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摘要：监控系统的升级改造是指在原有监控系统的框架和基础上，对监控系统进行改造、扩展，使其性能、可靠性得到进一步提升。沙县城关水电有限公司自2008年底开始对监控系统进行分级分步改造，取得了一定经验。
关键词：监控系统；升级改造；可靠性
作者简介：汤海怀（1958-），男，安徽庐江人，福建沙县城关水电有限公司，工程师；陈伟（1976-），男，福建沙县人，福建沙县城关水电有限公司，工程师。（福建 沙县 365500）
中图分类号：TM764 文献标识码：B 文章编号：1007-0079（2011）03- 0127-02
一、城关电站计算机监控系统简介
福建省沙县城关水电有限公司（以下简称“我公司”）装机容量为3×16MW，是沙溪流域梯级开发的电站之一。我公司监控系统由厂站级控制层（又称：上位机）和现地控制单元层（简称：LCU）组成。监控系统从1999年投运至2008年底改造，已运行了9年，部分电气设备已存在老化、性能下降的问题，且原监控系统设计的网络结构、冗余量、通讯方式已不能满足当前电站安全运行的需要。综合以上原因，考虑到原监控系统的GE90-30型PLC插件仍是现在市场上的主流产品且监控系统半数以上元器件仍能正常工作，公司决定仅对监控系统进行升级改造。
监控系统升级改造不同于更新改造。升级改造是指尽量保留系统的原有设备不动，只是对影响系统可靠性和性能提升的关键部位进行改造。更新改造是指直接将原系统移除，更换一套全新的系统。
二、城关电站计算机监控系统升级改造流程
（1）原监控系统LCU柜工作电源由柜内UPS装置提供，2004年～2005年在倒换厂用电、断合电源时LCU柜PLC电源模块频繁损坏。对损坏的模块进行检查，发现模块电子元件老化后，供电电压的波动易导致电源模块损坏。2005年我公司将LCU柜工作电源改为逆变电源装置供电后，电源模块损坏情况有所缓和，但电源模块损坏现象并未完全根除。
改造情况：将LCU柜供电电源改为供电更加可靠的两套互为冗余的交直流双供24V电源模块供电，正常时由交流220V电源供电，交流电源消失时，自动切至直流220V电源供电，交、直流切换时间为0秒。直流220V电源均直接取自220V直流系统馈线屏。双回路电源模块负载率均留有50%的裕度。
（2）原全厂机组和公用设备的传感器、变送器、数显表等的直流24V工作电源，均取自继保室直流24V直流系统馈线屏，存在如下问题：电缆跨接距离长；投产前安装公司施工未按图纸布线，随意跨接，电源点查找困难；部分直流馈线供电间隔数≥10个。
改造情况：我公司在机组和公用开关站LCU#1屏内，均增设了一对由交直流双回路供电，互为冗余的直流24V自动化元件电源模块，改造后，直流24V工作电源的设备均改由相对应机组、公用开关站LCU#1柜供电。优点如下：电源连接电缆长度明显缩短；供电回路更加简洁明了；每个直流馈线供电间隔数均≤3个；检修布置安措不会导致检修范围扩大；改造完成后继保室直流24V直流系统馈线屏退出运行，减少了对直流24V直流系统馈线屏内设备的定期维护工作量等。
以上两项改造中，交直流双供24V电源模块的选择非常重要，交、直流电源自动切换的时间必须为0秒，否则可能出现设备瞬间失电，严重的可能导致设备损坏。在设备选型时，我公司在对电源市场进行调查的同时，也询问其他电站的使用情况，最终选定国电南自自主研发的电源模块。安装时，我公司给每个电源模块输入侧配备独立的交、直流断路器，互为冗余电源模块24V输出侧短接后供电，并将电源模块异常信号的接点送至监控系统报警。这样安装可确保在发现某个电源模块损坏进行更换处理时，可以不影响其它模块和供电设备的正常工作。
（3）原监控系统通讯网络为总线拓扑结构，无冗余通讯通道。2006年后只要机组检修，机组LCU柜停电较长时间再送电后，监控系统上、下位机该机组的通讯均会出现不同程度的中断。重启系统或更换通讯板、发讯器后，可以正常通讯。询问厂家及电子类专家，认为是环境温度及电子元器件运行期限已到所致，如不更换整套通讯设备，该问题无法彻底排除。
改造情况：在原有单光纤通道的基础上，另外布设一条备用光纤通道，形成互为冗余的双以太网通讯网络。交换机主机选用友讯集团（D-Link）生产的在市场上大量使用的普通商业级10/100M网络产品，现地多模网络收发器选用上海兆越公司生产的普通型100M网络收发器，在保证可靠运行的前提下，方便备品采购和更换。
（4）原监控系统LCU柜各配备一台一体化工控机，主控层和现地控制单元层的所有上行下发数据均需经过一体化工控机打包处理后才能发送，接入方式如图1所示。
2006年后，我公司＃3机组LCU柜一体化工控机数次出现“硬盘无法找到”导致一体化工控机无法正常工作的问题。更换硬盘数据线也无法解决问题，需多次插拔硬盘，多次重启一体化工控机后才能正常工作。
2007年初＃2机组大修结束，对#2机组LCU柜送电，发现LCU柜一体化工控机显示“无PCI插件”。断电重新插拔一体化工控机PCI插件后，重启工控机系统发现系统文件丢失。经分析为系统崩溃，寄回厂家，重新安装操作系统和应用软件后正常。
同年，＃1机组LCU柜一体化工控机显示器黑屏，一体化工控机其它程序仍正常运行，外连显示器可正常显示，判断仅为一体化工控机显示器损坏无法使用。重新购置、更换一体化工控机后正常。
改造情况：保留监控系统中的所有现地控制单元GE90/30系列PLC，将其中GE90-30/360CPU模块更换为GE90-30/374CPU模块，新的GE90-30/374CPU模块上有1个标准TCP/IP以太网接口，网络接口速率10MBPS，并配有一个串行通讯口；同时将通讯模块IC693CMM311更换为双以太网口模块IC693CMM321。现地控制单元的PLC通过GE90-30/374CPU模块和IC693CMM321模块上的以太网口直接与监控系统双以太网通讯网络连接，满足双以太网的系统结构，修改通讯协议后，实现PLC直接上网，减少中间环节，提高网络通讯的速度和可靠性。
将液晶触摸屏与IC693CMM321模块另一个以太网口相连接，同时安装相关的组态软件，液晶触摸屏作为一个独立的控制节点，实现对现地控制单元的现地监视和控制。接入方式如图2所示。
在选用液晶触摸屏型号时，考虑到原监控系统工业级产品因厂家更新换代后，备品采购困难、费用高昂的缺点，升级后监控系统选用北京昆仑通态公司TPC-1561H嵌入式一体化触摸屏，该触摸屏具有以太网口、USB口、通讯串口、扩展接口等多个外部接口，方便现场的灵活选用。配套的MCGS嵌入式组态软件具有嵌入系统体积小，实时性高，可靠性高，方便不具备嵌入式软件开发经验的用户在极短的时间内使用嵌入式组态软件快速完成一个嵌入式系统的特点。该触摸屏还有市场保有量大、采购周期短、采购价格较低、性能可靠等优点。
（5）原监控系统投运时PLC模块的冗余接点预留不够。随着站内自动化设备的增加和部分设备改造，原有的冗余接点数量已远不能满足现场设备实际需要。原监控系统投运时也未预留与站内其它设备通讯的接口，站内很多报警信号无法在监控系统显示。
改造情况：在每套监控系统现地控制柜内各增加一块10槽I/O扩展底板IC693CHS392，通过I/O扩展电缆IC693CBL300与PLC单元的底板IC693CHS391相连接，在扩展底板上各配置4块32点24V直流开入板、2块32点24V直流开出板、2块16路模拟量输入板。保证改造结束后每套LCU的PLC插件各类输入、输出点均配备有15~20%的冗余，给今后10年厂内其他设备的升级改造留有足够的监视、控制通道。
在每套监控系统现地控制柜内各配备一台MOXA通信服务器，给升级后的监控系统配备足够通讯串口，满足机组LCU能够与调速器、励磁、发电机保护、测温巡检、机组火灾报警、转速装置、差压流量测控等装置进行串口通讯；公用开关站LCU能够与#1主变保护、#2主变保护、三沙线、沙坊线保护、母线保护、厂变保护、坝变保护、220V直流系统、5个交流数采装置等装置进行串口通讯。通讯串口的优点在于，仅使用一个接口就能实现大量开关量、模拟量信号的传输，为监控系统提供大量辅助监视数据。
（6）我公司原辅机自动化控制系统与监控系统是独立的两套系统。机组辅机与机组LCU间仅通过“开机令”脉冲或“停机令”脉冲进行联系，经常会出现监控上位机发出命令后，机组辅机无法正常接受命令的情况，需要多次发令；公用辅机与公用开关站LCU间完全没有关联。辅机自动化控制系统的输入/输出信号均没有接入监控系统，运行人员想要了解辅机运行状况，就必须到现地巡查。
改造情况：将所有机组辅机自动化控制系统并入相应的监控系统机组现地控制单元中，移除3个机组辅机自动化控制系统现地屏柜。因原机组辅机自动化控制柜与机组LCU柜相邻，控制电缆、信号电缆可直接接入机组LCU柜中，接线相对容易。机组辅机自动化控制程序是监控系统机组PLC控制程序的子程序，需要对其进行重新编写、调试，改造后方便运行值班人员的远方监视和控制，提高了机组辅机控制的可靠性。
因公用辅机设备与公用开关站LCU屏柜之间距离较远且未设计电缆通道，重新敷设电缆需在厂房建筑上重新开槽、开孔架设电缆桥架，施工难度大、耗时长、影响范围广，故改造前就排除将公用辅机控制、信号回路直接接入公用开关站LCU屏柜的方案。改造前共制定了两个方案。方案一：保留公用辅机自动化控制系统现地屏柜，保持所有公用辅机设备控制回路不变，将公用辅机自动化控制系统屏柜改造为公用开关站LCU的远程I/O屏柜。进行实地测量后发现，两个屏柜布线距离超过100米，远程I/O方式的通讯信号易受干扰且信号容易丢失，方案一被推翻。方案二：敷设光纤，更换公用辅机自动化控制系统柜的CPU模块、CMM模块，将其升级为监控系统的一个独立现地控制单元，通过双回光纤与监控系统通讯网络直接连接，该方案实施后，同样实现了运行值班人员对公用辅机的远方监视和控制，效果良好。
三、结语
监控系统升级改造与新电站设备投运不同，必须分阶段逐步进行改造，改造时间也应合理安排，必须留有充裕的设备调试时间，保证监控系统升级后的运行可靠性。我公司2008年12月首先是对监控系统通讯网络和公用辅机柜进行升级改造，2009年利用三台机组年度小修机会，陆续对机组现地控制单元进行升级改造。目前监控系统升级改造工作已全部完成，解决了旧监控系统很多无法解决的难题，运行情况良好，监控系统的性能、可靠性得到进一步的提升，符合升级改造要求，但升级后的PLC控制程序和通讯协议仍需要一段时间运行磨合、修改才能够臻至完善。
本次升级改造，我公司在保证改造后监控系统安全可靠运行的前提下，尽量选用技术成熟、市场保有量大的普通型产品，在降低改造费用的同时，又保证了设备的可靠运行和方便备品备件的采购。
（责任编辑：刘俊卿）
关键词：监控系统；升级改造；可靠性
作者简介：汤海怀（1958-），男，安徽庐江人，福建沙县城关水电有限公司，工程师；陈伟（1976-），男，福建沙县人，福建沙县城关水电有限公司，工程师。（福建 沙县 365500）
中图分类号：TM764 文献标识码：B 文章编号：1007-0079（2011）03- 0127-02
一、城关电站计算机监控系统简介
福建省沙县城关水电有限公司（以下简称“我公司”）装机容量为3×16MW，是沙溪流域梯级开发的电站之一。我公司监控系统由厂站级控制层（又称：上位机）和现地控制单元层（简称：LCU）组成。监控系统从1999年投运至2008年底改造，已运行了9年，部分电气设备已存在老化、性能下降的问题，且原监控系统设计的网络结构、冗余量、通讯方式已不能满足当前电站安全运行的需要。综合以上原因，考虑到原监控系统的GE90-30型PLC插件仍是现在市场上的主流产品且监控系统半数以上元器件仍能正常工作，公司决定仅对监控系统进行升级改造。
监控系统升级改造不同于更新改造。升级改造是指尽量保留系统的原有设备不动，只是对影响系统可靠性和性能提升的关键部位进行改造。更新改造是指直接将原系统移除，更换一套全新的系统。
二、城关电站计算机监控系统升级改造流程
（1）原监控系统LCU柜工作电源由柜内UPS装置提供，2004年～2005年在倒换厂用电、断合电源时LCU柜PLC电源模块频繁损坏。对损坏的模块进行检查，发现模块电子元件老化后，供电电压的波动易导致电源模块损坏。2005年我公司将LCU柜工作电源改为逆变电源装置供电后，电源模块损坏情况有所缓和，但电源模块损坏现象并未完全根除。
改造情况：将LCU柜供电电源改为供电更加可靠的两套互为冗余的交直流双供24V电源模块供电，正常时由交流220V电源供电，交流电源消失时，自动切至直流220V电源供电，交、直流切换时间为0秒。直流220V电源均直接取自220V直流系统馈线屏。双回路电源模块负载率均留有50%的裕度。
（2）原全厂机组和公用设备的传感器、变送器、数显表等的直流24V工作电源，均取自继保室直流24V直流系统馈线屏，存在如下问题：电缆跨接距离长；投产前安装公司施工未按图纸布线，随意跨接，电源点查找困难；部分直流馈线供电间隔数≥10个。
改造情况：我公司在机组和公用开关站LCU#1屏内，均增设了一对由交直流双回路供电，互为冗余的直流24V自动化元件电源模块，改造后，直流24V工作电源的设备均改由相对应机组、公用开关站LCU#1柜供电。优点如下：电源连接电缆长度明显缩短；供电回路更加简洁明了；每个直流馈线供电间隔数均≤3个；检修布置安措不会导致检修范围扩大；改造完成后继保室直流24V直流系统馈线屏退出运行，减少了对直流24V直流系统馈线屏内设备的定期维护工作量等。
以上两项改造中，交直流双供24V电源模块的选择非常重要，交、直流电源自动切换的时间必须为0秒，否则可能出现设备瞬间失电，严重的可能导致设备损坏。在设备选型时，我公司在对电源市场进行调查的同时，也询问其他电站的使用情况，最终选定国电南自自主研发的电源模块。安装时，我公司给每个电源模块输入侧配备独立的交、直流断路器，互为冗余电源模块24V输出侧短接后供电，并将电源模块异常信号的接点送至监控系统报警。这样安装可确保在发现某个电源模块损坏进行更换处理时，可以不影响其它模块和供电设备的正常工作。
（3）原监控系统通讯网络为总线拓扑结构，无冗余通讯通道。2006年后只要机组检修，机组LCU柜停电较长时间再送电后，监控系统上、下位机该机组的通讯均会出现不同程度的中断。重启系统或更换通讯板、发讯器后，可以正常通讯。询问厂家及电子类专家，认为是环境温度及电子元器件运行期限已到所致，如不更换整套通讯设备，该问题无法彻底排除。
改造情况：在原有单光纤通道的基础上，另外布设一条备用光纤通道，形成互为冗余的双以太网通讯网络。交换机主机选用友讯集团（D-Link）生产的在市场上大量使用的普通商业级10/100M网络产品，现地多模网络收发器选用上海兆越公司生产的普通型100M网络收发器，在保证可靠运行的前提下，方便备品采购和更换。
（4）原监控系统LCU柜各配备一台一体化工控机，主控层和现地控制单元层的所有上行下发数据均需经过一体化工控机打包处理后才能发送，接入方式如图1所示。
2006年后，我公司＃3机组LCU柜一体化工控机数次出现“硬盘无法找到”导致一体化工控机无法正常工作的问题。更换硬盘数据线也无法解决问题，需多次插拔硬盘，多次重启一体化工控机后才能正常工作。
2007年初＃2机组大修结束，对#2机组LCU柜送电，发现LCU柜一体化工控机显示“无PCI插件”。断电重新插拔一体化工控机PCI插件后，重启工控机系统发现系统文件丢失。经分析为系统崩溃，寄回厂家，重新安装操作系统和应用软件后正常。
同年，＃1机组LCU柜一体化工控机显示器黑屏，一体化工控机其它程序仍正常运行，外连显示器可正常显示，判断仅为一体化工控机显示器损坏无法使用。重新购置、更换一体化工控机后正常。
改造情况：保留监控系统中的所有现地控制单元GE90/30系列PLC，将其中GE90-30/360CPU模块更换为GE90-30/374CPU模块，新的GE90-30/374CPU模块上有1个标准TCP/IP以太网接口，网络接口速率10MBPS，并配有一个串行通讯口；同时将通讯模块IC693CMM311更换为双以太网口模块IC693CMM321。现地控制单元的PLC通过GE90-30/374CPU模块和IC693CMM321模块上的以太网口直接与监控系统双以太网通讯网络连接，满足双以太网的系统结构，修改通讯协议后，实现PLC直接上网，减少中间环节，提高网络通讯的速度和可靠性。
将液晶触摸屏与IC693CMM321模块另一个以太网口相连接，同时安装相关的组态软件，液晶触摸屏作为一个独立的控制节点，实现对现地控制单元的现地监视和控制。接入方式如图2所示。
在选用液晶触摸屏型号时，考虑到原监控系统工业级产品因厂家更新换代后，备品采购困难、费用高昂的缺点，升级后监控系统选用北京昆仑通态公司TPC-1561H嵌入式一体化触摸屏，该触摸屏具有以太网口、USB口、通讯串口、扩展接口等多个外部接口，方便现场的灵活选用。配套的MCGS嵌入式组态软件具有嵌入系统体积小，实时性高，可靠性高，方便不具备嵌入式软件开发经验的用户在极短的时间内使用嵌入式组态软件快速完成一个嵌入式系统的特点。该触摸屏还有市场保有量大、采购周期短、采购价格较低、性能可靠等优点。
（5）原监控系统投运时PLC模块的冗余接点预留不够。随着站内自动化设备的增加和部分设备改造，原有的冗余接点数量已远不能满足现场设备实际需要。原监控系统投运时也未预留与站内其它设备通讯的接口，站内很多报警信号无法在监控系统显示。
改造情况：在每套监控系统现地控制柜内各增加一块10槽I/O扩展底板IC693CHS392，通过I/O扩展电缆IC693CBL300与PLC单元的底板IC693CHS391相连接，在扩展底板上各配置4块32点24V直流开入板、2块32点24V直流开出板、2块16路模拟量输入板。保证改造结束后每套LCU的PLC插件各类输入、输出点均配备有15~20%的冗余，给今后10年厂内其他设备的升级改造留有足够的监视、控制通道。
在每套监控系统现地控制柜内各配备一台MOXA通信服务器，给升级后的监控系统配备足够通讯串口，满足机组LCU能够与调速器、励磁、发电机保护、测温巡检、机组火灾报警、转速装置、差压流量测控等装置进行串口通讯；公用开关站LCU能够与#1主变保护、#2主变保护、三沙线、沙坊线保护、母线保护、厂变保护、坝变保护、220V直流系统、5个交流数采装置等装置进行串口通讯。通讯串口的优点在于，仅使用一个接口就能实现大量开关量、模拟量信号的传输，为监控系统提供大量辅助监视数据。
（6）我公司原辅机自动化控制系统与监控系统是独立的两套系统。机组辅机与机组LCU间仅通过“开机令”脉冲或“停机令”脉冲进行联系，经常会出现监控上位机发出命令后，机组辅机无法正常接受命令的情况，需要多次发令；公用辅机与公用开关站LCU间完全没有关联。辅机自动化控制系统的输入/输出信号均没有接入监控系统，运行人员想要了解辅机运行状况，就必须到现地巡查。
改造情况：将所有机组辅机自动化控制系统并入相应的监控系统机组现地控制单元中，移除3个机组辅机自动化控制系统现地屏柜。因原机组辅机自动化控制柜与机组LCU柜相邻，控制电缆、信号电缆可直接接入机组LCU柜中，接线相对容易。机组辅机自动化控制程序是监控系统机组PLC控制程序的子程序，需要对其进行重新编写、调试，改造后方便运行值班人员的远方监视和控制，提高了机组辅机控制的可靠性。
因公用辅机设备与公用开关站LCU屏柜之间距离较远且未设计电缆通道，重新敷设电缆需在厂房建筑上重新开槽、开孔架设电缆桥架，施工难度大、耗时长、影响范围广，故改造前就排除将公用辅机控制、信号回路直接接入公用开关站LCU屏柜的方案。改造前共制定了两个方案。方案一：保留公用辅机自动化控制系统现地屏柜，保持所有公用辅机设备控制回路不变，将公用辅机自动化控制系统屏柜改造为公用开关站LCU的远程I/O屏柜。进行实地测量后发现，两个屏柜布线距离超过100米，远程I/O方式的通讯信号易受干扰且信号容易丢失，方案一被推翻。方案二：敷设光纤，更换公用辅机自动化控制系统柜的CPU模块、CMM模块，将其升级为监控系统的一个独立现地控制单元，通过双回光纤与监控系统通讯网络直接连接，该方案实施后，同样实现了运行值班人员对公用辅机的远方监视和控制，效果良好。
三、结语
监控系统升级改造与新电站设备投运不同，必须分阶段逐步进行改造，改造时间也应合理安排，必须留有充裕的设备调试时间，保证监控系统升级后的运行可靠性。我公司2008年12月首先是对监控系统通讯网络和公用辅机柜进行升级改造，2009年利用三台机组年度小修机会，陆续对机组现地控制单元进行升级改造。目前监控系统升级改造工作已全部完成，解决了旧监控系统很多无法解决的难题，运行情况良好，监控系统的性能、可靠性得到进一步的提升，符合升级改造要求，但升级后的PLC控制程序和通讯协议仍需要一段时间运行磨合、修改才能够臻至完善。
本次升级改造，我公司在保证改造后监控系统安全可靠运行的前提下，尽量选用技术成熟、市场保有量大的普通型产品，在降低改造费用的同时，又保证了设备的可靠运行和方便备品备件的采购。
（责任编辑：刘俊卿）