稳态强磁场电源移动监控系统设计

陈庆武,王 灿,徐烟红,陈文革

1.安徽大学物质科学与信息技术研究院;2.中国科学院强磁场科学中心;3.强磁场安徽省实验室

0 引言

稳态强磁场实验装置是我国自主研制的能提供稳态强磁场实验条件的国家重大科技基础设施,其包含水冷磁体系统、超导磁体系统、混合磁体系统、技术装备系统及实验测试系统等[1]。

28 MW高稳定度电源系统是水冷磁体的核心技术装备系统之一,由2组14 MW电源并联组成,每组电源额定输出电压700 V,额定输出电流20 kA,输出电流稳定度优于10 ppm(1 ppm=10-6)。每组电源由10 kV高压开关柜、整流变压器、无功补偿器、可控硅整流桥、滤波系统、换向开关及母排、控制保护系统及后台监控系统等构成。电源监控系统用于对电源的运行数据实时监测,对电源子系统及各设备的运行状态实时监控,一旦电源设备或磁体出现故障,控制保护系统须立即执行相对应的保护动作,避免造成设备或磁体的损坏[2]。因此电源监控系统对电源和磁体的稳定可靠运行、实验故障排查解决具有非常重要的意义。

现有电源监控系统安装在中央控制室,只有在控制室才能观察到实验数据与运行信息,因而运行人员需要一直在中央控制室现场监守和操作。随着强磁场装置用户数量和实验机时的不断增加,工作日平均实验机时已达到12 h以上,这对电源运行人员的工作量和工作任务都提出了较高要求。

为了降低电源运行人员的工作量,能随时随地掌控电源的运行状态,对实验和电源设备的突发状况能及时发现和处理,降低电源运行过程中的安全隐患,本文设计了稳态强磁场电源移动端远程监控系统,让运行人员可以随时随地在移动端设备上查看电源运行的关键数据和运行状态(电压、电流、报警记录等),并通过移动端设备对电源系统设备进行遥控,快速解决电源运行过程中的故障,提高电源运行效率和实验效率。

1 研究背景

1.1 监控对象

电源监控系统的监控对象主要包括2组14 MW整流电源系统和10 kV开关柜。每组整流电源系统由8台电源柜体组成:4台整流电感柜、1台滤波电容柜、1台有源滤波柜、1台DCCT柜、1台控制保护柜,S7-300 PLC作为整流电源系统的主控制器起到保护和控制作用。电源系统共计6台10 kV开关柜,CB0开关柜为10 kV母线的总进线开关,CB1、CB2分别是10 kV母线接入2组电源的开关,CB3～CB5是3组无功补偿PFC设备的开关,由微机综保测控装置(PSC691、PST693)采集开关柜的数据,对整流变压器、无功补偿电容器的运行状态进行监测,对每台开关柜的电压、电流等参数进行采集。CB1和CB2开关柜还同时执行2组电源的故障分断保护。

1.2 监控系统的组成

现有电源监控系统以300PLC和开关柜综保装置作为下位机,负责采集电源和开关柜的数据,控制分合10 kV真空断路器、分合油泵、PLC远程复位、系统本/远控切换。上位机使用LabVIEW编程的监控界面,负责与下位机通信,展示获取的电源运行和状态数据,并下发遥控命令至下位机,实现遥控功能。

本文以现有电源监控系统为基础,通过Web服务器,设计实现电源移动监控系统[3]。移动端同时使用C/S(客户端/服务器)结构与B/S(浏览器/服务器)结构[4],C/S结构中以Android APP为客户端。电源监控系统结构图如图1所示。

图1 电源监控系统结构图

2 LabVIEW上位机设计

LabVIEW上位机与Web服务器通信时[5-6],LabVIEW上位机作为客户端,Web服务器作为服务端。每间隔1 s,LabVIEW会向服务器发送1次本地数据,发送数据时,LabVIEW会先把数据捆绑成JSON格式的簇,然后调用子vi发送至Web服务器。每间隔2.5 s,LabVIEW会向服务器请求获取遥控命令数据。LabVIEW上位机接收到遥控命令数据后,需要先进行解析,解析之后的命令会与当前电源系统设备状态进行逻辑处理,当命令与系统设备的状态不冲突时,才会执行命令,对设备进行操作。当命令与系统设备的状态冲突时,上位机会重置服务器的命令。LabVIEW数据处理流程图如图2所示。

图2 LabVIEW数据处理流程图

3 服务器设计

服务器由javaweb后端项目、MySQL数据库、vue前端项目组成。其中javaweb后端项目使用java语言,基于SSM框架,在IDEA开发平台开发,并部署在tomcat服务器上,vue前端项目使用HTML+CSS+JavaScript,基于vue前端框架,在VSCode开发平台开发。目前web服务运行在阿里云服务器上。

3.1 服务器逻辑设计

服务器主要有两大功能:一是接收LabVIEW上位机运行数据(具体包括PS1、PS2、PS3 3个电源的输出电流、电压、报警记录数据及电源系统各设备运行状态数据),将运行数据保存在数据库中,然后在移动客户端展示。二是接收移动客户端发送的遥控命令数据(包括分合10 kV真空断路器、分合油泵、PLC 远程复位、控制系统本/远控切换),将遥控数据保存在数据库中,然后发送给LabVIEW上位机解析处理。服务器数据处理流程如图3所示。

图3 服务器数据处理流程图

3.2 数据库设计

数据库使用MySQL关系型数据库,数据库中包含7个表:PS1报警记录、PS2报警记录、PS3报警记录、电流电压、电流缓存、状态监控、远程控制。其中PS1报警记录、PS2报警记录、PS3报警记录表分别用于存储PS1电源、PS2电源、PS3电源的报警记录信息,电流电压表中只存储1条数据,当前时间产生的电流、电压数据,每s更新此条数据。电流缓存表存储的是距当前时间1 h内的电流数据,每s接收1条,一共3 600条数据,移动客户端根据3 600条数据生成电流波形图。状态监控表存储的是电源系统设备的运行状态数据。远程控制表存储的是移动客户端发送的控制命令数据。

PS1报警记录、PS2报警记录、PS3报警记录、电流电压、电流缓存、状态监控表存储的数据为运行数据,这些数据是LabVIEW上位机发送,移动客户端接收。远程控制表存储的数据为遥控数据,这些数据是由移动客户端发送,LabVIEW上位机接收。数据库设计如图4所示。

图4 数据库设计图

在Web服务器后端运行着2个模块,执行定时删除数据库冗余数据的任务。一个是每天删除PS1报警记录、PS2报警记录、PS3报警记录表中一星期前的数据:一个是每10 min删除电流缓存表中1 h前的数据。定时删除冗余数据可以减少客户端请求的延迟时间,使客户端更快的获取到数据。

4 移动端设计

本文同时使用C/S(客户端/服务器)结构[7-8]与B/S(浏览器/服务器)结构,C/S结构中以Android APP 为客户端。相较与使用浏览器,使用Android APP响应速度更快,用户交互体验更好,缺点是只有安卓设备才能下载使用。使用苹果设备的用户可以通过浏览器使用移动监控系统。

不管是使用Android APP还是使用浏览器,移动监控系统的功能和界面都是相似的,共有运行、遥控、警报界面,可查看实时电流、电压数据,具有波形图功能、远程遥控功能、查看报警记录功能。

4.1 运行功能模块

运行界面是初始的默认界面。在此界面中可以查看3个电源的电流、电压数据和是否有警报。电流、电压数据是实时更新的,每s更新1次,且在下方能够看到当前时间前1 h的电流波形图。是否有警报由状态展示灯显示,无警报时为绿色,有警报时为红色。Android APP运行界面如图5所示,浏览器运行界面如图6所示。

图5 Android APP运行界面

图6 浏览器运行界面

4.2 遥控功能模块

在遥控界面可以发送遥控命令,远程遥控设备,具体包括分合10 kV真空断路器、分合油泵、PLC 远程复位、控制系统本/远控切换等。大功率电气设备的安全运行至关重要,在对这些设备进行遥控操作时,需要先在遥控界面进行密码验证。密码验证通过后,会跳转到远程遥控界面。界面内有button按钮和switch开关,点击可以向服务器发送相应操作的命令。命令在发送前会弹出对话框,确认是否发送命令,以防误触。发出命令后,可以观察状态指示灯,确认命令是否执行成功。以Android APP为例,其遥控界面如图7所示。

(a)密码验证界面

4.3 警报功能模块

用户可以在警报界面查看最近1周的报警记录,报警记录根据时间顺序展示,最新时间的报警记录在最上方,上拉加载更多的报警记录。在报警记录更新时,Android APP可以通过通知栏提醒用户,而浏览器不会。Android APP警报界面如图8所示。

图8 Android APP警报界面

5 结束语

本文基于LabVIEW上位机监控系统,开发电源移动监控系统,将LabVIEW上位机监控系统与移动端设备结合,可以随时随地监控电源系统,实时了解系统运行状态,及时发现安全隐患,不用值班人员一直在中央控制室值守,减少工作量,因此电源移动远程监控系统是实现中央控制室未来智能无人值守的重要环节。实验表明:移动电源监控系统稳定可靠。