CN105867316B - 基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统 - Google Patents
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Abstract
基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统，涉及发电站机组设备的自动化控制系统，尤其涉及一种基于Modbus协议的电站设备DCS整体监控系统，由汽机电液控制系统、机组DCS控制系统和数据通讯网络组成，数据通讯网络包括EHCS侧通讯接口站和DCS侧通讯接口卡；EHCS侧通讯接口站通过串口转换器与DCS侧通讯接口卡互连；通过Modbus协议实现数据通讯，所述的机组DCS控制系统可以通过操作员站，执行对汽机电液控制系统的监控操作过程，完成对汽机电液控制系统的所有重要参数和设备的监控及操作，可以大大降低运行人员的培训及维护工作量，解决相互独立、不同型规的电站汽机电液控制系统和机组DCS控制系统之间信息及数据共享度不高，系统集成度低的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及发电站机组设备的自动化控制系统，尤其涉及一种基于Modbus协议的电站设备DCS整体监控系统。
背景技术
随着科技的不断发展，自动化技术在电站控制领域得到了广泛的应用。电站发电机组主要包括锅炉、汽机、电气等重要系统，随着自动化技术的不断发展，越来越多的电站机组在条件许可的情况下，将各重要系统集成为一体，采用同一个DCS(Distributedcontrol system，分散控制系统)控制系统实现上述各系统的集中监视、控制、操作，然而也有较多的电站老机组，以及部分新机组的汽轮机电液控制系统(EHCS，Electric HydraulicControl System)与机组DCS控制系统为相互独立的监控系统，系统的软、硬件型规不同，自成独立网络。目前常见的电站机组控制系统包括西门子、艾默生、三菱重工、ABB、霍尼韦尔、横河等不同品牌，虽然这些控制系统功能、原理类似，但其具体的软、硬件配置方面存在较大差异，要在不同类型控制系统之间的实现大量数据双向通讯存在一定的技术难度。
电站汽机电液控制系统是机组最重要的控制系统之一，包括主汽轮机电液控制系统、给泵汽机电液控制系统，主汽轮机电液控制系统主要实现汽轮机转速控制、自动同期控制、负荷控制、机、炉协调控制、主汽压控制、一次调频控制、快速减负荷、阀门管理、阀门试验、电超速保护、甩负荷工况控制、手动控制等功能；给泵汽机电液控制系统主要实现多台给泵汽机的转速控制、锅炉给水量控制、阀门管理、阀门试验、电超速保护、手动控制等功能。中国发明专利“用于电站汽轮机组的数字式电液控制系统”(发明专利号：ZL200710040625.0授权公告号：CN101307699B)公开了一种用于电站汽轮机组的数字式电液控制系统,它包括依次连接的工作站、控制处理机、超速保护装置、阀门驱动卡件、伺服阀、油动机及具中压调门的中压缸、具高压主汽门和高压调门的高压缸的汽轮机，其特征在于，所述控制处理机还包括一控制单元，该控制单元接收来自所述超速保护装置的信号经计算处理后，向所述超速保护装置输出信号控制所述中压调门和高压调门的开闭。
对于汽机电液控制系统和机组DCS系统采用同一型规的控制系统而言，因系统软、硬件型号规格相同，可组成统一的网络，系统内部能方便、快速、准确地完成数据通讯及交换，顺利实现整体监控操作。而对于二者相互独立的电站机组，由于汽机电液控制系统和机组DCS控制系统采用不同型规的控制系统，网络相互独立，协议不同，互不兼容，系统之间信息及数据共享性差，要实现整体监控，存在一定的困难，往往造成整台机组的局部监控缺失，数据、信息及控制信号不完整，给机组安全可靠运行带来隐患。针对这种情况，目前常用的技术方案有以下三种：
1、由于汽机电液控制系统和机组DCS控制系统相互独立，为确保运行人员监控及操作完整，将汽轮机电液控制系统的操作员站和机组DCS控制系统的操作员站同时布置在中央控制室的监控台上，运行人员根据需求，分别监控、操作这两个系统的设备。这种方法的主要弊端在于整体监控功能差，系统集成度低，运行人员需掌握多种软件、熟悉不同系统的操作界面，培训工作繁重、运行操作及维护工作量大。对于一些旧设备的改造项目，中央控制室的监控操作台较小，难以同时布置下两个系统的操作员站。
2、通过汽机电液控制系统专用通讯接口卡和DCS系统的专用通讯接口卡进行点对点通讯，由于通讯速度较慢，一般适合于通讯点数量不多，对通讯速率要求不高的场合，且主要实现单向通讯监视功能。这种方法的缺点在于通讯速度慢，硬件配置繁复，汽机电液控制系统的每对控制器均要配置专用通讯接口卡件，一旦通讯发生故障不易查找原因，且难以满足大批量数据通讯的功能需求。
3、对于实现汽机电液控制系统和机组DCS控制系统的整体监控操作而必须实时交换的大批量数据信号，全部采用硬接线接口方式，这种方法需要在机组DCS系统侧和汽机电液控制系统侧分别增配大量的I/O卡件及电缆，无论从成本还是实际配置的复杂性而言，这种方法不太实际，应用业绩较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统，用于实现在机组DCS控制系统操作员站上对汽机电液控制系统的所有重要参数、设备进行统一监控及操作，解决电站汽机电液控制系统和机组DCS控制系统为相互独立、不同型规系统存在的系统之间信息及数据共享度不高，系统集成度低的技术问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统，由汽机电液控制系统、机组DCS控制系统和数据通讯网络组成，其特征在于：
所述的汽机电液控制系统包括主汽轮机电液控制子系统，多台给泵汽机电液控制子系统，以及若干台EHCS工程师站；各电液控制子系统和EHCS工程师站，通过EHCS侧网络交换机互联，构成EHCS控制系统网络；
所述的机组DCS控制系统包括多个DCS子系统和若干DCS操作员站；各DCS子系统和DCS操作员站，通过DCS侧网络交换机互联，构成机组DCS控制系统网络；在所述的多个DCS子系统中，包括一个可配置DCS侧通讯接口卡的DCS子系统A；
所述的数据通讯网络包括：连接到EHCS侧网络交换机的至少一台EHCS侧通讯接口站，以及配置在DCS子系统A的至少一个DCS侧通讯接口卡；所述的EHCS侧通讯接口站通过串口转换器与DCS侧通讯接口卡互连；
所述的汽机电液控制系统与机组DCS控制系统之间，通过Modbus协议实现数据通讯，构成基于Modbus协议的数据通讯网络；所述的机组DCS控制系统定义为Modbus主站，所述的汽机电液控制系统定义为Modbus从站；所述的机组DCS控制系统可以通过操作员站，执行对汽机电液控制系统的监控操作过程；
所述的监控操作过程包括以下步骤：
S1：根据汽机电液控制系统的设备及功能，确定需要通过数据通讯网络传递的设备参数和控制信号数据清单，所述的设备参数和控制信号，包括被监控设备的模拟量输入、输出信号和数字量输入、输出信号，以及通过机组DCS控制系统对汽机电液控制系统进行整体监控所必须传输的所有数据信号；
S2：根据设备参数和控制信号的类型，分别在主站侧和从站侧定义Modbus协议地址，建立数据地址与Modbus协议地址映射列表，实现主站侧和从站侧数据信号类型的双向转换；
S3：分别在汽机电液控制系统和机组DCS控制系统的组态逻辑模块内，增加Modbus协议通讯信号接收、发送模块；
S4：在机组DCS控制系统的操作员站上，增加与汽机电液控制系统的工程师站界面风格与内容一致的操作、监视画面；
S5：在机组DCS控制系统的操作员站上生成操作指令，通过数据通讯网络，传送至汽机电液控制系统并予以执行，实现对汽机电液控制系统的设备进行操作；
S6：在汽机电液控制系统的所有操作和逻辑算法模块内，增加接收来自机组DCS控制系统的操作指令，实现在主站的操作员站上和从站的工程师站上，都可以对连接到汽机电液控制系统的汽机设备进行操作。
本发明的基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统的一种较佳的技术方案，其特征在于在汽机电液控制系统100和机组DCS控制系统200的组态逻辑模块还包括操作功能互锁模块，用于杜绝主站和从站同时操作引起指令相互干扰；所述的综合监控过程还包括以下步骤：
S7：若所述的整体监控系统选择主站侧操作，所述的操作功能互锁模块自动禁止从站侧操作；
S8：若所述的整体监控系统选择从站侧操作，所述的操作功能互锁模块自动禁止主站侧操作。
本发明的基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统的一种更好的技术方案，其特征在于所述的DCS子系统A是从机组DCS控制系统所有的DCS子系统中安全等级最高、运算扫描速度最快的子系统。
本发明的基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统的一种改进的技术方案，其特征在于所述的数据通讯网络采用冗余配置建立冗余互备的主、副通讯接口设备，其中，冗余配置的EHCS侧通讯接口站A和EHCS侧通讯接口站B，互为EHCS侧主副通讯接口站；冗余配置的DCS侧通讯接口卡A和DCS侧通讯接口卡B，互为DCS侧主副通讯接口卡；冗余配置的串口转换器A和串口转换器B，互为主副串口转换器；所述的整体监控系统自动检测识别主、副通讯接口设备状态，当检测到主通讯接口设备故障且副通讯接口设备正常时，通过冗余切换程序控制，无扰地从主通讯接口设备切换到副通讯接口设备。
本发明的有益效果是：
1、本发明的基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统，基于Modbus协议，通过串口通讯实现机组DCS控制系统和汽机电液控制系统之间的大批量数据信号传送，有效实现了电站机组汽轮机电液控制系统的整体监控、操作功能，可以解决相互独立、不同型规的电站汽机电液控制系统和机组DCS控制系统之间信息及数据共享度不高，系统集成度低的技术问题。
2、本发明的基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统，在机组DCS控制系统的操作员站上，完成对汽机电液控制系统的所有重要参数、设备的统一、可靠的监控及操作，可以大大降低运行人员的培训及维护工作量。
附图说明
图1是本发明的基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统的结构示意图。
附图标记说明：
100-汽机电液控制系统，200-机组DCS控制系统，300-数据通讯网络，1-主汽轮机电液控制子系统，2-给泵汽机A电液控制子系统，3-给泵汽机B电液控制子系统，4-EHCS侧通讯接口站A，5-EHCS侧通讯接口站B，6-串口转换器A，7-串口转换器B，8-DCS子系统A，40-DCS子系统，9-DCS侧通讯接口卡A，10-DCS侧通讯接口卡B，20-EHCS侧网络交换机，30-EHCS工程师站(兼具操作员站功能)，50-DCS侧网络交换机，60-DCS操作员站。
具体实施方式
为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。
本发明的基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统的一个实施例如图1所示；由汽机电液控制系统100、机组DCS控制系统200和数据通讯网络300组成，在图1所示的实施例中，所述的汽机电液控制系统100包括主汽轮机电液控制子系统1，给泵汽机A电液控制子系统2，给泵汽机B电液控制子系统3，每个子系统均包括冗余控制器和输入输出卡件，与机组现场检测仪表和驱动设备通过硬接线连接；汽机电液控制系统100配有若干台EHCS工程师站30，所述的EHCS工程师站兼具操作员站功能；汽机电液控制系统100包括两台冗余配置的EHCS侧网络交换机20，各电液控制子系统1、2、3和各EHCS工程师站30，通过EHCS侧网络交换机20互联，构成EHCS控制系统网络；
所述的机组DCS控制系统200包括一个可配置DCS侧通讯接口卡的DCS子系统A8，多个DCS子系统40，机组DCS控制系统200配有若干台放置于机组中央控制室内的DCS操作员站60；机组DCS控制系统200包括两台冗余配置的DCS侧网络交换机50，各DCS子系统8、40和各DCS操作员60，通过DCS侧网络交换机50互联，构成机组DCS控制系统网络；
所述的数据通讯网络300包括：连接到EHCS侧网络交换机20的EHCS侧通讯接口站A4和EHCS侧通讯接口站B5，以及配置在DCS子系统A8的DCS侧通讯接口卡A9和DCS侧通讯接口卡B10；所述的EHCS侧通讯接口站A4和EHCS侧通讯接口站B5，分别通过串口转换器A6和串口转换器B7，与DCS侧通讯接口卡A9和DCS侧通讯接口卡B10互连；
所述的汽机电液控制系统100与机组DCS控制系统200之间，通过Modbus协议实现数据通讯，构成基于Modbus协议的数据通讯网络300；所述的机组DCS控制系统200定义为Modbus主站，所述的汽机电液控制系统100定义为Modbus从站；所述的机组DCS控制系统200可以通过操作员站60，执行对汽机电液控制系统100的监控操作过程；
所述的监控操作过程包括以下步骤：
S1：根据汽机电液控制系统100的设备及功能，确定需要通过数据通讯网络300传递的设备参数和控制信号数据清单，所述的设备参数和控制信号，包括被监控设备的模拟量输入、输出信号和数字量输入、输出信号，以及通过机组DCS控制系统200的操作员站60对汽机电液控制系统100进行整体监控所必须传输的数据信号；
S2：根据设备参数和控制信号的类型，分别在主站侧和从站侧定义Modbus协议地址，建立数据地址与Modbus协议地址映射列表，实现主站侧和从站侧数据信号类型的双向转换；
S3：分别在汽机电液控制系统100和机组DCS控制系统200的组态逻辑模块内，增加Modbus协议通讯信号接收、发送模块；
S4：在机组DCS控制系统200的操作员站60上，增加与汽机电液控制系统100的工程师站30界面风格与内容一致的操作、监视画面；
S5：在机组DCS控制系统200的操作员站60上生成操作指令，通过数据通讯网络300，传送至汽机电液控制系统100并予以执行，实现对汽机电液控制系统100的设备进行操作；
S6：在汽机电液控制系统100的所有操作和逻辑算法模块内，增加接收来自机组DCS控制系统200的操作指令，实现在主站的操作员站60上和从站的工程师站30上，都可以对连接到汽机电液控制系统100的汽机设备进行操作。
根据本发明的基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统的一个实施例，在汽机电液控制系统100和机组DCS控制系统200的组态逻辑模块还包括操作功能互锁模块，用于杜绝主站和从站同时操作引起指令相互干扰；所述的综合监控过程还包括以下步骤：
S7：若所述的整体监控系统选择主站侧操作，所述的操作功能互锁模块自动禁止从站侧操作；
S8：若所述的整体监控系统选择从站侧操作，所述的操作功能互锁模块自动禁止主站侧操作。
根据本发明的基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统的一个优选的实施例，所述的DCS子系统A8是机组DCS控制系统200的所有各DCS子系统中安全等级最高、运算扫描速度最快的子系统。
为了提高汽机电液控制系统100和机组DCS控制系统200之间通讯的可靠性，在图1所示的实施例中，所述的数据通讯网络300采用冗余配置建立冗余互备的主、副通讯接口设备，其中，冗余配置的EHCS侧通讯接口站A4和EHCS侧通讯接口站B5，互为EHCS侧主副通讯接口站；冗余配置的DCS侧通讯接口卡A9和DCS侧通讯接口卡B10，互为DCS侧主副通讯接口卡；冗余配置的串口转换器A6和串口转换器B7，互为主副串口转换器；所述的整体监控系统自动检测识别主、副通讯接口设备状态，当检测到主通讯接口设备故障且副通讯接口设备正常时，通过冗余切换程序控制，无扰地从主通讯接口设备切换到副通讯接口设备。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统，由汽机电液控制系统、机组DCS控制系统和数据通讯网络组成，其特征在于：
所述的汽机电液控制系统包括主汽轮机电液控制子系统，多台给泵汽机电液控制子系统，以及若干台EHCS工程师站；各电液控制子系统和EHCS工程师站，通过EHCS侧网络交换机互联，构成EHCS控制系统网络；
所述的机组DCS控制系统包括多个DCS子系统和若干DCS操作员站；各DCS子系统和DCS操作员站，通过DCS侧网络交换机互联，构成机组DCS控制系统网络；在所述的多个DCS子系统中，包括一个可配置DCS侧通讯接口卡的DCS子系统A；
所述的数据通讯网络包括：连接到EHCS侧网络交换机的至少一台EHCS侧通讯接口站，以及配置在DCS子系统A的至少一个DCS侧通讯接口卡；所述的EHCS侧通讯接口站通过串口转换器与DCS侧通讯接口卡互连；
所述的汽机电液控制系统与机组DCS控制系统之间，通过Modbus协议实现数据通讯，构成基于Modbus协议的数据通讯网络；所述的机组DCS控制系统定义为Modbus主站，所述的汽机电液控制系统定义为Modbus从站；所述的机组DCS控制系统可以通过操作员站，执行对汽机电液控制系统的监控操作过程；
所述的监控操作过程包括以下步骤：
S1：根据汽机电液控制系统的设备及功能，确定需要通过数据通讯网络传递的设备参数和控制信号数据清单，所述的设备参数和控制信号，包括被监控设备的模拟量输入、输出信号和数字量输入、输出信号，以及通过机组DCS控制系统对汽机电液控制系统进行整体监控所必须传输的所有数据信号；
S2：根据设备参数和控制信号的类型，分别在主站侧和从站侧定义Modbus协议地址，建立数据地址与Modbus协议地址映射列表，实现主站侧和从站侧数据信号类型的双向转换；
S3：分别在汽机电液控制系统和机组DCS控制系统的组态逻辑模块内，增加Modbus协议通讯信号接收、发送模块；
S4：在机组DCS控制系统的操作员站上，增加与汽机电液控制系统的工程师站界面风格与内容一致的操作、监视画面；
S5：在机组DCS控制系统的操作员站上生成操作指令，通过数据通讯网络，传送至汽机电液控制系统并予以执行，实现对汽机电液控制系统的设备进行操作；
S6：在汽机电液控制系统的所有操作和逻辑算法模块内，增加接收来自机组DCS控制系统的操作指令，实现在主站的操作员站上和从站的工程师站上，都可以对连接到汽机电液控制系统的汽机设备进行操作。
2.根据权利要求1所述的基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统，其特征在于在汽机电液控制系统100和机组DCS控制系统（200）的组态逻辑模块还包括操作功能互锁模块，用于杜绝主站和从站同时操作引起指令相互干扰；所述的监控操作过程还包括以下步骤：
S7：若所述的整体监控系统选择主站侧操作，所述的操作功能互锁模块自动禁止从站侧操作；
S8：若所述的整体监控系统选择从站侧操作，所述的操作功能互锁模块自动禁止主站侧操作。
3.根据权利要求1所述的基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统，其特征在于所述的DCS子系统A是从机组DCS控制系统所有的DCS子系统中安全等级最高、运算扫描速度最快的子系统。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于Modbus协议的电站汽机电液控制系统的整体监控系统，其特征在于所述的数据通讯网络采用冗余配置建立冗余互备的主、副通讯接口设备，其中，冗余配置的EHCS侧通讯接口站A和EHCS侧通讯接口站B，互为EHCS侧主副通讯接口站；冗余配置的DCS侧通讯接口卡A和DCS侧通讯接口卡B，互为DCS侧主副通讯接口卡；冗余配置的串口转换器A和串口转换器B，互为主副串口转换器；所述的整体监控系统自动检测识别主、副通讯接口设备状态，当检测到主通讯接口设备故障且副通讯接口设备正常时，通过冗余切换程序控制，无扰地从主通讯接口设备切换到副通讯接口设备。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |