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摘 要：本文提出一种针对中小型电厂的自动化系统设计的方案，介绍了系统的机构及其设计方案。本系统的可编程控制器（PLC）及保护装置同以太网直接连接。IEC60870-5-104协议及OPC技术应用于通信。设计采用具有面向对象，多进程，多线程、COM等技术的监控软件。本系统现场运行可靠安定，给出了系统数据点的标准记法、OPC服务器访问实现过程，以及EC60870-5-104协议的应用经验。
关键词：IEC 60870-5-104；OPC；自动化
现地控制单元（LCU）元件、保护装置、可编程控制器（PLC）及监控计算机共同构建成水电厂的自动化系统。采用以太网进行通信是一种发展趋势，监控计算机同PLC、保护装置之间便是如此。但是通信协议不统一，开放性差一直困扰着以太网的数据传输。针对中小型水电厂设计的SZX-8000水电厂自动化系统中，从系统的开放性考虑，将采用 IEC 60870-5-104协议（一般情况下被简称为104进行计算机监控以及装置通信保护的参考，OPC技术应用于监控计算机与PLC通信。为了降低系统费用，和市场的混乱，国际电工委员会电力系统及其通信技术委员会（IECTC57）制定了电力系统网络通信标准。而在目前电力系统中，应用较广的是104。OLE/COM技术是通过OPC技术应用到过程控制中的，设备上有一个通用的数据接口，使用合适的应用软件可以实现对数据接口硬件的读取信息，与此同时，还能促进软件开放性和可靠性得到提升。从而提高了水电站的经济性，提高了水电站的竞争能力。
一、自动化系统结构
为了通信扩展方便，系统PLC、保护装置直接接入以太网。以两台机组说明，为了提高可靠性，取消了工控机。LUC与同期装置智能设备通信，如交流电参数采集器、温度巡检仪、调速器、直流系统。若采用职能系统直接通过一RS-485总线接入PLC，会使通讯速度慢，占用PLC系统存储空间，如今智能设备实现多串口的扩展很难，因为通信协议不一致。因此在设计中，由于系统的对信存在不实时性，各智能备传送信息时，要根据不实时性调整传送顺序和传送周期。达到将各智能设备的邪异通过智能通信控制器转化成标准协议之后，接入PLC的 RS-485口。
PLC选用西门子小型PLCS7-226，此款PLC重要应用于小型水电厂设计，水电自动化系统应用SZX-8000。西门子彩色触摸屏通信使用S7-226的通信口，智能通信控制器通信使用S7-226的自由通信口。S7-226CPU扩展后，有72开关输入点，64开关量输出点以及模拟量输入点，S7-226CPU扩展关量其进行输入及输出的模块为EM223，其所进行的模拟量的输入模块为2块，而其进行以太网通信的模块则为CP243-1。
PLC选用西门子小型PLCS7-226，此款PLC重要应用于小型水电厂设计，水电自动化系统应用SZX-8000。西门子彩色触摸屏通信使用S7-226的通信口，智能通信控制器通信使用S7-226的自由通信口。S7-226CPU扩展后，有72开关输入点，64开关量输出点以及模拟量输入点，S7-226CPU其可扩展的关量在进行输入及输出的模块为EM223，其模拟量所需要的输入模块为2块，而所使用的以太网通信模块则是CP243-1。交换机使用MOXA工业以太网交换机 EDS-316。MOVA作为智能通信器。发电机以及发电机作为保护装置。保护装置有主变高压侧以及主变低压侧等，104则作为通信协议。线路保护装置RS-485接口到以太网接口的转换是通过通信控制器完成的，通信控制器也可以实现Modbus协议到104的转换。相关的自动化系统结构图一所示。
图1水电厂自动化系统网络结构图
二、自动化系统应用软件
对电厂的所有机组设备是通过水电厂自动化系统SZX-8000实现控制和保护等功能的。SZX-8000由三大部分组成，西门子WinCC Flexible2005以及 STEP7-MicroWIN4.0开发出了PLC，而UC-7410CE软件则可使用 eVC4.0，对计算机软件进行监控之后所得的数据控依次为SQLServer2000和Delphi7.0。监控计算机软件的构成如图2所示。
图2 监控计算机软件构成框图
数据库维护以及主控制构成监控计算机软件的关键部分，监控计算机然间还包括图形编程、PLC通信、保护通信及GPS通信等程序。数据通信主要借助主控之中的通信模块完成。在通信模块进行工作时，需要对历史数据库所存储的水电站数据进行读取，在数据读取完毕之后会传给实时数据库和图像编程程序，同时历史数据库收录了现场通信传送的历史数据。PLC通信、保护通信及全球定位系统（GPS）通信与通信模块通信的实现是通过com组实现的，com组件在通信网络中是极其重要的一环。
（一）自动化数据点标记
系统数据信息由间隔、子站、数据点以及装置共同构成数据库总体结构的分级及分层。子站包含间隔； 间隔包含装置；装置包含数据点。数据点包含的参数为模拟量、开关量、事件顺序记录（SOE）、定值和压板等，是实现系统查询、存储等操作的最小信息元素。
数据点标识作为监控计算机软件功能实现的基础。这些功能包括开停机控制，曲线、报表输出以及保护、测控信息处理等。另外通信数据的解析存入数据库也是通过数据点标识的方式。
（二）OPC
OPC服务器是硬件厂商是生产厂家遵循规范开发的服务器。在实现数据交换的标准化和开放性的过程中服务器充当数据源，通过服务器，使用者以标准的 OPC方式完成数据交换。用 Delphi7.0 设计监控计算机软件访问 OPC服务器数据。其中OPC服务器的机构如图3所示。
图3 OPC服务器结构示意图
（三）104协议
监控计算机和各保护装置间以104协议实现通信，同时在以太网中应用平衡传输模式，TCP/IP协议传输信息。服务器各保护装置是由客户机的监控计算机发出连接请求后建立TCP 连接，一直处于侦听端口号为 2404的 TCP连接的状态。规约数据单元 （APDU）则是通过相应的应用规约信息控制（APCI）以及其所应用的服务数据单元（ASDU）共同构建而成，它是一个104數据帧。遥测帧的帧头是APCI、APDU长度、控制域，其余为ASDU。 68H是 APCI啟动字符是一个数据帧的开始。APDU长度是总字节8位控制域，是本帧开始到结束的收发编号。用于检测报文丢失和报文重复传输的是前2字节为发送序号2字节为接收序号N（R），APDU分成3种报文格式，I、S和U。信息传输使用I、U格式报文时含有唯一的APCI，可以实现对于传输的控制。
监控计算机软件可对保护装置特有的I格式报文进行接收，举例说明，其可以用于实现对控制计算机软件所对应的实现报文的接受。收到一个I格式报文后监控计算机软件发送一个确认帧，I格式报文信息是各保护装置收到监控计算机软件U格式的传输报文后，可以对该命令报文进行回应，并及时对变位信息亦或者是周期性的扫描信息进行上送。防止报文丢失和重复传输的机制及超时时间限制措施，是监控计算机软件保证信息的可靠传输而采用的。对于I格式报文来说，发送序号加 1往往是在I格式的的报文发送一个之后，其所对应的接收序号进行相应的加1处理，该过程在监控计算机软件接收到与其接收序号相等的I格式的报文之后才会发生。特别注意的是，重建 TCP，监控计算机软件接收发送序号清零，保护装置的也清零。双发开始数据传送，应该判断I格式报文的发送序号是否等于其接收序号。相等则将其对应的接收序号进行加1处理，小于则为发送方出现重复传送的情况。监控计算机软件进行2个传输所设置的超时时间依次为t，t 缺省值为15s，I格式或 U格式发出，时间外未确认，关闭TCP连接，建立新的TCP连接。发送U格式的测试帧是在超过时间内，监控计算机软件未收到新的帧，且给予确认，t 缺省值为20s。不同的保护装置需要设立不同的线程，对于单个的接收线程所对应的实现流程如图4所示。
图4 接收线程实现流程示意图
【结语】：以104协议及OPC技术，再加之SZX-8000的水电厂自动化系统可以很好的实现系统开放性以及标准性的要求。OPC服务器是西门子公 SimaticNet。实现了数据质量评价得自监控系统对 PLC 数据的读写规范。 标准化程度高是104协议特点，另外104协议还可防止报文丢失以及报文重复传输。这个系统具有实际实践，通信方案可行，已经在多个中小型水电厂稳定可靠运行，也可应用于其它工业监控场合。
参考文献：
[1]林龙德.《SAADA系统在城市供水调度系统中的组成和应用》[J].《中国高新技术企业》，2010，18（01）123-125.
[2]罗清龙；冯敏；白成林.《基于INT5500高速电力线通信系统的设计》[J].《电力设计应用》，2010（01）59-60.
[3]刘勇；穆连运；王新华.《基于QNX的舰艇控制系统双机容错设计》[J].《微计算机信息》，2010（01）77-78.
关键词：IEC 60870-5-104；OPC；自动化
现地控制单元（LCU）元件、保护装置、可编程控制器（PLC）及监控计算机共同构建成水电厂的自动化系统。采用以太网进行通信是一种发展趋势，监控计算机同PLC、保护装置之间便是如此。但是通信协议不统一，开放性差一直困扰着以太网的数据传输。针对中小型水电厂设计的SZX-8000水电厂自动化系统中，从系统的开放性考虑，将采用 IEC 60870-5-104协议（一般情况下被简称为104进行计算机监控以及装置通信保护的参考，OPC技术应用于监控计算机与PLC通信。为了降低系统费用，和市场的混乱，国际电工委员会电力系统及其通信技术委员会（IECTC57）制定了电力系统网络通信标准。而在目前电力系统中，应用较广的是104。OLE/COM技术是通过OPC技术应用到过程控制中的，设备上有一个通用的数据接口，使用合适的应用软件可以实现对数据接口硬件的读取信息，与此同时，还能促进软件开放性和可靠性得到提升。从而提高了水电站的经济性，提高了水电站的竞争能力。
一、自动化系统结构
为了通信扩展方便，系统PLC、保护装置直接接入以太网。以两台机组说明，为了提高可靠性，取消了工控机。LUC与同期装置智能设备通信，如交流电参数采集器、温度巡检仪、调速器、直流系统。若采用职能系统直接通过一RS-485总线接入PLC，会使通讯速度慢，占用PLC系统存储空间，如今智能设备实现多串口的扩展很难，因为通信协议不一致。因此在设计中，由于系统的对信存在不实时性，各智能备传送信息时，要根据不实时性调整传送顺序和传送周期。达到将各智能设备的邪异通过智能通信控制器转化成标准协议之后，接入PLC的 RS-485口。
PLC选用西门子小型PLCS7-226，此款PLC重要应用于小型水电厂设计，水电自动化系统应用SZX-8000。西门子彩色触摸屏通信使用S7-226的通信口，智能通信控制器通信使用S7-226的自由通信口。S7-226CPU扩展后，有72开关输入点，64开关量输出点以及模拟量输入点，S7-226CPU扩展关量其进行输入及输出的模块为EM223，其所进行的模拟量的输入模块为2块，而其进行以太网通信的模块则为CP243-1。
PLC选用西门子小型PLCS7-226，此款PLC重要应用于小型水电厂设计，水电自动化系统应用SZX-8000。西门子彩色触摸屏通信使用S7-226的通信口，智能通信控制器通信使用S7-226的自由通信口。S7-226CPU扩展后，有72开关输入点，64开关量输出点以及模拟量输入点，S7-226CPU其可扩展的关量在进行输入及输出的模块为EM223，其模拟量所需要的输入模块为2块，而所使用的以太网通信模块则是CP243-1。交换机使用MOXA工业以太网交换机 EDS-316。MOVA作为智能通信器。发电机以及发电机作为保护装置。保护装置有主变高压侧以及主变低压侧等，104则作为通信协议。线路保护装置RS-485接口到以太网接口的转换是通过通信控制器完成的，通信控制器也可以实现Modbus协议到104的转换。相关的自动化系统结构图一所示。
图1水电厂自动化系统网络结构图
二、自动化系统应用软件
对电厂的所有机组设备是通过水电厂自动化系统SZX-8000实现控制和保护等功能的。SZX-8000由三大部分组成，西门子WinCC Flexible2005以及 STEP7-MicroWIN4.0开发出了PLC，而UC-7410CE软件则可使用 eVC4.0，对计算机软件进行监控之后所得的数据控依次为SQLServer2000和Delphi7.0。监控计算机软件的构成如图2所示。
图2 监控计算机软件构成框图
数据库维护以及主控制构成监控计算机软件的关键部分，监控计算机然间还包括图形编程、PLC通信、保护通信及GPS通信等程序。数据通信主要借助主控之中的通信模块完成。在通信模块进行工作时，需要对历史数据库所存储的水电站数据进行读取，在数据读取完毕之后会传给实时数据库和图像编程程序，同时历史数据库收录了现场通信传送的历史数据。PLC通信、保护通信及全球定位系统（GPS）通信与通信模块通信的实现是通过com组实现的，com组件在通信网络中是极其重要的一环。
（一）自动化数据点标记
系统数据信息由间隔、子站、数据点以及装置共同构成数据库总体结构的分级及分层。子站包含间隔； 间隔包含装置；装置包含数据点。数据点包含的参数为模拟量、开关量、事件顺序记录（SOE）、定值和压板等，是实现系统查询、存储等操作的最小信息元素。
数据点标识作为监控计算机软件功能实现的基础。这些功能包括开停机控制，曲线、报表输出以及保护、测控信息处理等。另外通信数据的解析存入数据库也是通过数据点标识的方式。
（二）OPC
OPC服务器是硬件厂商是生产厂家遵循规范开发的服务器。在实现数据交换的标准化和开放性的过程中服务器充当数据源，通过服务器，使用者以标准的 OPC方式完成数据交换。用 Delphi7.0 设计监控计算机软件访问 OPC服务器数据。其中OPC服务器的机构如图3所示。
图3 OPC服务器结构示意图
（三）104协议
监控计算机和各保护装置间以104协议实现通信，同时在以太网中应用平衡传输模式，TCP/IP协议传输信息。服务器各保护装置是由客户机的监控计算机发出连接请求后建立TCP 连接，一直处于侦听端口号为 2404的 TCP连接的状态。规约数据单元 （APDU）则是通过相应的应用规约信息控制（APCI）以及其所应用的服务数据单元（ASDU）共同构建而成，它是一个104數据帧。遥测帧的帧头是APCI、APDU长度、控制域，其余为ASDU。 68H是 APCI啟动字符是一个数据帧的开始。APDU长度是总字节8位控制域，是本帧开始到结束的收发编号。用于检测报文丢失和报文重复传输的是前2字节为发送序号2字节为接收序号N（R），APDU分成3种报文格式，I、S和U。信息传输使用I、U格式报文时含有唯一的APCI，可以实现对于传输的控制。
监控计算机软件可对保护装置特有的I格式报文进行接收，举例说明，其可以用于实现对控制计算机软件所对应的实现报文的接受。收到一个I格式报文后监控计算机软件发送一个确认帧，I格式报文信息是各保护装置收到监控计算机软件U格式的传输报文后，可以对该命令报文进行回应，并及时对变位信息亦或者是周期性的扫描信息进行上送。防止报文丢失和重复传输的机制及超时时间限制措施，是监控计算机软件保证信息的可靠传输而采用的。对于I格式报文来说，发送序号加 1往往是在I格式的的报文发送一个之后，其所对应的接收序号进行相应的加1处理，该过程在监控计算机软件接收到与其接收序号相等的I格式的报文之后才会发生。特别注意的是，重建 TCP，监控计算机软件接收发送序号清零，保护装置的也清零。双发开始数据传送，应该判断I格式报文的发送序号是否等于其接收序号。相等则将其对应的接收序号进行加1处理，小于则为发送方出现重复传送的情况。监控计算机软件进行2个传输所设置的超时时间依次为t，t 缺省值为15s，I格式或 U格式发出，时间外未确认，关闭TCP连接，建立新的TCP连接。发送U格式的测试帧是在超过时间内，监控计算机软件未收到新的帧，且给予确认，t 缺省值为20s。不同的保护装置需要设立不同的线程，对于单个的接收线程所对应的实现流程如图4所示。
图4 接收线程实现流程示意图
【结语】：以104协议及OPC技术，再加之SZX-8000的水电厂自动化系统可以很好的实现系统开放性以及标准性的要求。OPC服务器是西门子公 SimaticNet。实现了数据质量评价得自监控系统对 PLC 数据的读写规范。 标准化程度高是104协议特点，另外104协议还可防止报文丢失以及报文重复传输。这个系统具有实际实践，通信方案可行，已经在多个中小型水电厂稳定可靠运行，也可应用于其它工业监控场合。
参考文献：
[1]林龙德.《SAADA系统在城市供水调度系统中的组成和应用》[J].《中国高新技术企业》，2010，18（01）123-125.
[2]罗清龙；冯敏；白成林.《基于INT5500高速电力线通信系统的设计》[J].《电力设计应用》，2010（01）59-60.
[3]刘勇；穆连运；王新华.《基于QNX的舰艇控制系统双机容错设计》[J].《微计算机信息》，2010（01）77-78.