生产现场每分每秒正在发生的情况。OPC完全基于TCP/IP协议，可以接入Internet/Intranet/Extranet，用户既可以在中心站远程操作和浏览现场的生产情况，也可以在任何地方对全供电公司的各个变电站进行管理，并可以做到：
(1)随时随地的了解现场信息。OPC提供的实时数据和历史趋势将会帮助供电公司解决经营管理问题并做出各种合理的经营决策。
(2)通过合作与共享信息，减少所需资源，使电力企业的各种相关管理人员可以获得更多的信息。仪表维护工程师可以通过提供的预知性维修信息减少在电力企业大修期间需要拆装的仪表数量，从而减少停电时间，增加企业的经济效益。
(3)供电公司内部所有与企业相关的管理人员都可以通过办公室的网络了解到各自需要的信息，而不必像以往那样再让所有人员亲临现场。
(4)如果偏远变电站重要的生产设备出了故障，设备的供应商可以通过远程诊断，提供及时和专业的指导，帮助用户尽快消除故障问题，恢复生产，减少不必要的损失。
(5)所有人员只需使用浏览器软件，无须专门软件和培训。
5 管理控制一体化
现在，信息正日益成为提高产品质量、最大限度地提高生产效率的关键所在。采用新一代变电站自动化系统，可以连接供电企业的ERP系统。企业的各个部门可以掌握更多的生产信息，从而为最终用户提供更好的服务。财务部门能够迅速直接了解本公司的售电量，以及银行电费到位的情况。在电力市场环境下，供电企业实现管理控制一体化尤为重要，它可以帮助企业在竞争中赢得主动，抢占先机。
6 OPC体系结构
OPC体系结构见图4，它具有以下特点：
图4 OPC体系结构
（1）实时性。控制器CPU采用Pentium级芯片，基于ONX嵌入式实时操作系统，保证控制精确、实时、高效。
（2）可靠性。采用多种冗余结构（网络、控制器、电源模件、I/O模件）系统安全、稳定、可靠。
（3）先进性。灵活的客户/服务器架构，适合大规模系统的I/O、报警、报表、趋势分析，Time服务器可分布式设置，既保证数据的一致性，又可使负荷均担。OPC还具有功能丰富的HMI人机界面，灵活强劲的控制软件，支持离线仿真和在线下装。
（4）经济性。现场总线的系统设计，有效节约整体项目投资，降低运行维护成本。TCP/IP技术使网络构成简单且可使用Internet进行远程浏览和访问。
（5）易用性。智能设备管理，故障诊断，精度校正，带电插拔，丰富的人机界面和整个系统的人性化设计。
（6）延续性。操作站采用通用软/硬件平台，可跟随信息技术的不断提高而同步升级。
6.1 网络操作系统
新一代变电站自动化系统应采用Windows NT作为自己的网络操作系统，采用用户所熟悉的平台，易于用户使用并与其他软件集成，从而减少用户的学习培训时间、增加系统的开放性和灵活性。应符合标准的客户/服务器（Client/Server）架构，这种架构代表了DCS的发展趋势。
6.2 分布式数据库
在一个大规模系统中，用户可分布处理大量数据以减轻单机负荷。OPC服务器的功能可分为5个任务：①I/O服务器；②监视和报警服务器；③报表服务器；④历史趋势服务器；⑤Time服务器。
6.3 全面冗余
服务器软件采用动态容错技术，双服务器各自独立运行应用软件，通过可靠的手段保持双机的同步和数据互备。主要包括：①网络冗余；②控制器冗余；③I/O冗余；④I/O Server冗余；⑤操作站冗余。
6.4 控制站系统
实时多任务嵌入式操作系统可运行于Intelx86、Pentium、Power PC等多种硬件平台上，遵循POSIX1003标准设计，是多任务、多用户、分布式、实时的嵌入式操作系统，真正多进程并行运算，支持多处理机，可定制系统内核，内核小而精（最小可到几十KB），管理内存空间大。支持TCP/IP协议、支持Internet远程访问与调试，I/O现场控制站主控单元采用奔腾级CPU，环行Profibus DP现场总线拓扑结构，通信速度最大12Mbps，保证通信的实时性，I/O现场控制站操作系统采用支持多CPU并行处理技术和多任务的ONX操作系统，每一个现场I/O控制站均为双冗余的主控单元。
6.5 现场I/O模件
现场I/O模件均为带微处理器的智能模件，模拟量输入/输出路路隔离，所有I/O模件的生产均采用目前世界上最先进的SMT表面贴装技术，双冗余的模拟量输入/输出，开关量输入/输出模件。
6.6 系统指标
输入变化到显示变化的时间小于采样周期+1s；操作输出到实际输出变化的时间小于1s；画面切换时间小于1s；回路控制周期最快为20ms；逻辑控制周期最快为5ms；SOE分辨能力小于1ms。
标准控制站实测指标（单个控制站）：系统总点数为500点；模拟量输入为300点；模拟量输出为100点；数字量输入/输出为100点；控制回路有70个单回路PID，30个串级PID；控制算法为PID及串级控制；回路控制周期为50ms；快速回路控制周期为10ms；逻辑控制周期为5ms。
6.7 易于维护
应用OPC技术可以使变电站自动控制系统危险分散，每个I/O模件的模拟量输入/输出均采用8点/模件，开关量输入/输出采用16点/模件的规模，使系统的物理点更加分散，单个模件的故障不会影响其他设备。
采用现场总线将单个设备的功能减至最少，提高了系统的可靠性，而且提供了丰富的硬件冗余，如总线冗余、操作站冗余、电源冗余等。无扰电源切换，保证对现场仪表的供电，用户也可以选择UPS对系统供电。现场总线保证数据的有效性和高层次的完整性，而这些功能在以往为4～20mA而设计的系统中是根本无法做到的。
每个I/O模件均内置有微处理器，可自动进行系统自检、输出回读、通信等检验，出现故障时自动进行报警提示，用户可以做到快速发现和维修。所有I/O模件均可带电插拔，使单个模件出现的故障可以快速得到解决，把他对系统的影响减少到了最小。更换单个故障模件时，无须改动原有系统的接线，减少了更换I/O模件时的工作量。
7 软件系统
软件包括：控制器软件，负责系统控制站控制程序的生成与维护；现场控制器运行软件，负责系统控制站控制程序的运行；人机界面软件，负责系统的在线监视、操作、控制、调试、维护；WebView软件，负责Internet浏览；OPCPaCket是OPC工具包软件；DMS软件，负责设备管理。
7.1 控制器软件
控制器软件具有离线仿真、在线下装并支持算法离线仿真调试，有效提高工程效率，减少错误率及降低危险性等优点：①脱离控制器组态和仿真调试；②可设置断点、监视变量；③单步执行、单循环执行；④跳入执行、调出执行；⑤查看调用栈、显示流控制；⑥强制输出。
支持数据的在线增量无扰下装，数据库下装支持增量下装和全部下装2种方式。支持数据回读功能，可从控制器中读取当前工程的全部数据，包括所有参数。ConMaker开发资源管理器，可进行资源切换、工程结构设计、程序编辑器、库管理器、交叉引用表、调用树、信息窗口设计。ConMaker具有丰富的控制算法库，包括算术运算函数、类型转换函数、紧急事件函数、连续控制函数、文件操作函数、定时器／计数器／触发器函数。
7.2 功能强大的开发语言
采用符合IECl l31-3标准的编程语言，Excel可导入或导出Facview数据库，加快工程组态进度，防止出错。5种控制编程语言相互引用，进行控制算法（及内部计算）的组态，即设备组态、数据库组态、控制方案组态、图形组态、报表组态。系统应具有灵活的Visual C++、Visual Basic应用接口，无级缩放的矢量动画功能，可在任何应用程序中灵活方便地调用自定义函数块。
7.3 支持Active X控件
系统可方便使用第三方控件，用户可通过多种途径获得众多实用的工程控件，通过使用自定义控件可将彼此相关的对象、静态数据、动态数据合并为一体，作为单独的对象使用，使用控件可完成用户定义的弹出式控制器界面。集中参数组态，批量界面组态，批量的设备操作与控制，可将控件保存为专门的库文件反复调用。
7.4 报表和统计
支持Excel格式、RTF格式、TXT（普通ASCII文本）、DBF（数据库文件）等多种形式的报表。系统提供来自于各种工业现场实践的统计功能，如最大值、最小值、平均值等。
8 结束语
随着计算机技术、通信技术、信息技术以及智能传感技术的发展而出现的现场总线技术，给电力工业控制领域带来了一场深刻的革命。采用OPC技术可使整个变电站自动控制系统完全基于现场总线技术，并可为变电站设备提供预知性维护信息。OPC系统基于Internet技术，可进行远程设备维护和专家会诊。OPC系统还具有很好的开放性，易于实现电力企业管理控制一体化和集成设备管理系统，使处于电力市场环境下的整个电力企业各种信息系统完全整合，以满足更多的决策需求，避免出现自动化孤岛现象。
9 参考文献
1 杜学强.企业管理控制一体化与OPC.微计算机信息，2001
2 OPC Found. OPC Technical Overview. 2000
3 李子连.现场总线技术在电厂应用.北京：中国电力出版社，2002
4 阳宪会.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社，1999
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