CN107121978B - 一种水电站辅机控制装置的智能化升级方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水电站辅机控制装置的智能化升级方法和系统，包括升级步骤和控制步骤，升级步骤包括：S11：设置前置数据控制单元；S12：前置数据控制单元获取辅机及控制装置的数据并对其输出控制；S13：各前置数据控制单元根据需要增加信号采集和输出控制；S14：设置数据控制服务器；控制步骤包括：S21：前置数据控制单元获取相关数据，处理后存储或发送至数据控制服务器；S22：数据控制单元或数据控制服务器对获取的数据进行加工分析并制定控制策略和诊断控制输出；本发明通过升级步骤对现有辅机控制实现数据采集、数据处理、交互应用等的信息化升级；通过控制步骤实现现有辅机控制从基于信号的逻辑控制升级到基于数据的智能控制方式。

Description

一种水电站辅机控制装置的智能化升级方法和系统

技术领域

本发明涉及工业自动化控制领域，尤其涉及一种水电站辅机控制装置的智能化升级方法和系统。

背景技术

目前水电站辅机的控制采用可编程逻辑控制器（简称PLC）、模拟量传感器和执行控制的元件构成，主要实现对水电站油、水和气等辅机系统的预设目标值控制，实现方法主要是基于对目标值的固定流程的逻辑控制，以确保水电站辅机系统的压力、液位和温度等控制在目标值的一定范围内。

模拟量传感器检测压力、液位和温度等辅机系统的重要控制参数，输入到以PLC为核心的控制装置，完成对模拟量、状态量的信号的采集，通过基于对目标值的预定控制流程处理后，输出控制至执行机构，执行机构主要包括：电动机、油泵、水泵、空压机、电磁阀和电动阀等，将压力、液位和温度控制在一定的范围内，同时实现基本的故障诊断、异常报警和输出保护控制。

辅机控制系统通过现场总线将自身的主要数据单向传输给监控系统的现地控制单元（简称LCU），通过输入设备接收来自LCU的控制指令，同时将自身的重要事件信号通过输出设备传输给LCU。各个辅机控制系统按照管理权归属的LCU实行一对一的监视控制，各辅机控制系统之间没有数据的交换、分享和相关分析。

现有水电站辅机控制系统存在如下问题：

1、现有辅机控制系统是一个面向辅机对象的独立控制系统，主要实现基于对目标值的固定程序的控制，实现的控制功能简单，主要解决的是辅机设备自动化的问题，而非信息化问题，所以其信息化功能很弱，每套辅机控制系统采集完成自身控制所需的信号，不与其它辅机控制系统进行信息、数据交换和控制关联。每套辅机控制系统都是一个信息和控制的孤岛，不能进行数据的传输、共享、分析和应用等高级功能。

2、不能实现基于特征识别、数据应用、关联分析、有效性判别等对传感器、电机、水泵、油泵、空压机、阀门和系统状态进行诊断功能；不能进行历史数据分析和未来趋势分析预测；在控制系统某一个器件和设备故障时不能进行容错运行方式。

3、系统维护和故障处理比较困难，需要有经验的专业人员进行故障识别、分析、判断和处理，有时候还需要设备供应商派专业人员赴现场处理。

4、很多信息只能通过输入输出实现，基于经济方面和合理性的考虑，对重要事件信息进行了合并处理，只知道事件发生的结果，而不知道事件发生的原因便是常态。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实现基于数据的水电站辅机控制装置的智能化升级方法和系统，克服现有技术中水电站辅机控制系统不能实现与全站控制系统的数据交换、以及实现基于数据的控制和诊断功能的缺陷。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种水电站辅机控制的智能化升级方法，包括但不限于升级步骤和控制步骤；所述的升级步骤包括：

S11：对待升级的水电站辅机及控制装置分别连接各自的前置数据控制单元，所述的前置数据控制单元用于获取对应水电站辅机及控制装置数据；

S12：将前置数据控制单元通过网络与数据控制服务器进行连接；

所述的控制步骤包括但不限于：

S21：前置数据控制单元获取水电站辅机控制系统的数据，进行处理后通过网络发送至数据控制服务器；

S22：数据控制服务器对收集到的与水电站辅机及控制装置相关的数据进行应用分析并形成控制执行指令，将控制执行指令通过网络传输至对应的前置数据控制单元，由前置数据控制单元对水电站辅机控制系统进行基于数据的智能控制。

步骤S11中所述的获取水电站辅机及控制装置的运行数据包括但不限于水电站辅机控制系统的包括模拟量、开关量在内的输入输出信号，以及水电站辅机及控制装置中的其他设备的通信数据。

步骤S21中的所述的运行数据包括但不限于实时数据、历史数据和特征数据，所述的进行处理包括但不限于故障判别、故障恢复和自诊断；

步骤S22所述的加工分析包括但不限于：

S221：对数据进行甄别、分解、相关性分析，做出必要的溯源、排除误信号、信息有效性判别；

S222：基于大数据运算对采集到的实时数据、历史数据和特征数据进行分析，包括但不限于优化控制分析和元件故障时进行的容错控制分析。

所述的控制步骤还包括：

S23：前置数据控制单元采集经过智能控制后的水电站辅机及控制装置的反馈信息，并将反馈信息通过网络传输至数据控制服务器；

S24：所述的数据控制服务器对水电站辅机及控制装置的输出执行情况进行判别与分析，包括但不限于在仅有控制输出而没有执行操作时判别执行元件的故障与否，用于对辅机控制的行为分析；根据判别与分析形成控制指令，将控制指令通过网络传输至对应的前置数据控制单元，由前置数据控制单元对水电站辅机控制系统进行智能控制，并返回步骤S23。

步骤S22还包括但不限于对所有前置数据控制单元进行编程、在线调试、在线维护和在线诊断。

一种水电站辅机控制装置的智能化升级系统，包括但不限于多个水电站辅机控制系统，还包括但不限于：

多个前置数据控制单元：各自分别与对应的水电站辅机及控制装置连接，用于采集水电站辅机及控制装置的数据、将所述数据进行处理后通过网络发送至数据控制服务器，接收来自数据控制服务器的控制指令、根据所述控制指令向对应的水电站辅机及控制系统进行对应的智能控制；

数据控制服务器：通过网络与前置数据控制单元连接，用于获取水电站辅机及控制装置的数据，前置数据控制单元将所述数据进行处理后通过网络发送至数据控制服务器，接收来自数据控制服务器的控制指令，根据所述控制指令向对应的水电站辅机及控制装置进行对应的智能控制。

所述的数据包括但不限于模拟量/开关量在内的输入输出信号，以及水电站辅机及控制装置中的其他设备的通信数据。

所述的运行数据包括但不限于实时数据、历史数据和特征数据，所述的进行处理包括但不限于故障判别、故障恢复和自诊断；

所述的应用分析包括但不限于：对数据进行甄别、分解、相关性分析，做出必要的溯源、排除误信号、信息有效性判别以及基于数据运算对采集到的实时数据、历史数据和特征数据进行分析，包括但不限于优化控制分析和元件故障时进行的容错控制分析。

所述的前置数据控制单元还用于：采集经过智能控制后的水电站辅机及控制装置的反馈信息、将所述反馈信息通过网络传输至数据控制服务器；

所述的数据控制服务器还用于：获取前置数据控制单元发送的反馈信息、根据所述反馈信息对水电站辅机及控制装置的输出执行情况进行判别与分析、根据判别与分析的结果形成控制指令、将控制指令通过网络传输至对应的前置数据控制单元；所述的对水电站辅机及控制装置的输出执行情况进行判别包括但不限于在仅有控制输出而没有执行操作时判别执行元件的故障与否，用于对辅机控制的行为分析。

所述的数据控制服务器还用于对前置数据控制单元进行编程、在线调试、在线维护和在线诊断；所述的前置数据控制单元还用于接收数据控制服务器的编程、在线调试、在线维护和在线诊断的控制。

本发明的有益效果是：

1、通过本发明的升级方式，在不改变现有设备及控制系统、控制流程和运行方式的前提下，便可实现辅机控制的智能化升级，实施升级改造简单易行、快捷方便，不需要大量投资和大规模更新改造。

2、通过本发明的升级方式，还实现了水电站全站辅机控制装置之间数据交换和数据共享以及基于数据的控制方式。

3、通过本发明的控制方式，实现现有辅机控制的基于信号的逻辑控制升级为基于信息和数据的智能化控制，全站控制系统实现扁平化、透明化结构，能实现远程的编程、调试、诊断、故障处理，同时能实现水电站辅机的基于数据的智能控制功能和优化运行方式。

附图说明

图1为本发明结构方框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：一种水电站辅机控制装置的智能化升级方法，包括不限于升级步骤和控制步骤；所述的升级步骤包括：

S11：对待升级的水电站辅机控制系统分别连接到按照空间位置设置的前置数据控制单元，所述的前置数据控制单元用于获取对应水电站辅机及控制系统的相关数据；

S12：将前置数据控制单元通过网络与数据控制服务器进行高速连接。

其中，在本实施例中，所述的前置数据控制单元为DCU。进一步的，升级步骤是在对水电站现有辅机控制装置任务、功能、控制保留不变的前提下，针对水电站一个或多个辅助控制装置增设一个DCU，每个DCU通过接口连接到全站的网络中，同时增设数据控制服务器。

进一步地，在本实施例中，每个水电站辅机及控制装置至少对应一个前置数据控制单元，而一个前置数据控制单元对应于一个或一个以上的辅机控制装置；数据控制服务器可以根据水电站规模设置一个或多个。

对应升级步骤，其解决的问题是：1、保留了现有辅机及控制装置，避免大的重复改造和设备购置，现有辅机控制装置仍然继续执行其原有控制功能。2、升级过程简单易行、方便快捷，见效快。DCU的设置灵活，可扩展性好。3、通过升级系统实现了水电站全站辅机控制装置之间数据交换和数据共享及基于数据的控制方式。

所述的控制步骤包括：

S21：前置数据控制单元获取水电站辅机及控制装置的数据，进行处理后通过网络发送至数据控制服务器；

S22：数据控制服务器对收集到的与水电站辅机及控制系统相关的数据进行应用分析并形成控制指令，将控制指令通过网络传输至对应的前置数据控制单元，由前置数据控制单元对水电站辅机及控制装置进行基于数据的智能控制；

S23：前置数据控制单元采集经过智能控制后的水电站辅机及控制装置的反馈信息，并将反馈信息通过网络传输至数据控制服务器；

S24：所述的数据控制服务器对水电站辅机及控制装置的输出执行情况进行判别与分析，包括在仅有控制输出而没有执行操作时判别执行元件的故障与否，用于对辅机控制的行为分析；根据判别与分析形成控制执行指令，将控制执行指令通过网络传输至对应的前置数据控制单元，由前置数据控制单元对水电站辅机及控制装置进行智能控制，并返回步骤S23。

具体地，增设前置数据控制单元DCU在控制步骤中主要完成如下任务：

1、采集智能控制必须获取或增加获取的模拟量、开关量信号，同时智能控制输出和现有辅机控制装置的输入输出信号。

2、通过网络通信获得现有系统中的其他设备的通信数据，用于监视它们的工作状态和故障信息。

3、不同DCU之间通过网络通信实现数据交换，达到不同DCU之间数据交换、共享的目的。

4、DCU通过网络为数据控制服务器提供现场数据，接收来自数据控制服务器分析的结果，并将这些分析结果应用于设备诊断和控制。

5、实时数据、特征数据、故障判别、故障恢复、自诊断、数据远传、智能控制等功能由新的分散布置的DCU执行；同时执行的反馈也由DCU执行。

其中对于第3点，本实施例中按设备就近原则设置DCU，某个DCU需要的信号自己没有采集，而是在其它DCU中采集的，通过本实施例进行网络通信每个DCU都可以获得自身需要的信号（而有的信号是来自其它DCU）。

增设的数据控制服务器在控制步骤中完成任务如下：

1、通过网络通信获得网络中所有DCU的数据和现有设备的数据。

2、对收集到的与辅机设备相关的数据进行应用分析，将分析的结果通过网络传输至相关DCU用于对原辅机控制装置的智能控制。

3、实现现有辅机控制装置无法实现的数据分析、状态监测、故障诊断、优化运行等智能化、信息化任务。

4、通过对网络中所有DCU进行编程、在线调试、在线维护和在线诊断。

比如一台电动机，我们要监视其工作电流，在正常情况下其工作电流有一个变化范围，这个变化范围是通过长期记录其实时电流，通过计算获得其变化范围，一旦电动机工作电流超过了变化范围，就需要发出报警，提示操作人员注意；可以通过不同时间段，将该电动机的工作电流进行比较分析，可以判断电动机工作电流是在增加还是维持在一个合理的范围内变化。通过这些信息可以对该电动机的工作状态进行评估。这些工作可由DCU完成，也可由计算机（在本实施例中为数据控制服务器）来完成。计算机首先要记录（这需要大的存储空间来存放这些信息），对记录的数据按设计的算法进行加工处理。

因此，对于控制步骤，主要是通过数据控制服务器实现对水电站辅机的数据分析、状态监测、故障诊断、优化运行等信息化和智能化任务。数据控制服务器运算的优化控制策略通过DCU直接输出到现有辅机控制装置的输入端，执行优化控制或元件故障时进行的容错控制等智能功能。现有辅机控制装置的故障信号经智能系统的数据进行甄别、分解、相关性分析、做出必要的溯源、排除误信号、信息有效性判别；对输入的信号的合理性、有效性进行判别，可排除误信号带来的错误控制执行。

进一步的，步骤S11中所述的获取水电站辅机及控制装置的运行数据包括但不限于模拟量/开关量在内的输入输出信号，以及水电站辅机及控制装置中的其他设备的通信数据；其中，其他设备的通信数据用于监视它们的工作状态和故障信息。

进一步的，步骤S21中的所述的运行数据包括实时数据、历史数据和特征数据，所述的进行处理包括故障判别、故障恢复和自诊断；

步骤S22所述的加工分析包括：

S221：对数据进行甄别、分解、相关性分析，做出必要的溯源、排除误信号、信息有效性判别；

S222：基于大数据运算对采集到的实时数据、历史数据和特征数据进行分析，包括优化控制分析和元件故障时进行的容错控制分析。

进一步的，步骤S22还包括对所有前置数据控制单元进行编程、在线调试、在线维护和在线诊断。

基于上述方法的实现，如图1所示，本实施例还提供一种水电站辅机控制装置的智能化升级系统，包括多个水电站辅机及控制装置，还包括：

多个前置数据控制单元：各自分别与对应的水电站辅机及控制装置连接，用于采集水电站辅机及控制装置的运行数据、将所述运行数据经过处理后通过发送至数据控制服务器、接收来自数据控制服务器的控制执行指令，根据所述控制执行指令向对应的水电站辅机及控制系统进行相应智能控制；

数据控制服务器：通过网络与前置数据控制单元连接，用于获取水电站辅机及控制系统的数据、对数据进行应用分析并形成控制指令、将所述控制指令通过网络发送至对应的前置数据控制单元。

对应地，所述的数据包括但不限于模拟量/开关量在内的输入输出信号，以及水电站辅机及控制装置中的其他设备的通信数据。

对应地，所述的数据包括实时数据、历史数据和特征数据，所述的进行处理包括故障判别、故障恢复和自诊断；所述的应用分析包括：对数据进行甄别、分解、相关性分析，做出必要的溯源、排除误信号、信息有效性判别；以及基于大数据运算对采集到的实时数据和特征数据相对于历史数据进行分析，包括优化控制分析和元件故障时进行的容错控制分析。

对应地，所述的前置数据控制单元还用于：采集经过智能控制后的水电站辅机及控制装置的反馈信息、将所述反馈信息通过网络传输至数据控制服务器；

对应地，所述的数据控制服务器还用于：获取前置数据控制单元发送的反馈信息、根据所述反馈信息对水电站辅机及控制装置的输出执行情况进行判别与分析、根据判别与分析的结果形成新的控制指令、将控制指令通过网络传输至对应的前置数据控制单元；所述的对水电站辅机及控制装置的输出执行情况进行判别包括在仅有控制输出而没有执行操作时判别执行元件的故障与否，用于对辅机控制的行为分析。

对应地，所述的数据控制服务器还用于对前置数据控制单元进行编程、在线调试、在线维护和在线诊断；所述的前置数据控制单元还用于接收数据控制服务器的编程、在线调试、在线维护和在线诊断的控制。

本实施例的优点如下：

1、保留了现有辅机控制装置，避免大的重复改造，现有辅机控制装置仍然继续执行其原有控制功能。

2、升级过程简单易行、方便快捷，DCU的增设灵活，可扩展性好。

2、通过升级系统实现了水电站全站辅机控制装置之间数据交换、数据共享和基于数据的控制方式。

3、实现了原有辅机控系统无法实现的高级功能，如：基于实时数据、历史数据、特征数据的故障判别、故障恢复、自诊断、数据远传。

4、可以实现针对被控对象个性特征的柔性控制策略。

Claims (9)

1.一种水电站辅机控制装置的智能化升级方法，其特征在于：包括升级步骤和控制步骤；所述的升级步骤包括：

S11：对待升级的水电站辅机及控制装置设置前置数据控制单元，现有的辅机及控制装置通过输入输出方式连接到前置数据控制单元，每个前置数据控制单元根据情况接收一个或多个辅机及控制装置的数据；

S12：所述的前置数据控制单元获取对应辅机及控制装置的数据和对其实施基于数据的智能控制；

S13：各前置数据控制单元根据需要增加现场的信号采集和输出控制；

S14：根据需要增加数据控制服务器，前置数据控制单元通过网络与其进行高速连接；

所述的控制步骤包括：

S21：前置数据控制单元获取现有水电站辅机及控制装置的数据，进行处理后通过网络发送至数据控制服务器，同时，前置数据控制单元也能根据需要独立采集并存储数据；

S22：数据控制服务器获取的现有水电站辅机及控制装置的数据进行应用分析并形成控制执行指令，将基于数据的控制指令通过网络传输至对应的前置数据控制单元，由前置数据控制单元对原有辅机及控制装置实现基于数据的控制输出，原有辅机控制装置实现的传统控制任务不变；

S23：前置数据控制单元采集经过控制后的水电站辅机及控制装置的反馈信息，并将反馈信息通过网络传输至数据控制服务器；

S24：所述的数据控制服务器对水电站辅机及控制系统的输出执行情况进行判别与分析，包括在仅有控制输出而没有执行操作时判别执行元件的故障与否，用于对辅机控制的行为分析；根据判别与分析形成新的控制指令，将控制指令通过网络传输至对应的前置数据控制单元，由前置数据控制单元对水电站辅机及控制装置进行基于数据的控制，并返回步骤S23。

2.根据权利要求1所述的一种水电站辅机控制装置的智能化升级方法，其特征在于：步骤S11中所述的获取水电站辅机及控制装置的数据包括水电站辅机及控制装置的输入输出信号，以及水电站辅机及控制系统中的通信数据，输入输出信号包括模拟量和开关量。

3.根据权利要求1所述的一种水电站辅机控制装置的智能化升级方法，其特征在于：

步骤S21中的所述的数据包括实时数据、历史数据和特征数据，所述的进行处理包括故障判别、故障恢复和自诊断；

步骤S22所述的数据应用分析包括以下子步骤：

S221：对数据进行有效性判别、信号分解、相关性分析、溯源判别、误信号排除的应用分析；

S222：基于数据运算对采集到的实时数据和特征数据相对于历史数据进行分析，包括优化控制流程和元件故障时进行的容错控制。

4.根据权利要求1所述的一种水电站辅机控制装置的智能化升级方法，其特征在于：步骤S22还包括对所有前置数据控制单元进行编程、在线调试、在线维护和在线诊断。

5.一种水电站辅机控制装置的智能化升级系统，包括多个为现有水电站辅机及控制装置增设的前置数据控制单元，其特征在于，包括：

前置数据控制单元，各自分别与一个或多个水电站辅机及控制装置系统关联，用于采集水电站辅机及控制装置的数据，将所述数据进行处理后通过网络发送至数据控制服务器，接收来自数据控制服务器的控制指令，根据所述控制指令向对应的水电站辅机及控制装置进行对应的智能控制；

数据控制服务器：通过网络与前置数据控制单元连接，用于获取水电站辅机及控制装置的数据，对数据进行加工分析并形成控制指令，将所述控制指令通过网络发送至对应的前置数据控制单元。

6.根据权利要求5所述的一种水电站辅机控制装置的智能化升级系统，其特征在于：所述的数据包括水电站辅机及控制装置的模拟量和数字量在内的输入输出数据，以及水电站辅机及控制装置中的其他设备的通信数据。

7.根据权利要求5所述的一种水电站辅机控制装置的智能化升级系统，其特征在于：数据包括实时数据、历史数据和特征数据，进行处理包括故障判别、故障恢复和自诊断；

所述的加工分析包括：对数据进行甄别、分解、相关性分析，做出必要的溯源、排除误信号、信息有效性判别；以及基于大数据运算对采集到的实时数据、历史数据和特征数据进行分析，包括优化控制分析和元件故障时进行的容错控制分析。

8.根据权利要求5所述的一种水电站辅机控制装置的智能化升级系统，其特征在于：所述的前置数据控制单元还用于采集经过基于数据控制后的水电站辅机及控制系统的反馈信息、将所述反馈信息通过网络传输至数据控制服务器；

所述的数据控制服务器还用于：获取前置数据控制单元发送的反馈信息根据所述反馈信息对水电站辅机及控制装置的输出执行情况进行判别与分析、根据判别与分析的结果形成新的控制指令、将控制指令通过网络传输至对应的前置数据控制单元；所述的对水电站辅机及控制装置的输出执行情况进行判别包括在仅有控制输出而没有执行操作时判别执行元件的故障与否，用于对辅机控制的行为分析。

9.根据权利要求5所述的一种水电站辅机控制装置的智能化升级系统，其特征在于：所述的数据控制服务器还用于对前置数据控制单元进行编程、在线调试、在线维护和在线诊断；所述的前置数据控制单元还用于接收数据控制服务器的编程、在线调试、在线维护和在线诊断的控制。