CN105179156A - 抽水蓄能机组控制程序离线测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽水蓄能机组控制程序离线测试系统及方法，其中系统包括：现地控制单元(LCU)、工程师站、操作员站以及模拟仿真器。本发明提供的抽水蓄能机组控制程序测试系统可对抽水蓄能机组控制系统中各个信号进行模拟，可模拟机组实际的开机、停机的流程，包括启动发电、BTB启泵、SFC启泵、发电正常停机及跳机、抽水正常停机及跳机的过程，可对已建电厂技改程序和新建电厂的设计程序进行离线测试，避免在线测试中所存在的风险，减少测试时间。

Description

抽水蓄能机组控制程序离线测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种抽水蓄能机组控制程序测试系统及方法。

背景技术

在电力行业中，抽水蓄能机组工况转换灵活、启停快速，将电网负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期的高价值电能，适于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，提高系统中火电站、风力发电站和核电站等的效率。是目前电力系统最经济可靠、寿命周期最长、容量最大的储能装置，为保障电源端大型火电或核电机组等长期稳定的在最优状态运行提供保障，是电网稳定调节必不可少的手段。合理、优化的机组控制程序是支持抽水蓄能机组实现此功能的核心技术之一。在新建电厂和对已建电厂进行技术改造时，需要重新设计抽水蓄能机组的控制程序。然而新的控制程序可能存在着有效性、兼容性、鲁棒性等缺陷，因此需要对其进行测试。目前对抽水蓄能机组控制程序测试多采用在线测试的方法，在线测试是直接在机组上运行控制程序，控制机组开机、停机等流程，包括启动发电、BTB启泵、SFC启泵、发电正常停机及跳机、抽水正常停机及跳机的过程，然后通过检测抽水蓄能机组的运行状态，确定控制程序是否存在缺陷。在线测试需要机组启动运行，操作复杂，存在且因控制程序安全可靠性未知，存在很大安全隐患，另外启动机组测试需要花费大量人力和时间成本，还会浪费水力资源，增加机组磨损。因此在线测试抽水蓄能机组控制程序并不是一种方便、可靠的测试方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种抽水蓄能机组控制程序测试系统及方法，为了达到上述目的本发明采用如下技术方案：

一种抽水蓄能机组控制程序测试系统，包括：

现地控制单元(LCU)，采用实体可编程逻辑控制器(PLC)以下载、运行机组的控制程序；

工程师站，用以完成应用软件的组态及有关控制系统构成的工作；

操作员站，提供人机操作界面，完成机组控制程序控制，并显示机组控制流程、主要设备运行画面动态、电气回路中各开关动作情况及主要参数变化情况；

模拟仿真器，完成机组各个子控制系统的模拟，机组顺控流程所需反馈信号的模拟，与机组现地控制单元(LCU)的可编程逻辑控制器(PLC)一起构成电厂下位机系统的仿真。

优选的，所述可编程逻辑控制器(PLC)采用西门子S7-400PLC，所述西门子S7-400PLC配置有西门子414-5HPN/DPCPU以及西门子PS405电源10A。

优选的，所述西门子S7-400PLC删除原有的硬件组态中的远程I/O站，并在主机架上添加数字输入模块、数字输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及用于数字输入(DI)、数字输出(DO)、模拟量输入(AI)、模拟量输出(AO)映射的数据块。

优选的，所述子控制系统包括机组调速器系统、励磁系统、SFC系统、技术供水系统、球阀系统、尾闸系统。

优选的，所述工程师站通过以太网与所述现地控制单元(LCU)进行通讯，以对PLC程序进行修改和下载；所述操作员站也通过以太网与所述现地控制单元(LCU)进行通讯，以对PLC的程序进行操作测试；所述工程师站和所述操作员站用西门子平台进行通讯，以实现所述工程师站向所述操作员站提供操作软件。

优选的，所述现地控制单元(LCU)与所述模拟仿真器通过OPC服务器通讯。

一种抽水蓄能机组控制程序测试方法，包括以下步骤：

1)、仿真模拟器中的Labview仿真程序开始执行，向现地控制单元(LCU)的PLC发出停机稳态和启动运行所需的初始状态信号，机组处于满足初始条件状态；

2)、操作员站通过WinccHMI监控软件发机组控制命令；

3)、PLC收到控制命令后，机组控制程序开始执行；

4)、PLC在控制程序在执行过程中输出DO/AO控制信号；

5)、Labview模拟程序收到PLC输出DO/AO控制信号，运行输出相应DO/AO信号，此信号是各系统运行时发出的信号，也是机组控制程序正常运行所需的信号；

6)、PLC收到Labview模拟程序输出的DO/AO信号，认为PLC发出的控制命令得到有效执行，达到机组控制程序继续执行的条件，机组控制程序顺序执行直到程序流程结束，如此机组控制程序测试成功没有问题；

7)、HMI画面实时监视机组控制程序运行情况，记录机组的故障信息；

8)、若机组控制程序不正确，必会发出错误的DO/AO信号，或者DO/AO信号不能再有效的时间内发出，Labview模拟程序接收不到DO/AO信号，就无法向PLC发出机组控制程序正常运行所需要的DO/AO信号，机组控制程序无法正常运行，会报警或走跳机流程；

Labview模拟程序接收到不正确的PLCDO/AO信号，会模拟机组实际运行过程中的真实情况发出报警或跳机信号；

9)如果控制出现报警信号或控制程序走跳机流程，证明控制程序存在缺陷，程序测试人员可通过报警信息结合程序方便的找出程序错误修正控制程序。待修正后再次测试程序直至控制程序测试成功。

优选的，仿真模拟器和PLC通过OPC服务器通讯来实现数据交换，具体如下：

1)配置OPC，在OPC服务器中设置远程访问OPC的通讯配置；

2)测试OPC连接，在配置好的OPC中添加各种类型的变量，软后测试OPC与PLC之间的通讯，当能正常的读取和写入PLC的值；

3)添加OPC变量，当OPC与PLC之间的通讯测试好之后，OPC里面添加仿真程序所需要的M类型的数据点和DB类型的数据点；

4)测试OPC与仿真的通讯，在Labview模拟程序中创建连接，读取或写入少量的OPC里面的数据点，使之能正常的读取或者写入PLC；

5)读/写OPC中的变量，当Labview模拟程序与OPC的通讯测试成功后，在Labview模拟程序中创建仿真需要的数据点，然后将仿真软件中需要的所有变量与OPC的ITEM一一映射，创建的变量供仿真程序使用。

优选的，还包括以下步骤：

修改PLC的硬件组态，删除冗余的CPU，添加数字输入模块、数字输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块。

优选的，还包括以下步骤：

添加用于模拟仿真之用的数据块，并把程序中的硬件点全部修改成数据块中的点：

DI点的修改，通过程序比对把程序中用到的DI的硬点的逻辑关系全部修改成数据块点的逻辑关系；

DO点的修改，通过程序比对把程序中用到的DO点的逻辑关系全部修改成数据块点的逻辑关系；

AI点的修改，通过程序比对把程序中用到的模拟量输入点的全部修改成数据块点；

AO点的修改，通过程序比对把程序中用到的模拟量输出点全部修改成数据库点。

本发明提供的抽水蓄能机组控制程序测试系统及方法可对抽水蓄能机组控制系统中各个信号进行模拟，可模拟机组实际的开机、停机的流程，包括启动发电、BTB启泵、SFC启泵、发电正常停机及跳机、抽水正常停机及跳机的过程，可对已建电厂技改程序和新建电厂的设计程序进行离线测试，减少测试时间。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明实施例系统结构示意图；

图2是本发明实施例系统工作原理示意图；

图3是本发明实施例系统工作流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，一种抽水蓄能机组控制程序测试系统，包括：

现地控制单元(LCU)，采用实体可编程逻辑控制器(PLC)以下载、运行机组的控制程序；

工程师站，用以完成应用软件的组态及有关控制系统构成的工作；

操作员站，操作员站安装有WinccHMI监控软件，用来提供人机操作界面，完成画面显示、声光报警、过程参数存储记录、远程操作及报表打印，实现与机组现地控制单元(LCU)的通讯；

模拟仿真器，模拟仿真器安装有Labview模拟仿真软件，使用LABVIEW等相应工具对机组控制程序的控制对象进行模拟，用来完成机组各个子控制系统的模拟，机组顺控流程所需反馈信号的模拟，与机组现地控制单元(LCU)的可编程逻辑控制器(PLC)一起构成电厂下位机系统的仿真。

如图2所示，通过上述实施例方案，PLC运行机组控制程序。Labview模拟仿真软件模拟真各子系统运行情况向PLC发出机组各系统运行信息；WiccHMI画面监控机组运行，发出控制命令和监视各系统、机组控制程序运行情况，记录机组运行信息。

本发明的抽水蓄能机组控制程序测试步骤如下：

1、仿真模拟器中的Labview仿真程序开始执行，向现地控制单元(LCU)的PLC发出停机稳态和启动运行所需的初始状态信号，机组处于满足初始条件状态。

2、操作员站通过WinccHMI监控软件发机组控制命令。

3、PLC收到控制命令后，机组控制程序开始执行。

4、PLC在控制程序在执行过程中输出DO/AO控制信号(相当于Labview输入信号DI/AI)。

5、Labview模拟程序收到PLC输出DO/AO控制信号(相当于Labview输入信号DI/AI)，仿真程序运行输出相应DO/AO信号(相当于PLCDI/AI信号)，此信号是各系统运行时发出的信号，也是机组控制程序正常运行所需的信号。

6、PLC收到Labview模拟程序输出的DO/AO信号(相当于PLCDI/AI信号)，认为PLC发出的控制命令得到有效执行，达到机组控制程序继续执行的条件，机组控制程序顺序执行直到程序流程结束。如此机组控制程序测试成功没有问题。

7、HMI画面实时监视机组控制程序运行情况，记录机组的运行的故障信息。

8、若机组控制程序不正确，必会发出错误的DO/AO信号，或者DO/AO信号不能再有效的时间内发出，Labview模拟程序接收不到DO/AO信号(相当于Labview输入信号DI/AI)，就无法向PLC发出机组控制程序正常运行所需要的DO/AO信号(相当于PLCDI/AI信号)，机组控制程序无法正常运行，会报警或走跳机流程。

Labview模拟程序接收到不正确的PLCDO/AO信号(相当于Labview输入信号DI/AI)，会模拟机组实际运行过程中的真实情况发出报警或跳机信号。

9)如果控制出现报警信号或控制程序走跳机流程，证明控制程序存在缺陷，程序测试人员可通过报警信息结合程序方便的找出程序错误修正控制程序。待修正后再次测试程序直至控制程序测试成功。

因为机组控制程序在真实环境下运行结果和在平台上运行反应的结果完全一样，所以可以作为机组控制程序的测试平台。

测试流程如图3所示：

首先运行模拟仿真程序，点击初始化按钮，执行控制程序初始化操作，使控制程序处于停机稳态状态。通过操作员站发启动机组命令(可以是CP工况、P工况、GC工况、G工况或SR工况启动)，PLC收到启动命令控制程序开始运行，运行过程中输出DO/AO控制信号，控制信号经OPCSever传递给Labview模拟仿真软件作为DI/AI输入信号，模拟仿真软件按输入信号执行模拟程序，输出机组正常运行所需要的运行信号。仿真软件发出的DO/AO信号经OPCSever传递给PLC作为DI/AI输入信号，控制程序按输入信号运行程序。如果机组控制程序不存在任何问题，程序将一直按流程运行直到达到控制命令所下发的工况稳态(如P稳态、PC稳态、G稳态、GC稳态、SR稳态、S稳态)。当程序运行到稳态时，将保持稳态等待下一个启动命令。(注：SR：旋转备用，P：抽水，CP：抽水调相，G：发电，CG：发电调相)

如果机组控制程序存在漏洞，PLC将不能及时接收到仿真程序发出的正确的运行信号，则会产生故障信号，通过操作员站的HMI画面我们可以查看程序在运行过程中是发生了什么故障。如果故障信号不是跳机信号，不影响机组运行，则控制程序会继续执行，若故障信号是跳机信号，则会激活控制程序跳机流程，程序执行直至机组停机，恢复跳机信号后控制程序就能达到停机稳态。

若控制程序在测试过程中有故障信号产生，则控制程序必然存在漏洞。相关技术人员通过HMI故障信息，结合程序分析可以方便的找出程序漏洞，修正程序后可以继续测试直到流程结束，若控制程序能顺利完成流程测试则证明程序没有问题，可在机组上运行。控制程序处于稳态时，退出仿真程序便可完成程序测试工作。

抽水蓄能机组工况转换灵活、启停快速，是电网稳定调节必不可少的手段，合理、优化的机组控制程序是支持蓄能机组实现此功能的核心技术之一。抽水蓄能机组工况复杂，控制环节比较多，借助研制测试平台，可对抽水蓄能机组控制系统中各个信号进行模拟，可模拟机组实际的开机、停机的流程，包括启动发电、BTB启泵、SFC启泵、发电正常停机及跳机、抽水正常停机及跳机的过程，通过模拟测试，可对已建电厂技改程序和新建电厂的设计程序进行离线测试，减少测试时间。并可作为不同厂家类型机组控制系统软硬件升级或者新控制系统优化测试的通用测试开发平台。该测试平台具备检验实际机组启停顺控流程的功能，机组顺控流程对应的模型与实际机组运行情况相似，可模拟出各工况转换的流程。工程师站及操作员站组态人机界面友好，具备实际抽水蓄能机组上位机功能要求。

作为上述实施例方案的优选方案，本实施例中所述可编程逻辑控制器(PLC)采用西门子S7-400PLC，所述西门子S7-400PLC配置有西门子414-5HPN/DPCPU以及西门子PS405电源10A。

作为上述实施例方案的优选方案，本实施例中所述西门子S7-400PLC删除原有的硬件组态中的远程I/O站，并在主机架上添加数字输入模块、数字输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及用于数字输入(DI)、数字输出(DO)、模拟量输入(AI)、模拟量输出(AO)映射的数据块。

其中，数据块的大小根据程序硬件点的数目来确定：DO点大致有36*8个，DI点大致有86*8个，AI点大致有312个，AO点大致有8个，根据点数做一个硬点的映射程序，此程序方便连接和断开硬件点。当硬件点连接起来的时候就是完整的可以用来控制的程序。当连接断开之后就可以用来测试程序逻辑。

并且，现有的S7程序无法直接实现模拟，主要是程序中直接使用的硬点的DI、DO、AI、AO进行编程。仿真软件无法对硬点进行操作，因此需要对程序进行修改。把程序中的硬件点全部修改成数据块中的点。硬件点修改如下：

DI点的修改，通过程序比对把程序中用到的DI的硬点的逻辑关系全部修改成数据块点的逻辑关系；

DO点的修改，通过程序比对把程序中用到的DO点的逻辑关系全部修改成数据块点的逻辑关系；

AI点的修改，通过程序比对把程序中用到的模拟量输入点的全部修改成数据块点。主要是修改其中用的IW的采集点；

AO点的修改，通过程序比对把程序中用到的模拟量输出点全部修改成数据库点，主要是修改QW的输出点。

作为上述实施例方案的优选方案，本实施例中所述子控制系统包括机组调速器系统、励磁系统、SFC系统、技术供水系统、球阀系统、尾闸系统等子控制系统。

作为上述实施例方案的优选方案，本实施例中所述工程师站通过以太网与所述现地控制单元(LCU)进行通讯，以对PLC程序进行修改和下载；所述操作员站也通过以太网与所述现地控制单元(LCU)进行通讯，以对PLC的程序进行操作测试；所述工程师站和所述操作员站用西门子平台进行通讯，以实现所述工程师站向所述操作员站提供操作软件。

如图2所示，作为上述实施例方案的优选方案，本实施例中所述现地控制单元(LCU)与所述模拟仿真器通过OPC服务器通讯，仿真软件读取和写入OPC的值。然后OPC在把数据请求发给PLC或者在从PLC请求数据。然后在把数据传递给仿真软件。

在仿真软件的通讯实施方案如下：

配置OPC：在S7项目中配置OPC的通讯，在OPC服务器中设置远程访问OPC的通讯配置；

测试OPC连接：在配置好的OPC中添加各种类型的变量，在本系统中主要是添加M类型(中间变量)和数据块类型的变量。软后测试OPC与PLC之间的通讯。当能正常的读取和写入PLC的值；

添加OPC变量：当OPC与PLC之间的通讯测试好之后，我们在OPC里面添加仿真程序所需要的M类型的数据点和DB类型的数据点。此步的工作量比较大需要细心的对照S7程序点；

测试OPC与仿真的通讯：在LabView中创建连接，读取或写入少量的OPC里面的数据点。使之能正常的读取或者写入PLC。此步测试工作需要时间来完成通讯和测试通讯程序的稳定性；

读/写OPC中的变量：当LabView与OPC的通讯测试成功后，在LabView中创建仿真需要的数据点，然后将仿真软件中需要的所有变量与OPC的ITEM一一映射。创建的变量供仿真程序使用。

机组的主控程序就是机组LCU的主程序。在主程序中调用各个子程序，对机组进行控制。在仿真软件中也要进行相应LCU主程序的主程序，然后在调用各个子系统的程序来实现仿真。仿真软件中的主程序的架构主要是调用各子程序。

顺控程序的仿真主要是根据LCU的程序来实现，在LCU中有个显示顺控程序执行步的数据块，仿真软件通过OPC去读取顺控程序执行步的标志，当顺控程序执行到某步程序时，仿真软件模拟当前步的所有条件，以此来达到测试程序的目的。

顺控步的仿真主要有：SFCSTART、BTBSTART、P->PC、S->SR、SR->G、G->GC、S->L、S->BS、P->G、S->LC、GC->S、PC->S、P->S、PC->P、GC->G、G->SR、SR->S、Shoutdown、fillingcontrol和fillingtrip。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种抽水蓄能机组控制程序测试系统，其特征在于包括：

现地控制单元(LCU)，采用实体可编程逻辑控制器(PLC)以下载、运行机组的控制程序；

工程师站，用以完成应用软件的组态及有关控制系统构成的工作；

操作员站，提供人机操作界面，完成机组控制程序控制，并显示机组控制流程、主要设备运行画面动态、电气回路中各开关动作情况及主要参数变化情况；

模拟仿真器，完成机组各个子控制系统的模拟，机组顺控流程所需反馈信号的模拟，与机组现地控制单元(LCU)的可编程逻辑控制器(PLC)一起构成电厂下位机系统的仿真。

2.如权利要求1所述的抽水蓄能机组控制程序测试系统，其特征在于：

所述可编程逻辑控制器(PLC)采用西门子S7-400PLC，所述西门子S7-400PLC配置有西门子414-5HPN/DPCPU以及西门子PS405电源10A。

3.如权利要求2所述的抽水蓄能机组控制程序测试系统，其特征在于：

所述西门子S7-400PLC删除原有的硬件组态中的远程I/O站，并在主机架上添加数字输入模块、数字输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及用于数字输入(DI)、数字输出(DO)、模拟量输入(AI)、模拟量输出(AO)映射的数据块。

4.如权利要求1所述的抽水蓄能机组控制程序测试系统，其特征在于：

所述子控制系统包括机组调速器系统、励磁系统、SFC系统、技术供水系统、球阀系统、尾闸系统。

5.如权利要求1所述的抽水蓄能机组控制程序测试系统，其特征在于：

所述工程师站通过以太网与所述现地控制单元(LCU)进行通讯，以对PLC程序进行修改和下载；所述操作员站也通过以太网与所述现地控制单元(LCU)进行通讯，以对PLC的程序进行操作测试；所述工程师站和所述操作员站用西门子平台进行通讯，以实现所述工程师站向所述操作员站提供操作软件。

6.如权利要求1所述的抽水蓄能机组控制程序测试系统，其特征在于：

所述现地控制单元(LCU)与所述模拟仿真器通过OPC服务器通讯。

7.一种抽水蓄能机组控制程序测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、仿真模拟器中的Labview仿真程序开始执行，向现地控制单元(LCU)的PLC发出停机稳态和启动运行所需的初始状态信号，机组处于满足初始条件状态；

2)、操作员站通过WinccHMI监控软件发机组控制命令；

3)、PLC收到控制命令后，机组控制程序开始执行；

4)、PLC在控制程序在执行过程中输出DO/AO控制信号；

5)、Labview模拟程序收到PLC输出DO/AO控制信号，运行输出相应DO/AO信号，此信号是各系统运行时发出的信号，也是机组控制程序正常运行所需的信号；

6)、PLC收到Labview模拟程序输出的DO/AO信号，认为PLC发出的控制命令得到有效执行，达到机组控制程序继续执行的条件，机组控制程序顺序执行直到程序流程结束，如此机组控制程序测试成功没有问题；

7)、HMI画面实时监视机组控制程序运行情况，记录机组的故障信息；

8)、若机组控制程序不正确，必会发出错误的DO/AO信号，或者DO/AO信号不能再有效的时间内发出，Labview模拟程序接收不到DO/AO信号，就无法向PLC发出机组控制程序正常运行所需要的DO/AO信号，机组控制程序无法正常运行，会报警或走跳机流程；

Labview模拟程序接收到不正确的PLCDO/AO信号，会模拟机组实际运行过程中的真实情况发出报警或跳机信号；

9)如果控制出现报警信号或控制程序走跳机流程，证明控制程序存在缺陷，程序测试人员可通过报警信息结合程序方便的找出程序错误修正控制程序。待修正后再次测试程序直至控制程序测试成功。

8.如权利要求7抽水蓄能机组控制程序测试方法，其特征在于：

仿真模拟器和PLC通过OPC服务器通讯来实现数据交换，具体如下：

1)配置OPC，在OPC服务器中设置远程访问OPC的通讯配置；

2)测试OPC连接，在配置好的OPC中添加各种类型的变量，软后测试OPC与PLC之间的通讯，当能正常的读取和写入PLC的值；

3)添加OPC变量，当OPC与PLC之间的通讯测试好之后，OPC里面添加仿真程序所需要的M类型的数据点和DB类型的数据点；

4)测试OPC与仿真的通讯，在Labview模拟程序中创建连接，读取或写入少量的OPC里面的数据点，使之能正常的读取或者写入PLC；

5)读/写OPC中的变量，当Labview模拟程序与OPC的通讯测试成功后，在Labview模拟程序中创建仿真需要的数据点，然后将仿真软件中需要的所有变量与OPC的ITEM一一映射，创建的变量供仿真程序使用。

9.如权利要求7抽水蓄能机组控制程序测试方法，其特征在于还包括以下步骤：

修改PLC的硬件组态，删除冗余的CPU，添加数字输入模块、数字输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块。

10.如权利要求7抽水蓄能机组控制程序测试方法，其特征在于还包括以下步骤：

添加用于模拟仿真之用的数据块，并把程序中的硬件点全部修改成数据块中的点：

DI点的修改，通过程序比对把程序中用到的DI的硬点的逻辑关系全部修改成数据块点的逻辑关系；

DO点的修改，通过程序比对把程序中用到的DO点的逻辑关系全部修改成数据块点的逻辑关系；

AI点的修改，通过程序比对把程序中用到的模拟量输入点的全部修改成数据块点；

AO点的修改，通过程序比对把程序中用到的模拟量输出点全部修改成数据库点。