基于“胖”客户端的自动化综合实训平台

2015-07-28潘仲力张仁贡

水电站机电技术 2015年10期

关键词：平台自动化客户端

潘仲力，张仁贡

（1.永嘉县金溪水电有限公司，浙江永嘉 325300；2.浙江同济科技职业学院，浙江杭州 311231）

基于“胖”客户端的自动化综合实训平台

潘仲力1，张仁贡2

（1.永嘉县金溪水电有限公司，浙江永嘉 325300；2.浙江同济科技职业学院，浙江杭州 311231）

摘要：针对浙江同济科技职业学院自动化专业的发展瓶颈，解决学生综合自动化实训问题，构架了电气自动化综合实训平台。该平台采用“胖”客户端技术进行构架，采用了网络技术、互联网技术、控制技术等核心技术，实践表明，该平台运行稳定，能够提高学生的技能，使培养的学生零距离接近社会就业，提高了学生的就业率，为其他院校建立自动化综合平台提供借鉴。

关键词：客户端；自动化；实训；平台

1引言

永嘉县金溪水电有限公司和浙江同济科技职业学院是紧密型校企合作单位，作为一名企业专家，参加了浙江同济科技职业学院自动化技术专业的建设服务，以尽自己的微薄之力。

随着浙江同济科技职业学院自动化技术专业建设步伐的加快，为适应《PLC》、《单片机》、《电气设备》、《电力系统继电保护》、《电力系统分析》等课程实验教学的要求，急需构建电气自动化技术综合实训平台。以下从硬件基础、软件基础、教学基础三个方面来探讨建设电气设备计算机监控系统实验平台应具备的条件。

1.1硬件基础

由于浙江同济科技职业学院采取的是以培养职业高技能人才为主的教学形式，所以有着多年的硬件设施积累，目前已经建设的很多实验设备并没有完全发挥其教学和科研价值，仅仅提供了教学演示和教学实验实习功能。因此需利用新校区建设的契机，使原有的实验实习设备和新增高新技术实验设备，进行合理的综合分析，构建出“产学研”一体化的各种实验室平台。实际建设中，并不需要建立独立封闭式的实验室。现代网络技术和控制技术可以实现各实验室在地理概念上的相互独立，但在系统概念上又相互关联，充分发挥每个具体设备的价值。实际上，无论是变电站的监控还是电气设备的监控，都不是将所有的子系统集成在一个控制室内的。因此，在新校区的楼宇综合布线系统上就应做好总体的规划和设计，在这一点上，浙江同济科技职业学院机械和电气系的广大教师在综合布线系统的规划和设计上花费了大量的心血，使得建设一个电气自动化技术综合实训平台的网络部分已经基本具备。

1.2软件基础

在现地控制领域，通过几年的教学、实验室建设、培训以及考工设计实践，机械和电气系对微机和PLC软件的设计和开发都积累了宝贵的经验。另外，在已经建成的基于组态和PLC的可编程控制实验室内，使用的组态软件和PLC控制编程软件是完全基于网络的，是能够应用于水利、电力、化工等各行业的工业级监控系统开发软件平台。该开发平台可以作为建设实验平台初期的开发软件。

1.3教学基础

浙江同济科技职业学院一直以来都是从事电气设备相关知识的教学工作。多年的教学工作使相关教师具备了坚实的理论基础和较高的理论教学水平。这些资源表明建设水利工程计算机监控系统实验平台已经具备了较充分的学术理论水平。除了原有长期从事电气设备相关课程教学的教师部分在读或完成研究生学业之外，新参加工作的教师基本上是电力系统相关专业毕业的研究生，在校期间就从事电力系统方面的学习、应用和研究，具备一定的学术水平和实际开发、研究能力。例如，在校就读和研究方向就分别为系统监控方向、系统分析方向、发电机励磁方向、水轮机方向等等。应该在帮助他们提高教学水平和教学质量的同时，充分发挥他们在科学研究与实际运用领域的能力。大量的学生也是不可忽视的人才资源，让他们参与实验平台的建设，一方面可以巩固和深化学习的理论知识，提高实际工作能力；另一方面可以分担实验平台建设中指导教师的工作压力，使负责教师专心于总体指导以及对具体细节问题进行深入的分析和研究。

2需求分析

根据专业的教学实验、学生毕业设计、培训、考工以及教师科研的需要，水利工程计算机监控系统实验平台应该具有以下一些功能特点：

1）水利工程计算机监控系统实验平台要满足教学要求，并应该根据实际应用和发展的需要进行规划和设计。

2）应该具有多个节点的环形电力网构架，可通过投切输电线路，能灵活改变网络结构。

3）能对发电厂、变电站及电力系统中常用的自动装置、变电站监控、电力系统运行、继电保护等教学内容进行操作实验。

4）通过本监控平台，可实现电力系统“四遥”功能，改变电力网潮流的分布。

5）能够实现数据的集中监控，设备的自动控制。

6）应该具有结构灵活多变、功能强大、运行可靠、维护方便等特点。

7）实验内容要基本覆盖电力，电气类专业的主要专业课程的实验内容，综合性要强，可满足学生实验、毕业设计和教师科研的需要。

8）针对线路的三相故障，可进行故障分析实验。

3总体规划和设计

经过多方考察和调研，目前一些水利和电力院校已建的计算机监控实验室照抄水利工程计算机监控的实际模式，很不实用。因为水利工程计算机监控的实际模式是面向电气设备而建设的，而不是面向教学。在水利工程计算机监控的实际模式中，现有的水利工程计算机监控系统的结构主要有两种：分层分布式监控系统和集中式监控系统。分层分布式监控系统分为电站主控层和现地控制单元层（LCU），现地控制单元层具有工业控制微机或PLC，电站主控层由各功能的工作站组成，整个系统用局域网（LAN）进行联接。集中式监控系统无现地控制单元，由1台计算机承担人机接口和远动功能。如某电站有2台机组，若采用分层分布式监控系统，则其网络拓扑结构简图如图1所示；若采用集中式监控系统，则其网络拓扑结构简图如图2所示。从图1和图2可以看出，无论采用何种结构模式，其客户端数目都很少，图1的客户端只有4台计算机（每个工作站1台），而图2则只有1台计算机，这样就不符合教学中学生和老师需要多台客户端计算机的模式。许多院校按照图1或图2建成的计算机监控实验平台，只能用来参观，而没有足够的客户端计算机供学生上机操作。水利工程计算机监控的实际模式是按照“少人值班”、“无人值守”等原则设计的，采用的“瘦”客户端设计理念，与教学中需要满足尽量多的学生作实验的理念背道而驰。为此，我们机电系经过深入的研究，决定采用一种新的面向教学的电气自动化技术综合实训平台构架，这里我们称之为“胖”客户端解决方案。“胖”客户端解决方案充分考虑了教学、科研、培训以及考试等需求，是一个采用现有的技术完全能够实现的综合计算机监控实验平台，其网络拓扑结构图如图3所示。从图3可以看出，各模拟发电厂及开关站，母线及线路电量由各发电厂控制器及三相电量智能监测仪采集并传送至主站，实现遥测功能；各开关，断路器状态通过PLC采集后，传送至主站，实现遥信功能；PLC接受并执行主站发送的命令，完成对断路器的分合闸操作，实现遥控功能；各发电机厂控制器（微机调速器和微机励磁器）接受并执行主站发送的调度命令，调整发电机的有功和无功出力，实现遥调功能。

图1分层分布式监控系统网络拓扑结构简图

图2集中式监控系统网络拓扑结构简图

服务器主站采用高性能工控机，上位机软件采用现在电力系统流行的组态软件，主站与各电站的控制器、智能监测仪、PLC之间通过485总线相连，通信协议采用开放的Modbus协议。

教师机和学生机通过交换机和服务器主站相连接。教师机和学生机均可通过网关连入互联网。

该方案成功解决了教学、科研、培训以及考工等功能需求，投资少，见效快，彻底打破了国内一些院校投资高、实际利用效率低、学生只能参观不能动手操作的构架模式。同时跳出了按照实际电站模式进行构架的设计误区。

图3“胖”客户端计算机监控实验平台网络拓扑结构图

4软硬件配置

按照自主设计的”胖”客户端解决方案，需要进行以下软硬件配置。

4.1硬件配置

硬件包括三大部分：电气自动化技术综合实训平台、模拟发电厂及开关站系统和监控通信网络。

（1）电气自动化技术综合实训平台包括发电机组，实验操作台，实验控制屏，无穷大系统和负荷柜。发电机组由安装在同一个轴上的三相同步发电机，直流电动机，测速装置和功角指示器组成。采用直流电动机模拟水轮机，所有配件均固定在可移动的推车上，方便学生做实验。三相同步发电机：SN=2.5 kVA, VN=400V,nN=1500rpm（推荐）；直流电动机：PN=4 kW，VN=440 V（推荐）；实验操作台由输电线路单元，微机线路保护单元，测量仪表单元，故障模拟单元和各种手动和自动切换开关等构成；实验控制屏由发电机励磁电源单元，原动机电源单元，微机调速器装置，微机准同期装置，微机励磁装置，常规励磁装置和数字式带存储示波器组成。

（2）模拟发电厂及开关站系统包括电力网络单元，PLC控制器，电量监测仪，分合闸开关，报警指示灯和工控机等。

（3）通信网络包括：交换机，教师机和学生机。

4.2软件配置

软件的配置包括操作软件、基本软件、应用软件及工具软件等的配置。

（1）操作软件：系统软件是随计算机硬件设备同时购入由系统软件生产厂商提供的软件，用以提供监控系统其他软件运行的环境，用户软件的开发手段，如用户程序的编辑、编译、联接、任务的插入、运行、退出等。教师实验台和学生实验台可安装Windows2000/XP操作系统；

（2）基本软件：基本软件是实现监控系统功能所必须的软件，如数据采集、数据处理、数据库管理、图形显示、报表生成、语音报警等软件。基本软件可采用基于工业上的SCADA系统（即数据采集与监视控制）。SCADA是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等功能。在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平方面有着不可替代的作用。它应具备的具体功能如下：

1）实时显示各发电厂的运行状态。

2）采集和处理各开关站的电量参数并显示。

3）实时监视各断路器的位置，保护动作出口状态。

4）存储和打印电力网络的电量参数。

5）实时显示电力网络的潮流分布。

6）进行复杂电力系统的潮流计算。

7）可绘制历史曲线。

8）具有“四遥”功能。

（3）应用软件：应用软件是实现生产过程操作或控制功能的软件。工程特性的不同、功能的差异，应用软件的差别很大，一般需特殊处理。本实验平台的应用软件应具有强大的Web功能和Internet/Intranet浏览器功能，能直接支持多文档。当在Internet上远程访问监控画面时，应具有很好的实时性。同时易于使用ASP等快速开发工具构建B/S系统结构，并可以直接访问单窗口。可支持B/S和C/S访问方式，支持多层次网络冗余及故障切换。提供多重冗余结构，支持IO设备冗余、网络冗余、数据库冗余等。它具备以下一些特点：

1）HMI新特点：重新设计的HMI开发系统，更多的组件和控件来方便您构成强大的系统；丰富的函数和设备驱动程序使集成更容易；

2）分布式网络：本实验平台应该是一个分布式网络系统。可以根据实际需要，灵活地构建符合要求的网络结构，网络中的各个监控节点可以构建B/S 和C/S等方式。

3）开放性：应用软件应为开放式体系结构，全面支持DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX、DNA标准。以OLE、COM/DCOM、动态链接库等多种形式提供外部访问接口，能使教师和学生利用各种常用开发工具（如：VC++、VB等）进行深层的二次开发。

（4）工具软件：工具软件是提高系统开发效率的软件，它可以减轻软件开发与维护强度，提高系统的可靠性，使开放系统真正地向用户开放。因此，本实验平台应采用计算机领域先进的组态软件进行系统设计，组态软件采用面向对象编程技术，它结合了工厂自动化的特点，组态灵活、开放性好，提供给使用者集成环境下的简便快速生成工具、构造控制系统以及完成现场调试和维护。组态软件具有丰富的人机界面，提供给运行人员友善的接口，操作既方便又安全，既简单又可靠，既发挥多窗口的特点，又满足了运行人员的习惯。