PAGEPAGE1第一部分基礎理論水電站計算機監(jiān)控技術(shù)是一門綜合性很強的科學，它是水電站硬件技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和自動化監(jiān)控技術(shù)等多種技術(shù)的有機融合。要深入了解水電站計算機監(jiān)控技術(shù)，必須先了解水電站監(jiān)控系統(tǒng)的各種基礎裝置、計算機應用基礎、數(shù)據(jù)通信基礎以及計算機監(jiān)控系統(tǒng)的模式和配置等內(nèi)容。在后面的學習中，我們將逐步理解水電站計算機監(jiān)控技術(shù)的深刻內(nèi)涵。第1章概論1.1水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展概況安全經(jīng)濟運行是水電站最根本的任務之一。隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，電力需求迅猛增長，興建的水電站越來越多，其容量也越來越大，如正在建設的三峽水電站，總裝機容量高達18200MW。為了實現(xiàn)安全發(fā)供電，需要經(jīng)常監(jiān)測的量成千上萬，需要實現(xiàn)的控制功能也越來越復雜。特別是抽水蓄能電廠的出現(xiàn)，機組的工況不僅有發(fā)電、調(diào)相，而且還有抽水、各種工況之間的相互轉(zhuǎn)換，使控制功能進一步復雜。為了實現(xiàn)水電站的優(yōu)化運行以期達到整個系統(tǒng)的的經(jīng)濟運行，需要進行的計算更為復雜。以上這些復雜的工作使原來在水電站上廣泛使用的布爾邏輯型自動裝置越來越難以勝任，因此采用更為先進的技術(shù)成了迫不及待的任務。與此同時，計算機科學發(fā)展異常迅猛，技術(shù)日新月異，其性能日趨完善，而價格日益下降，這為計算機監(jiān)控取代常規(guī)的布爾邏輯型自動裝置提供了良好的物質(zhì)基礎。早在20世紀70年代，計算機已開始應用于水電站，起先用于各項離線計算和工況的監(jiān)測，后來，逐漸進入到控制領域。它經(jīng)歷了一段從低級到高級，從順序控制到閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，從局部控制到全廠控制，從電能生產(chǎn)領域擴展到水情測報、水工建筑物的監(jiān)控、航運管理控制等各個方面，從監(jiān)控到實現(xiàn)經(jīng)濟運行，從個別電廠監(jiān)控到整個梯級和流域監(jiān)控的發(fā)展過程。出現(xiàn)了一批用微機構(gòu)成的調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器、同期裝置和繼電保護裝置等。多媒體技術(shù)應用使電廠中控室的設計發(fā)生了巨大的變化。巨大的模擬顯示屏正在逐漸被計算機顯示器所代替；常規(guī)操作盤基本上已被計算機監(jiān)控系統(tǒng)的值班員控制臺所取代；運行人員的操作已從過去的扭把手、按開關轉(zhuǎn)為計算機鍵盤和鼠標操作。運行人員的工作性質(zhì)也發(fā)生了質(zhì)的變化，從過去的日常監(jiān)盤和頻繁操作轉(zhuǎn)變?yōu)檠惨暎?jīng)常的監(jiān)測和控制調(diào)節(jié)工作都由計算機系統(tǒng)去完成。運行人員的勞動強度大大減輕，人數(shù)也大大減少，甚至出現(xiàn)了無人值班或“無人值班”（少人值守）的水電站?？傊?，采用計算機監(jiān)控已成了水電站自動化的主流。1.1.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀從20世紀70年代起，計算機監(jiān)控在國外一些水電站上取得了實質(zhì)性的進展，出現(xiàn)了用計算機控制的水電站。最初，由于計算機價格比較昂貴，全廠只用一臺計算機實現(xiàn)對主要工況的監(jiān)視和操作，通常采用開環(huán)調(diào)節(jié)控制。后來，隨著計算機性能改善和價格下降，出現(xiàn)了采用多臺計算機實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制的水電站。高性能微機的出現(xiàn)使微機在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中得到普遍的應用。現(xiàn)在，新投入的水電站大都采用由多臺計算機構(gòu)成的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。世界各國的發(fā)展是不平衡的，目前關于水電站實現(xiàn)計算機監(jiān)控的情況還缺乏完整統(tǒng)計資料。就國家來說，美國、法國、日本和加拿大等國在這方面是比較領先的。國外研制水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)有許多公司，其中比較著名的有，加拿大的CAE公司、瑞士和德國的ABB公司、德國的西門子公司、法國的ALSTOM公司（原CEGELEC公司）、日本的日立公司和東芝公司、美國和加拿大的貝利公司、奧地利的依林（ELIN）公司等。各公司都推出自己的系列產(chǎn)品，在世界各地得到了廣泛的應用。我國水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的研制工作起步并不晚。早在70年代末，原水電部就組織了南京自動化研究所（現(xiàn)改為電力自動化研究院）、長江流域規(guī)劃辦公室（現(xiàn)改為長江水利委員會）和華中工學院（現(xiàn)改為華中科技大學）研究葛洲壩水電站采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)問題。隨后，中國水利水電科學院研究院（簡稱水科院）自動化研究所開始了富春江水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的研制工作。天津電氣傳動設計研究所（簡稱天傳所）也開始了永定河梯級水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的研制工作。這些監(jiān)控系統(tǒng)于80年代中期先后投入運行。與此同時，我國也引進了一些國外研制的監(jiān)控系統(tǒng)。采用CAE公司產(chǎn)品的有葛洲壩大江電廠、隔河巖水電站和龔嘴梯調(diào)；采用西門子公司產(chǎn)品的有魯布格水電站、廣州抽水蓄能電廠C二期、龔嘴水電站；采用ABB公司產(chǎn)品的有潘家口、天生橋二級、溪口、寶興河梯級和二灘等水電站；采用貝利公司產(chǎn)品的有十三陵抽水蓄能電廠和天荒坪抽水蓄能電廠；采用法國CEGELEC公司產(chǎn)品的有廣州抽水蓄能電廠（一期）、高壩洲水電站；采用依林公司產(chǎn)品的有小浪底水電站。十多年來，國內(nèi)的研制單位也取得了很大的成就。已投運的幾十個計算機監(jiān)控系統(tǒng)中絕大多數(shù)是由國內(nèi)單位研制的。技術(shù)水平也有了很大的提高，達到了國外90年代的水平。許多新技術(shù)，如分層分布處理、分布式數(shù)據(jù)庫、開放系統(tǒng)、網(wǎng)絡、多媒體、專家系統(tǒng)等，都得到了相應的應用。電力自動化研究院和水科院自動化研究所還推出了自己的系列產(chǎn)品，不僅在國內(nèi)水電站得到廣泛的應用，甚至還出口到國外。根據(jù)近年來的實踐，新建的大中型水電站已基本采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)，不采用的已是少數(shù)。1.1.2水電站計算機監(jiān)控方式的演變隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，水電站監(jiān)控的方式也隨之改變，計算機系統(tǒng)在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的作用及其與常規(guī)設備的關系也發(fā)生了變化，其演變過程大致如下。以常規(guī)控制裝置為主、計算機為輔的監(jiān)控方式（Computer-AidedSupervisoryControl，簡稱CASC）早期由于計算機價格比較昂貴，而且人們對它的可靠性不夠信任，因此，計算機只起監(jiān)視、記錄打印、經(jīng)濟運行計算、運行指導等作用，水電站的直接控制功能仍由常規(guī)控制裝置來完成。采用此方式時，對計算機可靠性的要求不是很高，即使計算機局部發(fā)生故障，水電站的正常運行仍能維持，只是性能方面有所降低。采用這種控制方式的典型例子是依泰普水電站運行的初期（80年代上半期）。當時采用這種控制方式的理由是，根據(jù)巴西和巴拉圭的國情，認為采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)的經(jīng)驗還不夠成熟，缺乏相應的技術(shù)力量，故而先采用能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視記錄等功能的計算機系統(tǒng)，而水電站的控制仍由常規(guī)設備來完成。這樣，可以為將來可實現(xiàn)控制功能的系統(tǒng)作準備，同時可以減少前期的投資。后來，依泰普水電站已將它更新為具有復雜控制功能的、比較完善的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。國內(nèi)采用這種控制方式的典型例子是富春江水電站綜合自動化的一期工程（80年代上半期）。一期工程是一個實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理、提供機組經(jīng)濟運行指導和全廠運行狀態(tài)的監(jiān)視記錄，計算機不直接作用于生產(chǎn)過程的控制。這在當時是適合的，后來也被更新為能實現(xiàn)控制功能的比較完善的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。這種控制方式的缺點是，功能和性能都比較低，并對整個水電站自動化水平的提高有一定的限制，目前新建水電站已很少采用。對已運行的水電站，尤其是在中小型水電站，在常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上，加一點專用功能的全廠自動化裝置，如自動巡回檢測和數(shù)據(jù)采集裝置，按水流或負荷調(diào)節(jié)經(jīng)濟運行裝置等，也可取得很好的技術(shù)經(jīng)濟效益，投資也不大，對運行管理水平要求不太高，這種CASC方式還是可以采用的。國外也有不少這樣的例子。計算機與常規(guī)控制裝置雙重監(jiān)控方式（Computer-ConventionalSupervisoryControl，簡稱CCSC）隨著計算機系統(tǒng)可靠性的提高和價格的下降以及人們對計算機實現(xiàn)監(jiān)控的信任度的提高，人們較容易接受讓計算機直接參加控制，但對它還不是很放心，所以出現(xiàn)了計算機與常規(guī)控制裝置雙重監(jiān)控的方式。此時，水電站要設置兩套完整的控制系統(tǒng)，一套是以常規(guī)控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng)，一套是以計算機構(gòu)成的系統(tǒng)，相互之間基本上是獨立的。兩套控制系統(tǒng)之間可以切換，互為備用，保證系統(tǒng)安全可靠運行。采用這種方式的原因是：有些用戶，特別是大型水電站，對計算機系統(tǒng)的可靠性仍有較大的顧慮，總覺得計算機系統(tǒng)沒有常規(guī)系統(tǒng)可靠，心理上有障礙，要設一套常規(guī)系統(tǒng)作后備。原來的水電站運行值班人員習慣于常規(guī)設備的操作，不熟悉計算機系統(tǒng)的操作，需要一段適應過程。計算機系統(tǒng)檢修時，常規(guī)系統(tǒng)可以投入運行，不影響水電站的正常運行。如果水電站已有常規(guī)系統(tǒng)，加設計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以減少干擾，不影響電廠的正常運行。這一點對已運行水電站的改造是有現(xiàn)實意義的。國外采用這種方式的典型例子是美國邦納維爾第二電廠（558MW）和巴斯康提抽水蓄能電廠（2100MW）。國內(nèi)采用這種控制方式的典型例子是葛洲壩大江電廠（1750MW）和龍羊峽水電站（1280MW）。采用這種方式的缺點是：①由于需要設置兩套完整的控制系統(tǒng)，投資比較大；②由于兩套系統(tǒng)并存，相互之間要切換，二次接線復雜，可靠性反而有所降低。目前新建水電站已很少采用這種控制方式。以計算機為基礎的監(jiān)控方式（Computer-BasedSupervisoryControl，簡稱CBSC）隨著計算機系統(tǒng)的可靠性進一步提高和價格的進一步下降，出現(xiàn)了以計算機為基礎的監(jiān)控系統(tǒng)。采用此方式時，常規(guī)控制部分可以大大簡化，平時都采用計算機控制。因此，對計算機系統(tǒng)的可靠性要求就比較高，這可以采用冗余技術(shù)來解決，保證系統(tǒng)某一單元或局部環(huán)節(jié)發(fā)生故障時，整個系統(tǒng)和電廠運行還能繼續(xù)進行。采用此種方式時，中控室僅設置計算機監(jiān)控系統(tǒng)的值班員控制臺，模擬屏已成為輔助監(jiān)控手段，可以簡化甚至取消。國外采用這種方式的典型例子是美國的大古力水電站（6150MW），委內(nèi)瑞拉的古里水電站（10000MW）、法國的孟德齊克抽水蓄能電廠（920MW）等。國內(nèi)采用這種方式的典型例子是漫灣水電站（1250MW）。這種控制方式是目前國內(nèi)外水電站普遍采用的計算機控制方式。取消常規(guī)設備的全計算機控制方式隨著計算機技術(shù)的進一步發(fā)展和水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)運行經(jīng)驗的累積，出現(xiàn)了以計算機為唯一監(jiān)控設備的全計算機控制方式，實際上它是CBSC方式的延伸。此時，取消了中控室常規(guī)的集中控制設備，機旁也取消了自動操作盤。中控室還保留模擬顯示屏，但其信息取自計算機系統(tǒng)，不考慮在機組控制單元（計算機型的）發(fā)生故障時進行機旁的自動操作。此時，對計算機系統(tǒng)的可靠性提出更高的要求，冗余度也要進一步提高。采用這種方式的典型例子是我國隔河巖水電站（1200MW），采用CAE公司的產(chǎn)品。這種方式投資比較大，但它有良好的應用前景，將成為未來的水電站計算機控制方式的主流。1.1.3小型水電站計算機監(jiān)控現(xiàn)狀由于早期的研制主要集中于大、中型水電站，對小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究較少，因此使得我國水電站自動化技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了極不平衡的局面，小型水電站的自動化水平目前還處于比較落后的狀態(tài)。在小型水電站自動化裝置的研究方面，與國外的先進水平相比還有一段較大的差距。針對小型水電站的特點而專門進行的一項研究是在20世紀90年代中期進行的，是由國電自動化研究院與石景山發(fā)電總廠合作在下葦?shù)樗娬救萘烤鶠?5MW的5號和6號機上進行的發(fā)電綜合控制裝置（GCU）的研究試驗。由于GCU的設計構(gòu)想是集調(diào)速、勵磁、順控、同期、測量5個功能于一體，因此又稱為“五合一”裝置。經(jīng)一段時間的試運行，甩100%負荷試驗，從高井到下葦?shù)?號機的遠方控制等情況來看，該套裝置運行正常，達到預期目的。為了促進小水電站實現(xiàn)自動化控制，水利部亞太小水電中心和國家電力公司南京自動化股份有限公司都在小型水電站監(jiān)控方式方面進行了一些探討。此外，武漢華工電氣自動化有限責任公司、南京自動化設備廠和許昌繼電器集團有限公司等科研、制造單位也做了不少工作，在我國已形成了SDJK、DZWX、SSJ-3000、CSCS系列、SD200和SJK-3000等多種產(chǎn)品。下面作一簡要介紹。SDJK系列水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，是水利部亞太小水電中心自行開發(fā)研制成功的水電站綜合自動化系列產(chǎn)品之一，適用于中小型水電站的自動監(jiān)測、控制和保護，對水電站實行遙測、遙信、遙調(diào)和遙控，使電站運行實現(xiàn)高度自動化，并提高了電站運行的經(jīng)濟性、可靠性和安全性。電站若與電力調(diào)度系統(tǒng)連接，可作為電力調(diào)度自動控制系統(tǒng)的廠站端。該系統(tǒng)集多種功能于一體，采用分層分布式結(jié)構(gòu)，模塊化設計，以工業(yè)級微機為上位機，以可編程序邏輯控制器PLC、微機保護裝置、智能采集與遠動裝置RTU（如智能電參數(shù)測量儀、溫度巡檢儀及其他的智能采集與遠動裝置）等構(gòu)成現(xiàn)地控制測量單元LCU，以此作為下位機主體設備單元，這種配置極大地提高了該系統(tǒng)的靈活性和可靠性。SDJK系列水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，遵循成熟的工業(yè)控制標準，采用模塊化設計，具有以下幾個特點：結(jié)構(gòu)合理。SDJK系統(tǒng)軟硬件根據(jù)中小型水電站的實際情況，采用先進的分層分布式智能結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)層次清晰、結(jié)構(gòu)靈活、實用性強、擴展方便、性能價格比高。功能強。SDJK系統(tǒng)可對各類輸入量進行實時采集、處理、監(jiān)視，對各類控制對象進行多種控制；人機界面友好，根據(jù)水電站實際情況，可方便地對畫面、參量、編號進行修改或重新定義；強有力的事故追憶和順序事件記錄（SOE）功能，為事故分析提供了必不可少的手段。擴展靈活。SDJK系統(tǒng)的軟硬件均采用模塊化設計，可依據(jù)電站實際規(guī)模，靈活配置，并留有充足的備用和可擴充容量，該系統(tǒng)還能與調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)更高層次上的擴展。性能可靠。SDJK系統(tǒng)設計充分考慮到保證系統(tǒng)的高度可靠性，重要部位實現(xiàn)多重冗余，某一設備故障不影響系統(tǒng)性能；所有輸入輸出均帶隔離、軟硬件數(shù)字濾波、防觸點抖動等措施。上位機與LCU軟件還帶有完備的防誤操作、自診斷、自恢復程序，PLC輸出口采用了軟件和硬件的雙重閉鎖，并通過多種防雷和抗干擾的措施，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。DZWX系列低壓機組智能型控制系統(tǒng)，是專門針對農(nóng)村小型水電站（AC400V630kW及以下低壓機組）的設備配套及運行特點而開發(fā)的一套可靠、實用又經(jīng)濟的自動化系統(tǒng)的廠站端。系統(tǒng)設計思路是盡可能使小型水電站在減少配置，減少投資的情況下實現(xiàn)高度自動化，所以它在SDJK系列的分層分布式結(jié)構(gòu)、模塊化設計基礎上又加入自身設計特色：DZWX系統(tǒng)簡化設計，將二次測量、控制、保護設備與一次電氣設備同組一屏，即對電站配置來說，只需一機一屏，整個系統(tǒng)層次清晰、結(jié)構(gòu)靈活、實用性強、擴展方便、性能價格比高。取消自動調(diào)速器，只需電手動兩用操作器或電動機，完成機組的自動同期并網(wǎng)及功率調(diào)節(jié)。智能控制器完成機組的殘壓測頻、電站控制、調(diào)節(jié)操作及電站運行狀態(tài)的采集。智能電量測量儀完成機組的電氣參數(shù)采集及保護。電站若有多臺機組，DZWX系統(tǒng)可根據(jù)需要配置上位機，對各類輸入量進行實時采集、處理、監(jiān)視，對各類控制對象進行多種控制；上位機軟件自行開發(fā)，人機界面友好，根據(jù)實際情況，可方便地對畫面、參量、編號進行修改或重新定義；強有力的事故追憶和順序事件記錄（SOE）功能，為事故分析提供了必不可少的手段。DZWX系統(tǒng)的軟硬件均采用模塊化設計，可依據(jù)電站實際規(guī)模，靈活配置，并留有充足的備用和可擴充容量，該系統(tǒng)還能與調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)更高層次上的擴展。DZWX系統(tǒng)設計充分考慮到保證系統(tǒng)的高度可靠性，某一設備故障不影響系統(tǒng)性能；所有輸入輸出均帶隔離、軟硬件數(shù)字濾波、防觸點抖動等措施。上位機與LCU軟件還帶有完備的防誤操作、自診斷、自恢復程序，輸出口采用了軟件和硬件的雙重閉鎖，并通過多種防雷和抗干擾的措施，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。SSJ-3000水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要適用于中、小型水力發(fā)電廠的運行監(jiān)視、控制調(diào)節(jié)和運行管理自動化。其特點為可靠性高、功能強、人機界面友好、可擴性好。系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)采集和處理；各種開關量、模擬量、脈沖量、溫度量的輸入處理，狀態(tài)監(jiān)視，故障登陸、報警，相應的保護功能；生產(chǎn)過程的操作控制；自動完成機組開機、停機過程，輔機設備的啟停，隔離開關、斷路器的分合；機組有功功率、無功功率、頻率的自動調(diào)節(jié)；運行監(jiān)視和事件報警；遠動通信；統(tǒng)計記錄；操作票管理等。國電南京自動化股份有限公司生產(chǎn)的SD200水電站自動化系統(tǒng)采用全開放、模塊化結(jié)構(gòu)設計，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、機組順控、自動準同步、調(diào)速、勵磁、功率調(diào)節(jié)控制等功能；采用了當今已成熟的先進技術(shù)和器件，如WINNT操作系統(tǒng)、DSP數(shù)字信號處理器、CAN現(xiàn)場總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)和INTERNET技術(shù)等；它滿足可靠、安全、經(jīng)濟、實用、技術(shù)先進和便于擴充等基本原則，符合相關部頒與國家標準；適合各種容量等級，不同功能要求的水電站，既適用于新建水電站、又可用于已建水電站的改造及梯級水電站調(diào)度自動化系統(tǒng)，并可與各種微機保護裝置，變電站微機監(jiān)控裝置，縣、地級調(diào)度中心系統(tǒng)等配套供貨，實現(xiàn)電站“無人值班”（少人值守）的可靠、安全、經(jīng)濟運行。其部分功能也可構(gòu)成獨立裝置使用，如機組順控裝置、微機自動準同步裝置、微機溫度巡檢/保護裝置、微機交流電量采集裝置、閘門監(jiān)控系統(tǒng)等，操作方便，配置靈活。SJK-3000系統(tǒng)是西安理工大學水力機械及自動化研究所的科研人員在總結(jié)多年從事中小型水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的基礎上，適應計算機監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展和用戶的要求，與許繼電氣集團合作與1998年研制成功的新產(chǎn)品，1999年4月通過了國家電力公司和經(jīng)貿(mào)委機械局組織的“兩部”鑒定。該系統(tǒng)采用了“工業(yè)控制微機+現(xiàn)場總線網(wǎng)絡+PCC*現(xiàn)地控制單元”的結(jié)構(gòu)模式，以WindowsNT下的工業(yè)組態(tài)軟件為開發(fā)平臺，實現(xiàn)了SCADA編程，從而構(gòu)成了基于現(xiàn)場總線的分布式全開放水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最大特點是結(jié)構(gòu)簡單且硬件采用標準化工控產(chǎn)品，即使上位機出現(xiàn)故障，現(xiàn)地PCC控制單元仍可正常工作，極大地提高了系統(tǒng)本身的可靠性。另外，除具備實時監(jiān)測、實時控制與調(diào)節(jié)、運行管理、遠程通信等功能外，通過現(xiàn)場總線與調(diào)速、勵磁及保護裝置連接后，便可構(gòu)成水電站綜合自動化系統(tǒng)，這為用戶提供了極大的方便。1.2水電站計算機監(jiān)控的目的和意義水電站計算機監(jiān)控的目的和意義，就是通過對電站各種設備信息進行采集、處理，實現(xiàn)自動監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)、保護，從而保證水電站設備充分利用水能安全穩(wěn)定運行，并按電力系統(tǒng)要求進行優(yōu)化運行，保證電能的質(zhì)量，同時減少運行與維護成本，改善運行條件，實現(xiàn)無人值班或少人值守。1.2.1減員增效，改革水電站值班方式水電站計算機監(jiān)控技術(shù)的應用，使水電站運行實現(xiàn)自動化，運行人員對設備的操作工作量大大減少，減輕了運行人員的勞動強度，減少了水電站的運行人員數(shù)量，使水電站實現(xiàn)少人值守或無人值守。由于運行人員減少，電站生活設施等基礎設施也可以相應地減少、簡化，降低了電站的造價；水電站運行人員減少的同時，也減少水電站的運行費用及發(fā)電成本，達到減員增效的目的。此外，在水電站實現(xiàn)計算機監(jiān)控，可對水電站運行人員的職能進行轉(zhuǎn)變，把運行人員從對水電站設備的操作向?qū)λ娬驹O備的管理進行轉(zhuǎn)化，使電站運行人員有更多的時間和精力花在水電站設備的維護保養(yǎng)上，保證水電站設備的可用性及完好性，延長水電站設備的使用壽命及檢修周期，水電站設備的一些重復操作、調(diào)節(jié)、運行狀態(tài)及參數(shù)的記錄則由計算機監(jiān)控系統(tǒng)在不須允許人員干預的情況下自動完成。水電站實現(xiàn)計算機監(jiān)控后，富余出來的人員則可進行輪流培訓，以提高對電站的運行管理水平，還可為電站從事多種經(jīng)營、第三產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造條件，充分開發(fā)水電站的資源，為水電站增加經(jīng)濟效益。1.2.2優(yōu)化運行，提高水電站發(fā)電效益水電站自動控制系統(tǒng)與機組自動控制系統(tǒng)相結(jié)合，使電站自動控制系統(tǒng)能按優(yōu)化運行方案給機組分配有功功率和無功功率，讓機組運行在高效率區(qū)。對一個電站來說，有了優(yōu)化運行，就可以給水電站帶來直接經(jīng)濟效益，意義也是非常大的。根據(jù)國內(nèi)外資料表明，在水電站實行優(yōu)化運行可最大限度地利用水能，水能利用率能提高3%~5%。如果從機組的角度來看，就相當于機組的效率提高了3%~5%。然而這對現(xiàn)代水輪發(fā)電機組來講，機組本身的效率已很高，要提高機組的效率，哪怕是0.5%~1%，都要利用現(xiàn)代高新技術(shù)，技術(shù)難度可想而知。而利用優(yōu)化運行，同樣多的水可發(fā)出更多的電能，比通過提高機組本身效率來增加電能要容易得多。對于水電站內(nèi)優(yōu)化運行，則可把水電站運轉(zhuǎn)特性、水輪機運轉(zhuǎn)特性等數(shù)學模型編成軟件放入計算機監(jiān)控系統(tǒng)，計算機監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)水電站運行情況自動調(diào)節(jié)水電站、機組的運行，以保證整個水電站的運行處在高效率區(qū)；對于具有月調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)、多年調(diào)節(jié)能力的水庫電站，則同樣可把中長期洪水預報建成數(shù)學模型，編成軟件，放入計算機監(jiān)控系統(tǒng)，由計算機監(jiān)控系統(tǒng)自動按中長期洪水預報的數(shù)學模型調(diào)整水電站的運行。計算機監(jiān)控系統(tǒng)也可對水電站運行人員給出調(diào)整指導，由水電站運行人員調(diào)整水電站的運行；對于只具有日調(diào)節(jié)能力或無調(diào)節(jié)能力的徑流式水電站，水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)與洪水實時測報系統(tǒng)相結(jié)合，可避免這類水電站在汛期大量棄水。洪水實時測報系統(tǒng)的基礎是水電站所在集雨面積內(nèi)的自動雨量站，當水電站所在集雨面積內(nèi)發(fā)生降雨，自動雨量站把降雨量情況發(fā)送到水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，計算機監(jiān)控系統(tǒng)則按預先設計好的數(shù)學模型調(diào)整水電站的運行，增加水電站的出力，降低日調(diào)節(jié)池或前池水位。當數(shù)小時后，由于降雨而形成的洪水到達水電站時，則可減少洪汛時的棄水。1.2.3安全穩(wěn)定，保障水電站電能質(zhì)量眾所周知，在廣大山區(qū)、農(nóng)村和邊遠地區(qū)，有相當多的地方大電網(wǎng)延伸不到，而絕大多數(shù)的中小水電站也主要集中在山區(qū)、農(nóng)村和邊遠地區(qū)，因此產(chǎn)生了由中小水電站形成的相對獨立的區(qū)域供電網(wǎng)或地區(qū)供電電網(wǎng)。在這些電網(wǎng)中，水電站在提供電力方面起了主要作用。隨著山區(qū)和農(nóng)村工農(nóng)業(yè)的發(fā)展及農(nóng)村電氣化實現(xiàn)，人民生活水平的不斷提高和家用電器的不斷增加，早期對電的低層次的需求——如照明、農(nóng)副產(chǎn)品的粗加工等也在悄悄地發(fā)生變化，逐漸提高了對電的需求的層次，由此，對水電站發(fā)出的電能的質(zhì)量和電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性提出了較高的要求。計算機監(jiān)控系統(tǒng)不僅能準確而迅速地反映水電站各設備正常運行的狀態(tài)及參數(shù)，還能及時反映水電站設備的不正常狀態(tài)及事故情況，自動實施安全處理。水電站的自動控制減少了運行人員直接操作的步驟，從而大大降低了發(fā)生誤操作的可能性，避免了運行人員在處理事故的緊急關頭，發(fā)生誤操作，保證了水電站設備運行的可靠性，從而也保證了電網(wǎng)運行的可靠性。在設備可靠運行的情況下，計算機監(jiān)控系統(tǒng)能自動控制發(fā)電機組頻率和電壓，并根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)度要求，自動調(diào)節(jié)發(fā)、供、用電的平衡，保障了水電站發(fā)出的電能質(zhì)量和電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。1.2.4競價上網(wǎng)，爭取水電站上網(wǎng)機會水電站采用計算機控制系統(tǒng)可加快水電站、機組的控制調(diào)節(jié)過程。計算機監(jiān)控系統(tǒng)可按預定的邏輯控制順序或調(diào)節(jié)規(guī)律，依次自動完成水電站設備的控制調(diào)節(jié)，免去了人工操作在各個操作過程中的時間間隔，還免去了人工操作過程中的檢查復核時間，由自動控制系統(tǒng)快速完成各個環(huán)節(jié)的檢查復核，大大加快了控制調(diào)節(jié)過程。比如機組開機過程，采用人工操作，光是機組并網(wǎng)這一環(huán)節(jié)，有的機組經(jīng)十多分鐘都并不了網(wǎng)，運行操作人員精神高度集中緊張，弄不好還可能發(fā)生非同期合閘，給電網(wǎng)和機組帶來沖擊。采用計算機控制系統(tǒng)、自動控制裝置并網(wǎng)，機組的頻率、電壓自動迅速跟蹤電網(wǎng)的頻率、電壓，當頻率、電壓、相位差滿足并網(wǎng)合閘要求后，機組自動并網(wǎng)，并網(wǎng)時間很短，一般只需一、二分鐘即可解決問題，時間短的只需半分鐘就可并上網(wǎng)。根據(jù)國家電力體制改革的要求，實現(xiàn)“廠網(wǎng)分開，競價上網(wǎng)”后，水電站如果沒有自動化系統(tǒng)，而是依靠傳統(tǒng)的人工操作控制，將難以滿足市場競爭的需要。不了解實時行情，參與競價將非常困難，即使爭取到了發(fā)電上網(wǎng)的機會，又因設備陳舊落后而不能可靠運行，既影響電網(wǎng)供電，又使自身效益受損，最終也失去了來之不易的發(fā)電機遇。1.2.5簡化設計，改變水電站設計模式采用常規(guī)控制，電氣設計非常繁瑣，訂貨時要向廠家提供原理圖、布置圖，還要進行各種繼電器的選型。而自動控制設備集成后，設計單位只要提供一次主接線和保護配置及自動化要求即可，故能以選型的方法代替電氣設計，簡化設計、安裝和調(diào)試工作。1.3小型水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的特點小水電站實現(xiàn)自動化，是改善電站運行條件，提高電站綜合經(jīng)濟效益的重要措施。與大型水電站相比，小型水電站的自動化設計有以下特點：(1)建設資金不富裕這類電站多為地方投資或者集資興建，資金來源有限。因此．往往在興建過程中力求設備簡單，價格低廉，以節(jié)省投資。(2)運行方式變化大小型水電站一般水庫容量很小，運行方式受降雨量的影響較大，而用電規(guī)律受生產(chǎn)季節(jié)與生活用電的影響極大，因而運行方式變化大，機組啟停頻繁。(3)電壓變化極大農(nóng)村電站往往為獨立供電，農(nóng)村用戶分散，輸送距離遠，負荷變化幅度極大，因而電壓變化幅度大。為了照顧首末端用戶的使用電壓，所以電壓的設定和調(diào)節(jié)變化頻繁。(4)無特殊用戶農(nóng)村電站供電對象一般為鄉(xiāng)鎮(zhèn)加工企業(yè)和生活照明用電。沒有要求不停電、高電能質(zhì)量的特殊企業(yè)及單位。(5)技術(shù)力量薄弱農(nóng)村電站的運行維護人員一般均為非專業(yè)學校的技術(shù)人員，不可能去面對復雜、繁多的自動化裝置和應付復雜的運行方式。(6)技術(shù)更新費用少農(nóng)村小水電站的年維護更新費用是很少的，不可能象大中型電站那樣有計劃的去進行設備的更新和完善。根據(jù)上述小水電站自動化設計的特點可知，在中國這樣一個人口眾多、勞動力豐富、經(jīng)濟基礎薄弱的發(fā)展中國家，小水電站搞自動化比發(fā)達國家難得多，它要更多地考慮價格因素、適應運行人員的知識水平、經(jīng)濟效益等。所以，小水電站計算機監(jiān)控有其自身的特點，這里將其概括為經(jīng)濟實用、簡單可靠。1.3.1經(jīng)濟實用小水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)不能搞花架子，要強調(diào)以經(jīng)濟實用為原則。過去，有的小水電站為了應付領導參觀，測量參數(shù)不管有用沒用，總是加大采集量，似乎顯示畫面越花哨，系統(tǒng)就越先進。有的電站盲目學大電站，系統(tǒng)配置很高，比如一個裝機容量1000kW的電站除了上位機，還設置了前置機、工程師工作站等，結(jié)果自動化投資很高，收到的效益甚微。因為小水電站不比大中型水電站，它在系統(tǒng)中地位不十分重要，系統(tǒng)對它的可靠性和穩(wěn)定性要求也相對較低，因此自動化功能和配置可以簡化，只要滿足運行要求即可。事實上，對一些裝機容量只有幾百千瓦的農(nóng)村小水電站，在歐美國家也有采用“開機手動，停機自動”的自動化模式的，平時無人值守，值班人員住在山下城鎮(zhèn)，開機時騎摩托車來，開完機就走。遇事故自動停機，向值班人員住處或傳呼機發(fā)信號，值班人員再過來處理。根據(jù)小水電站不同裝機容量或等級，采用不同的自動化模式，一切從實用化出發(fā)，這也是近幾年小水電站自動化得到發(fā)展的原因之一。1.3.2簡單可靠由于小水電站位于偏僻的農(nóng)村，電站運行人員大多數(shù)是當?shù)氐霓r(nóng)民，只是水平比較低。如果自動化系統(tǒng)操作維護復雜，就很難為他們所接受。20世紀80年代初，小水電站自動化剛剛起步，電站雖然安裝了計算機控制系統(tǒng)，但原先人員仍在原控制臺監(jiān)控，微機閑置，僅在為參觀人員表演時投入運行。詢問原因，是電站熟悉微機的運行人員不多，擔心誤操作出事故，而且出了問題資金沒法解決，要千里之外請專家來排除?？梢?，小水電站自動化如果操作維護復雜，運行人員不敢用，它最后成為一種供人參觀的擺設。對于小水電站，運行人員希望使用的是一種“傻瓜”型高可靠型自動控制保護系統(tǒng)，就像一部傻瓜型照相機，只需簡單培訓就能完全掌握。小水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)設備簡單，反而提高了系統(tǒng)的可靠性。1.4水電站綜合自動化在我國，水電站綜合自動化問題的提出始于20世紀70年代，1979年由原電力部科技委在福建古田主持召開的“全國水電站自動化技術(shù)經(jīng)驗交流會”提出了1979~1985年的七年奮斗目標，即水電站自動化科學技術(shù)發(fā)展七年規(guī)劃，要求加強梯級電站和大型電站綜合自動化試點工作，但由于當時技術(shù)條件的限制，研究的注意力逐漸集中于計算機監(jiān)視和控制技術(shù)的研究。經(jīng)過多年的發(fā)展，水電站計算機監(jiān)控技術(shù)已基本成熟，在國內(nèi)的大中小型水電站得到推廣應用，取得了非常好的經(jīng)濟效果。同時由于計算機技術(shù)及相關的網(wǎng)絡技術(shù)、通信技術(shù)的迅速發(fā)展，水電站內(nèi)出現(xiàn)了多系統(tǒng)互聯(lián)的趨勢，如隔河巖水電站原引進加拿大CAE公司的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，但在幾年運行中發(fā)現(xiàn)還不能滿足電站的運行要求，后又增加了許多防洪、調(diào)度、管理、通信等子系統(tǒng)，使原引進的監(jiān)控系統(tǒng)外部連接混亂，管理維護困難。廣州蓄能電站也有類似情況，為了能進行擴充，從原打字機接口接入MIS系統(tǒng)等。這些都說明在水電站運行管理也在不斷向減人增效、“無人值班”（少人值守）的方向發(fā)展，迫切需要進一步研究水電站綜合自動化系統(tǒng)領域的關鍵技術(shù)，進一步提高水電站的運行管理水平和綜合自動化水平。1.4.1水電站綜合自動化的內(nèi)涵從水電站的總體層次上來分析，其綜合自動化體現(xiàn)在如下多個方面：水電站實際是水、機、電的一個綜合整體，相互之間既有分工又密切聯(lián)系，因此考慮綜合自動化是適宜的。水電站綜合自動化涉及電力調(diào)度、水利調(diào)度、航運調(diào)度、水情測報以及灌溉及防洪等，因此有關的研究應涉及上述各行業(yè)的協(xié)調(diào)問題。水電站狀態(tài)監(jiān)測及預測檢修是當前很受關注的問題，它除了涉及監(jiān)控系統(tǒng)常規(guī)的內(nèi)容外，還包括與振動擺度、汽蝕磨損、絕緣間隙等測量裝置的接口與配合問題等，需要全面考慮。水電站綜合自動化也涉及如何在原有計算機監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上，實現(xiàn)功能的擴展及提高的問題，如新型計算機技術(shù)、網(wǎng)絡增建及延伸、人工智能、多媒體技術(shù)等。水電站綜合自動化任務的提出，更使水電站的自動化成為一個系統(tǒng)工程，其各部門和領域之間的有機協(xié)調(diào)配合將會使整個系統(tǒng)配置更為合理、利用效率更高，例如一些綜合性的問題，以往單項控制時他們之間所隱含的關系常被忽略掉，而在綜合自動化系統(tǒng)中則比較容易實現(xiàn)，以此來提高系統(tǒng)性能，加速系統(tǒng)的速動性及實時性并改善系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性。1.4.2水電站實施綜合自動化改造的基本原則水電站進行技術(shù)改造，逐步提高自動化水平和運行管理水平已是必然趨勢。水電站由于受各方面條件的限制，必然采用分步實施方式進行技改。因此，如何進行總體設計以利于分步實施，最大限度地避免重復投資，是技術(shù)改造合理、成功的關鍵。水電站的生產(chǎn)、管理是一個完整的整體，應該從系統(tǒng)的角度來考慮水電站的綜合自動化問題。計算機集成制造（ComputerIntegratedManufacturing，簡稱CIM）正是這樣一種系統(tǒng)思想。它是一種組織、管理與運行企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)的新哲理。它借助計算機硬、軟件，綜合運行現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將企業(yè)生產(chǎn)全部過程中有關人、技術(shù)、經(jīng)營管理三要素集成起來，并將其信息流與物流有機地集成，并優(yōu)化運行。這一系統(tǒng)通常稱為計算機集成過程控制系統(tǒng)（ComputerIntegratedProcessingSystems，簡稱CIPS）。CIM哲理近年來在全球范圍內(nèi)得到廣泛的應用。針對不同類型的企業(yè)，有不同的應用模式。同時，由于其系統(tǒng)集成的復雜性，尤其是在我國產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平相對較低的情況下，實施CIMS要從企業(yè)的實際情況出發(fā)，根據(jù)企業(yè)現(xiàn)在的基礎設施的現(xiàn)狀，使用最有效的對組織最有利的方式將各種新技術(shù)集成到企業(yè)的計算環(huán)境中。從現(xiàn)有的組織管理體制看，以縣電力公司為一個CIPS主體可能更恰當一些。因此將水電站的綜合自動化系統(tǒng)看成是縣級CIPS的一個子項目，從這一角度出發(fā)，提出以下幾個原則：系統(tǒng)的實用性。系統(tǒng)的目標必須與企業(yè)要解決的關鍵問題相結(jié)合，要和企業(yè)的核心問題掛鉤。電站要解決的核心問題是基層生產(chǎn)單位的自動化控制以及信息交流。因此采用CIM思想進行規(guī)劃設計時，目標系統(tǒng)只包括生產(chǎn)自動化系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)兩部分，采用目前成熟和已獲得成功應用的先進技術(shù)來實現(xiàn)。系統(tǒng)的廣泛性。初始的應用設計應該滿足企業(yè)現(xiàn)實的、各生產(chǎn)和管理環(huán)節(jié)的需求，同時還應考慮企業(yè)未來發(fā)展的潛在需求，即系統(tǒng)要具備良好的開放性和可擴展性，便于系統(tǒng)今后的升級、擴充和先進技術(shù)的采用。系統(tǒng)的簡單性。在建設初期，企業(yè)整個技術(shù)水平和管理水平都可能還不適應，相應的企業(yè)其他信息資源、管理環(huán)境都不完善的情況下，要從作一些簡單的應用開始、復雜的應用可能不易實現(xiàn)。系統(tǒng)建設的階段性。設立恰當?shù)碾A段性目標，明確需要解決的主要問題，制定切實可行的計劃。用系統(tǒng)工程的方法建立一個系統(tǒng)的框架，實現(xiàn)一些基本的功能，然后在這個基本系統(tǒng)的基礎上不斷發(fā)展。1.4.3水電站綜合自動化改造分步實施的思想企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平是企業(yè)文化的一部分，對于運行多年的企業(yè)，員工在長期生產(chǎn)活動中，已形成了基于現(xiàn)有設備狀況和技術(shù)水平的思維方式和工作方式，因此在實施技改和采用新技術(shù)時，應注重培養(yǎng)員工思維和工作方式的逐步轉(zhuǎn)變，采用分批技改，可保證從舊企業(yè)文化向新企業(yè)文化的平穩(wěn)過渡，從而保證技術(shù)過渡期生產(chǎn)的安全。另一方面，從技術(shù)投入本身來說，由于企業(yè)設備技術(shù)狀況和健康狀況不一，加上投入資金的限制。因此企業(yè)技改或技術(shù)更新基本上采用總體規(guī)劃設計下的分批分步模式?，F(xiàn)場總線技術(shù)是基于開放性要求發(fā)展起來的全開放系統(tǒng)，具有極好的可擴展性能，是分步技改的首選技術(shù)?；诂F(xiàn)場總線技術(shù)提出的小型水電站的技術(shù)更新可分四個階段完成：第一階段：基于總體設計思想構(gòu)造水電站控制系統(tǒng)整體框架。在電站一級配置工控機作為電站現(xiàn)有的監(jiān)測點（具有標準信號輸出或帶有通信接口的DCS，PLC子系統(tǒng)）引入工控機，首先實現(xiàn)自動監(jiān)測報警、記錄、報表打印、模擬培訓等功能。第二階段：增加必要的監(jiān)測點，加入部分控制功能。在這一階段，可根據(jù)電站的實際需求，更換或新增必要的傳感器，加強對電站有關參數(shù)的運行監(jiān)測，以全面了解電站的健康狀況；同時對非核心設備和系統(tǒng)如輔助設備系統(tǒng)等進行配置，實現(xiàn)控制功能。第三階段：配置完善的監(jiān)測點，實現(xiàn)全部控制功能。通過前二個階段的試運行和調(diào)整，已基本保證了電站整體技術(shù)狀況和健康狀況的一致性，可進一步完善監(jiān)測點的配置，全部實現(xiàn)控制功能，進而實現(xiàn)無人值班（少人值守）。第四階段：引入各種先進控制算法，實現(xiàn)優(yōu)化運行，并完善整個管理網(wǎng)。電站的生產(chǎn)管理系統(tǒng)以及與縣級CIPS系統(tǒng)的掛接等模塊、可根據(jù)縣CIPS系統(tǒng)實施的進展情況決定?？傊贑IPS哲理進行系統(tǒng)的整體規(guī)劃，在具體結(jié)構(gòu)模型中，采用具有良好的開放性、擴展性的網(wǎng)絡技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)來實現(xiàn)，符合小型是電站分步改造的實際。1.5小結(jié)本章主要闡述了與水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)相關的一些基本概念和基本知識。隨著計算機科學技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機從20世紀70年代開始應用在水電站，至今雖然只有短短三十多年的歷史，但是，發(fā)展的速度卻非常迅猛，取得的成績異常突出。目前，在我國絕大多數(shù)的大中型水電廠已經(jīng)基本采用計算機監(jiān)控，越來越多的小型水電站也開始采用或改造成計算機監(jiān)控。可以說，在水電站使用計算機監(jiān)控技術(shù)在一定的范圍和程度上的普及已經(jīng)成為不可阻擋的趨勢。在此發(fā)展過程中，計算機監(jiān)控方式的演變經(jīng)歷了從常規(guī)控制裝置為主、計算機為輔的監(jiān)控方式到取消常規(guī)設備的全計算機控制方式四個階段。水電站采用計算機監(jiān)控大大提高了水電站的安全性、可靠性和電能質(zhì)量，可實現(xiàn)無人值班或少人值守，其意義主要體現(xiàn)在五個方面：減員增效，改革水電站值班方式；優(yōu)化運行，提高水電站發(fā)電效益；安全穩(wěn)定，保障水電站電能質(zhì)量；競價上網(wǎng)，爭取水電站上網(wǎng)機會；簡化設計，改變水電站設計模式。由于中小型水電站具有自身的特點，因此實現(xiàn)中小型水電站無人值班并不要求將其自動化程度提高到大型水電廠的水平，其計算機監(jiān)控系統(tǒng)應具有經(jīng)濟實用、簡單可靠兩個基本特點。計算機監(jiān)控技術(shù)的日益成熟和水電站運行管理要求的不斷提高使得在水電站實現(xiàn)綜合自動化成為必然趨勢。為了避免重復投資，在水電站實施綜合自動化改造過程中應當在基于CIM系統(tǒng)的思想上遵循一定的基本原則。思考題水電廠計算機監(jiān)控方式的演變經(jīng)歷幾個過程？水電站計算機監(jiān)控的目的和意義是什么？小型水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)有什么特點？

第2章計算機監(jiān)控的基礎知識2.1計算機應用基礎一個完整的計算機系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成的。硬件是指構(gòu)成計算機的物理設備；而軟件是指計算機系統(tǒng)中的程序、數(shù)據(jù)以及開發(fā)、使用和維護程序所需文檔的集合。硬件是計算機系統(tǒng)的基礎，軟件是計算機系統(tǒng)的“靈魂”。如果沒有軟件，計算機就不能工作，人們通常把不配備任何軟件的計算機稱為裸機。在計算機技術(shù)發(fā)展進程中，計算機的硬件和軟件是相互依賴、相互支持、缺一不可的。2.1.1計算機系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)1．計算機的硬件系統(tǒng)構(gòu)成計算機的硬件系統(tǒng)通常有五大功能部件：輸入設備、輸出設備、存儲器、運算器和控制器。其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1計算機基本結(jié)構(gòu)（1）輸入設備將數(shù)據(jù)、程序、文字符號、圖像、聲音等信號輸送到計算機中。常用的輸入設備有：鍵盤、鼠標、數(shù)碼照相機、光筆、光電閱讀器和掃描儀以及各種傳感器等。（2）輸出設備將計算機的運算結(jié)果或者中間結(jié)果打印或顯示出來。常用的輸出設備有：顯示器、打印機、繪圖儀等。（3）存儲器將輸入設備接收到的信息以二進制的數(shù)據(jù)形式存放在存儲器中。存儲器有兩種，分別叫做內(nèi)存儲器和外存儲器。內(nèi)存儲器是主機的一部分，它用來存放正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，可與中央處理器直接交換數(shù)據(jù)。外存儲器屬于外部設備，用來存放運算的原始數(shù)據(jù)和運行結(jié)果。（4）運算器運算器是完成各種算術(shù)運算和邏輯運算的裝置，能做加、減、乘、除等數(shù)學運算，也能做比較、判斷、查找、邏輯運算。（5）控制器控制器是計算機指揮和控制其各部件工作的機構(gòu)，其工作過程與人的大腦指揮和控制人的各器官一樣。上述五大部件通過系統(tǒng)總線形式互連，傳遞數(shù)據(jù)、地址和控制信號。這些系統(tǒng)總線按信號類型分成了三類，分別稱為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。通常，我們把運算器和控制器合在一起稱為中央處理器（CentralProcessingUnit），簡稱CPU，將中央處理器和存儲器合在一起稱為主機。輸入設備和輸出設備簡稱I/O設備。I/O設備和外存儲器合在一起稱為外部設備。2．計算機的軟件系統(tǒng)軟件是計算機系統(tǒng)中必不可少的組成部分。人們針對某一需要而為計算機編制的指令序列稱為程序，而指令是指計算機執(zhí)行操作的命令。程序連同有關的數(shù)據(jù)和說明資料稱為軟件。簡單地講，軟件就是程序加上文檔。配上軟件的計算機才成為完整的計算機系統(tǒng)。計算機軟件越豐富，計算機功能越強大，它使計算機具有非凡的靈活性和通用性。根據(jù)計算機軟件的作用，計算機軟件通常分為系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、應用支撐軟件、應用軟件以及工具軟件等。（1）系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件完成從輸入設備取得數(shù)據(jù)，向輸出設備送出數(shù)據(jù)，向外存寫數(shù)據(jù)，從外存讀數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的常規(guī)管理等基礎工作，這些基礎工作由一系列指令來完成。人們把這些指令集中組織在一起，形成專門的軟件，稱為系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件除了完成上述基本工作外，還進行著對硬件的管理，使在一臺計算機上同時或先后運行的不同應用軟件有條不紊地合用硬件設備。常用的系統(tǒng)軟件有Windows和Linux兩種。（2）數(shù)據(jù)庫軟件數(shù)據(jù)庫軟件能夠有組織地、動態(tài)地存儲大量數(shù)據(jù)，使人們能方便、高效地使用這些數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在比較流行的數(shù)據(jù)庫軟件有FoxPro、Oracle、DB-2.Access、SQL-server等。（3）應用支持軟件應用支持軟件對應用軟件起到支撐的作用，如各種驅(qū)動程序、接口程序、編解碼程序等都屬于應用支撐軟件。（4）應用軟件。應用軟件是專門為某一應用目的而編制的軟件。水電站微機監(jiān)控系統(tǒng)中的上位機軟件就屬于一種應用軟件。（5）工具軟件工具軟件專門為其他軟件提供工具性服務。例如，VC、VB、Delphi等可以開發(fā)計算機監(jiān)控的上位機軟件；PLC梯形圖編程軟件、組態(tài)軟件可以編譯現(xiàn)地控制程序；除VC、VB、Delphi、PLC梯形圖編程軟件、組態(tài)軟件以外，在水電站計算機監(jiān)控中應用較多的輔助設計軟件、測試軟件、調(diào)試軟件等都屬于工具軟件。2.1.2適用于水電站監(jiān)控系統(tǒng)的典型微型計算機在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中微機處于核心地位，適用于水電站監(jiān)控的典型微型計算機有：工業(yè)級微型計算機即工控機IPC、可編程序控制器PLC和單片機。1．工控機個人計算機，即PC機是不適用于工業(yè)控制領域的，但PC機具有廣闊的硬件支持廠商和豐富的軟件產(chǎn)品，軟硬件開發(fā)環(huán)境好，開發(fā)工具豐富，有良好的用戶界面和圖形顯示功能，因此PC機對工業(yè)控制領域的吸引力是巨大的，在這種背景下對PC進行改造（如提高抗干擾能力，提高防振能力等）產(chǎn)生了工業(yè)級PC機，即工控機IPC。工控機是工業(yè)級的微型計算機，構(gòu)成其硬件的元素基本與個人微型計算機相同，工控機的硬件結(jié)構(gòu)可以分為3種：一種類似于普通的臺式個人微型計算機，稱為普通型工控機；第二種是一體化工控機；第三種是模塊化工控機。工控機IPC與普通PC機兼容，在普通PC機上運行的DOS（磁盤操作系統(tǒng)）系統(tǒng)、Win-Dows（視窗軟件，即圖開明操作系統(tǒng)）、各種實時多任務操作系統(tǒng)等軟件均可在工控機IPC機上運行。工控機是面向控制的計算機，工控機的應用軟件運行在DOS操作系統(tǒng)平臺上或Windows操作系統(tǒng)平臺上或網(wǎng)絡平臺上。應用軟件采用高級語言編制為主，也有采用高級語言和匯編語言混合編程技術(shù)的。對于簡單的小型控制系統(tǒng)，可以利用工控機制造廠商提供的用于控制的組態(tài)軟件。利用這些現(xiàn)成的組態(tài)軟件，開發(fā)速度較快，但是現(xiàn)成的組態(tài)軟件局限性較大，這些軟件是按照通用系統(tǒng)進行設計、編制的，且這些軟件以西文為主，在我們國內(nèi)使用不是很習慣，對控制系統(tǒng)中很多特殊的要求無法滿足，對于大型的監(jiān)控系統(tǒng)，組態(tài)軟件無法滿足使用要求，因此像水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)這種復雜的控制系統(tǒng)，工控機的應用軟件通常是由開發(fā)研究單位根據(jù)被監(jiān)控的水電站設備的要求而設計、編制的。工控機在水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)中主要作為上位機、前置計算機，因其數(shù)據(jù)存儲、管理能力較強，人機界面好，電站運行人員容易掌握使用。從工控機的性能來看，工控機也可以作為現(xiàn)地控制單元計算機。下面對普通型工控機、一體化工控機和模塊化工控機的硬件結(jié)構(gòu)進行分別介紹，并著重介紹普通型工控機。（1）普通型工控機普通型工控機的硬件組成一般有：機箱、CPU卡、顯示卡、硬盤、軟盤驅(qū)動器、電子盤卡、數(shù)據(jù)采集卡、控制輸出卡、通信卡、顯示器、鍵盤等，這些組成部分中除機箱、CPU卡外，其他部分不一定是每臺工控機都必須具備的，是根據(jù)工控機的使用場合來組合選用的。1）機箱工控機IPC的機箱采用全鋼封閉式結(jié)構(gòu)，可以有效防止電磁干擾，全封閉的鋼機箱可以上屏安裝，工控機機箱內(nèi)的電源采用開關電源，給計算機提供高質(zhì)量的電源，電源的平均無故障工作時間MTBF至少在50000h。在工控機機箱上除個人計算機所具有的負壓風扇外，還有機箱的正面裝有正壓風扇，并加裝空氣過濾器。為滿足擴展需要，機箱中的插槽數(shù)量也多于PC機機箱中的，有14個PC/AT插槽。2）CPU卡工控機CPU卡上有中央處理單元CPU芯片、2個串行口、1個并行口、軟/硬驅(qū)接口、高速緩沖存儲器、看門狗定時器、鍵盤接口等，可在60℃下運行。根據(jù)使用需要可以選用386、486、奔騰586UPC卡，IPCCPU卡基本同PC機的類似，但PC機的CPU卡一般是沒有看門狗定時器的，運行溫度在40℃以下。CPU卡結(jié)構(gòu)如圖2-18所示。3）顯示卡IPC機中的顯示卡用于向顯示器傳送顯示信號，所起的作用與PC機中的顯示卡一機。對于沒有顯示器的工控機，工控機的機箱中將沒有顯示卡。4）硬盤、軟驅(qū)、電子盤卡IPC機中的硬盤、軟盤驅(qū)動器、電子盤卡等也是根據(jù)需要進行配置，在PC機中通常是有硬盤、軟盤驅(qū)動器的，電子盤卡一般是沒有的。5）數(shù)據(jù)采集卡、控制輸出卡數(shù)據(jù)采集卡、控制輸出卡是IPC機中所特有的板卡，在PC機中是沒有這2種板卡的，數(shù)據(jù)采集卡有開關量I/O采集卡、模擬量A/D采樣卡等，控制輸出卡有開關量輸出控制卡、模擬量D/A輸出控制卡等，這些板卡有各種型號和規(guī)格，根據(jù)需要選用。6）通信卡通信卡主要用于IPC機，顯示器通常是普通PC機的標準配置，但對于IPC機來說卻不是標準配置，在許多應用場合中，IPC不需配置顯示器，但也有許多場合是需要配置顯示器的，顯示器的尺寸也不是PC機通常的14英寸，而是20英寸或21英寸。7）鍵盤鍵盤是作為PC機的標準配置，PC機配置有101鍵或102鍵標準鍵盤，但對于IPC機來講，鍵盤卻不按其標準配置，考慮到調(diào)試程序的方便，IPC機現(xiàn)在也往往帶有101鍵或102鍵標準鍵盤，根據(jù)使用場合不同，有的工控機的鍵盤帶有防水等功能。有主鍵盤區(qū)、副鍵盤區(qū)和功能鍵區(qū)。（2）一體化工控機一體化工控機的硬件特征是顯示器、薄膜鍵盤、CPU卡、軟盤驅(qū)動器、硬盤等與機箱組成為一體，結(jié)構(gòu)緊湊。一體化工控機箱小巧，如臺灣研華產(chǎn)品，所帶顯示器尺寸有14、15英寸，也有10英寸規(guī)格，所帶顯示器可以是彩色CRT陰極射線管顯示器，也可以是彩色液晶顯示器，有的顯示器還帶有觸摸屏，取代薄鍵盤，顯示器的分辨率有1024×768或600×480或640×200。在一體化工控機的機箱前面帶帶有薄膜鍵，但由于機箱面積所限，薄膜鍵鍵的數(shù)量要少于標準鍵盤，因此，一體化工控機帶有101鍵標準鍵盤的接口，以便于程序編制和調(diào)試；一體化工控機的機箱，其結(jié)構(gòu)也是可以上屏的，以便于組成計算機控制系統(tǒng)，根據(jù)不同的型號，機箱內(nèi)的插槽數(shù)量為4~10個PC/AT插槽，機箱內(nèi)的CPU卡根據(jù)使用需要選用，可以選用386、486、奔騰586CPU卡，以組成不同檔次的一體化工控機；其他的電子盤卡、數(shù)據(jù)采集卡、控制輸出卡、通信卡等也是根據(jù)需要選用，以便組成滿足使用要求的一體化工控機。（3）模塊化工控機模塊化工控機的各種插件卡做成模塊，機箱為插件架，通常不配顯示器和鍵盤。2．可編程序控制器可編程序控制器，英文稱ProgrammableLogicController，簡稱PLC。可編程序控制器是采用微機技術(shù)的通用工業(yè)自動化裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC是微機技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學；調(diào)試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序的編制工作，就可靈活方便地將PLC應用于生產(chǎn)實踐。可編程序控制器是60年代末在美國首先出現(xiàn)的，當時叫可編程邏輯控制器，目的是用來取代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能。其基本設計思想是把計算機功能完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，可編程序控制器的硬件是標準的、通用的。根據(jù)實際應用對象，將控制內(nèi)容寫入控制器的用戶程序內(nèi)，控制器和被控對象連接也很方便。隨著半導體技術(shù)，尤其是微處理器和微型計算機技術(shù)的發(fā)展，到70年代中期以后，已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時可編程序控制器已不再是僅有邏輯判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能?？删幊绦蚩刂破鲗τ脩魜碚f是一種無觸點設備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，因此可在初步設計階段選用可編程序控制器，在實施階段再確定工藝過程。另一方面，從制造生產(chǎn)可編程序控制器的廠商角度看，在制造階段不需要根據(jù)用戶的訂貨要求專門設計控制器，適合批量生產(chǎn)。由于這些特點，可編程序控制器問世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛的普及推廣應用。世界著名的PLC生產(chǎn)廠家主要有美國的A-B（Allen-Bradly）公司、GE（GeneralElectric）公司；日本的三菱電機（MitsubishiElectric）、歐姆龍（OMRON）；德國的西門子（Siemens）和法國的TE（Telemecanique）公司等。（1）PLC的分類PLC一般可按I/O點數(shù)和結(jié)構(gòu)形式來分類。按I/O點數(shù)分類PLC按I/O總點數(shù)可分為小型、中型和大型三類。小于512點為小型PLC（其中小于64點為超小型或微型PLC）；512~2048點為中型PLC；2048點以上的為大型PLC（超過8192點為超大型PLC）。這個分類界限不是固定不變的，它會隨PLC的發(fā)展而改變。按結(jié)構(gòu)形式分類PLC按結(jié)構(gòu)形式可分為整體式和模塊式。①整體式PLC整體式PLC又稱單元式或箱體式PLC。整體式PLC是將電源、CPU、I/O部件都集中裝在一個機箱內(nèi)。其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低，一般小型PLC采用這種結(jié)構(gòu)。整體式PLC由不同I/O點數(shù)的基本單元和擴展單元組成?；締卧獌?nèi)有CPU、I/O和電源。擴展單元內(nèi)只有I/O和電源?；締卧蛿U展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式PLC一般配備有特殊功能單元、位置控制單元等，使PLC的功能得以擴展。②模塊式PLC模塊式PLC是將PLC各部分分成若干單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的包含在CPU模塊中）和各種功能模塊。模塊式PLC由框架和各種模塊組成，模塊插在插座上。有的PLC沒有框架，各種模塊安裝在地板上。模塊式PLC其配置靈活，裝配方便，便于擴展和維修。一般大、中型PLC采用模塊式結(jié)構(gòu)，有的小型PLC也采用這種結(jié)構(gòu)。有的PLC將整體式和模塊式結(jié)合起來，稱為疊裝式PLC。它除基本單元和擴展單元外，還有擴展模塊和特殊功能模塊，配置比較靈活。（2）PLC的結(jié)構(gòu)及各部分的作用PLC的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但結(jié)構(gòu)與工作原理則大同小異，通常由主機、輸入/輸出接口、電源、編程器擴展器接口和外部設備接口等幾個主要部分組成。PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：1）主機主機部分包括中央處理器（CPU）、系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器。CPU是PLC的核心，它用以運行用戶程序、監(jiān)控輸入/輸出接口狀態(tài)、做出邏輯判斷和進行數(shù)據(jù)處理，即讀取輸入變量、完成用戶指令規(guī)定的各種操作，將結(jié)果送到輸出端，并響應外部設備（如編程器、電腦、打印機等）的請求以及進行各種內(nèi)部判斷等。PLC的內(nèi)部存儲器有兩類，一類是系統(tǒng)程序存儲器，主要存放系統(tǒng)管理和監(jiān)控程序及對用戶程序作編譯處理的程序，系統(tǒng)程序已由廠家固定，用戶不能更改；另一類是用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器，主要存放用戶編制的應用程序及各種暫存數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。2）輸入/輸出（I/O）接口I/O接口是PLC與輸入/輸出設備連接的部件。輸入接口接受輸入設備（如按鈕、傳感器、觸點、行程開關等）的控制信號。輸出接口是將主機經(jīng)處理后的結(jié)果通過功放電路去驅(qū)動輸出設備（如接觸器、電磁閥、指示燈等）。I/O接口一般采用光電耦合電路，以減少電磁干擾，從而提高了可靠性。I/O點數(shù)即輸入/輸出端子數(shù)是PLC的一項主要技術(shù)指標，通常小型機有幾十個點，中型機有幾百個點，大型機將超過千點。3）電源電源是指為CPU、存儲器、I/O接口等內(nèi)部電子電路工作所配置的直流開關穩(wěn)壓電源，通常也為輸入設備提供直流電源。4）編程器編程器是PLC的一種主要的外部設備，用于手持編程，用戶可用以輸入、檢查、修改、調(diào)試程序或監(jiān)示PLC的工作情況。除手持編程器外，還可通過適配器和專用電纜線將PLC與電腦聯(lián)接，并利用專用的工具軟件進行電腦編程和監(jiān)控。5）輸入/輸出擴展單元I/O擴展接口用于將擴充外部輸入/輸出端子數(shù)的擴展單元與基本單元（即主機）連接在一起。6）外部設備接口此接口可將編程器、打印機、條碼掃描儀等外部設備與主機相聯(lián)，以完成相應的操作。（2）PLC的工作原理PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC的掃描一個周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應的運算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。輸出刷新階段：當所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應輸出設備工作。（3）PLC的特點可靠性高由于采取了一系列的保證PLC高可靠性的措施，PLC的平均無故障時間一般可達3~5萬h。PLC環(huán)境適應性強，它能在工業(yè)環(huán)境下可靠的工作。PLC的高可靠性已受到用戶普遍認可，這是PLC得到廣泛應用的重要原因之一。保證PLC高可靠性的主要措施有：良好的綜合設計（綜合考慮整體的可靠性）；選用優(yōu)質(zhì)元器件；采用隔離、濾波、屏蔽等抗干擾技術(shù)；采用先進的電源技術(shù)；采用實時監(jiān)控技術(shù)和故障診斷技術(shù)；采用冗余技術(shù)；良好的制造工藝。編程簡單PLC最常見的編程語言是梯形圖語言。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計算機知識，便于廣大現(xiàn)場工程技術(shù)人員掌握。當生產(chǎn)流程需要改變時，可以現(xiàn)場改變程序，使用方便、靈活。在大型PLC中還有BASIC等高級編程語言，以便滿足各種不同控制對象和不同使用人員的需要。通用性強各個PLC的生產(chǎn)廠家都有各種系列化產(chǎn)品，各種模塊供用戶選擇。用戶可以根據(jù)控制對象的規(guī)模和控制要求，選擇合適的PLC產(chǎn)品，組成所需要的控制系統(tǒng)。在作應用設計時，一般不需要用戶制作任何附加裝置，從而使設計工作簡化。體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝、維護方便PLC體積小，重量輕，便于安裝。PLC具有自診斷、故障報警、故障種類顯示功能，便于操作和維修人員檢查，可以通過更換模塊插件，迅速排除故障。PLC的結(jié)構(gòu)緊湊，它與被控制對象的硬件連接方式簡單，接線少，便于維護。（4）PLC在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應用水電站中很多機電設備中的控制均是順序控制，而PLC特別適用于順序控制，因此從某種程度上講PLC已經(jīng)成為微機監(jiān)控系統(tǒng)的核心。PLC主要應用在水輪發(fā)電機自動控制、勵磁系統(tǒng)控制和附注設備控制等場合中。3．單片機單片機因?qū)⑵渲饕M成部分集成在一個芯片上而得名，具體說就是把中央處理器CPU（CENTRALProcessingWrit）、隨機存儲器RAM（RandomAccessMemory）、只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory）、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器以及I/O（Input/Output）接口電路等主要微型機部件，集成在一塊芯片上。雖然單片機只是一個芯片，但從組成和功能上看，它已具有了計算機系統(tǒng)的特點，為此稱為單片微型計算機SCMC（SingleChipMicroComputer），簡稱單片機。單片機主要應用于控制領域，用以實現(xiàn)各種測試和控制功能，為了強調(diào)其控制屬性，也可以把單片機稱為微控制器MCU（MicroControllerUnit）。在國際上，“微控制器”的叫法似乎更通用一些，而在我國則比較習慣于“單片機”這一名稱，因此本書使用“單片機”一詞。由于單片機在應用時通常是處于被控系統(tǒng)的核心地位，以嵌入的方式進行使用，為了強調(diào)其“嵌入”的特點，也常常將單片機稱為嵌入式微控制器EMCU（EmbeddedMicroControllerUnit），在單片機的電路和結(jié)構(gòu)中有許多嵌入式應用的特點。（1）單片機的類型根據(jù)控制應用的需要，可將單片機分為通用型和專用型兩種類型。通用型單片機是一種基本芯片，它的內(nèi)部資源比較豐富，性能全面且適用性強，能覆蓋多種應用需求。用戶可以根據(jù)需要設計成各種不同應用的控制系統(tǒng)，即通用單片機有一個再設計的過程，通過用戶的進一步設計，才能組建一個以通用單片機芯片為核心再配以其它外圍電路的應用控制系統(tǒng)。在單片機的控制應用中，有許多時候是專門針對某個特定產(chǎn)品的，例如電度表和IC卡讀寫器上的單片機等，這種單片機稱為專用型單片機。（2）單片機的程序設計語言和軟件這是提到的是單片機程序設計語言和軟件，主要是指在開發(fā)系統(tǒng)中使用的，因為在單片機開發(fā)系統(tǒng)中可能使用機器語言、匯編語言和高級語言，而在單片機應用系統(tǒng)中只使用機器語言。機器語言是二進制代碼表示的單片機指令，用機器語言構(gòu)成的程序稱之為目標程序。匯編語言是用符號表示的指令，匯編語言是對機器語言的改進，是單片機最常用的程序設計語言。雖然機器語言和匯編語言都是高效的計算機語言，但它們都是面向機器的低級語言，不便于記憶和使用，且與單片機硬件關系密切，這就要求程序設計人員必須精通單片機的硬件系統(tǒng)和指令系統(tǒng)。（3）單片機在水電站微機監(jiān)控系統(tǒng)中的應用單片機已經(jīng)在水電站微機監(jiān)控系統(tǒng)中獲得廣泛的應用，如應用在溫度巡檢、故障診斷等方面。例如某些勵磁調(diào)節(jié)器中，就專門配置了一塊單片機用于調(diào)節(jié)器的電源故障、脈沖故障、軟件故障的檢測和通道間的自動切換。2.2數(shù)據(jù)通信基礎2.2.1計算機數(shù)據(jù)通信的概念及作用1．計算機數(shù)據(jù)通信的概念計算機之所以進行數(shù)據(jù)通信，是因為一個計算機通信系統(tǒng)由3個基本元素組成的：即發(fā)送器、接收器和介質(zhì)。這3個基本元素協(xié)同工作，組成一個有效的計算機通信系統(tǒng)。從廣義的角度來看，發(fā)送器和接收器是進行數(shù)據(jù)通信的2臺計算機。發(fā)送器是發(fā)送數(shù)據(jù)或信息的計算機，數(shù)據(jù)或信息在這里形成并被準備發(fā)送。接收器是準備接收數(shù)據(jù)的計算機，是數(shù)據(jù)或信息到達的目的計算機。信息可以是1個數(shù)據(jù)文件，也可以是1個數(shù)據(jù)文件的一部分或幾個數(shù)據(jù)文件的組合。介質(zhì)是發(fā)送器和接收器之間的通信信道，通過介質(zhì)按照一定的通信協(xié)議則可以將報文從發(fā)送器傳到接收器。介質(zhì)可以是載波通信、微波通信、光纖通信、無線通信及電話通信通道等。2．計算機數(shù)據(jù)通信的作用在常規(guī)水電站中，電站許多設備的運行狀態(tài)、運行參數(shù)信號是通過控制電纜送到中央控制室，用于信號燈或儀表的指示，中央控制室的控制命令也是通過控制電纜送到設備的現(xiàn)地控制單元中，以實現(xiàn)對設備的控制。數(shù)據(jù)通信不但在常規(guī)水電站中廣泛使用，而且在水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)中占有相當重要的位置。水電站中的計算機監(jiān)控系統(tǒng)通常是分層分布式系統(tǒng)，分為電站主控層（通常由上位機、操作臺等設備組成）和面向控制對象的現(xiàn)地控制單元。在通常情況下，現(xiàn)地控制單元保存水電站設備運行狀態(tài)、運行參數(shù)的能力較弱，數(shù)據(jù)查詢的能力也較弱，現(xiàn)地控制單元通常也不配打印機，設備的運行狀態(tài)、運行參數(shù)不能打印出來。通常的做法是通過計算機數(shù)據(jù)通信，將現(xiàn)地控制單元的設備的運行狀態(tài)、運行參數(shù)傳輸?shù)皆陔娬局骺貙拥纳衔粰C上并打印出來。同時，上位機對現(xiàn)地控制單元的控制指令、優(yōu)化運行指令等也必須通過計算機數(shù)據(jù)通信送到現(xiàn)地控制單元中，由現(xiàn)地控制單元執(zhí)行完成。水電站采用計算機監(jiān)控后，可以只使用1根數(shù)字通信電纜將現(xiàn)地控制單元中的1個計算機裝置的所有信號傳送到上位機，因此，與常規(guī)自動控制系統(tǒng)相比，采用計算監(jiān)控后，進入中控制室的控制電纜數(shù)量將大大減少，可以減少電纜的投資及敷設工作量。計算機數(shù)據(jù)通信的作用歸納起來主要有下面幾個方面。①信息共享計算機進行數(shù)據(jù)通信就可以實現(xiàn)信息共享。水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元與上位機進行計算機數(shù)據(jù)通信后，現(xiàn)地控制單元采集的運行狀態(tài)、運行參數(shù)除用于在現(xiàn)地控制單元的立即顯示外，在上位機上也可以用于顯示，并可保存用于以后查詢等，實現(xiàn)了數(shù)信息的共享。②使現(xiàn)地控制單元具有最佳性能在水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，利用數(shù)據(jù)通信，可以更自由地選擇各種設備，以充分發(fā)揮各種設備的特點及長處。這些設備通過計算機數(shù)據(jù)通信連接為一個有機整體，協(xié)調(diào)工作。如在機組現(xiàn)地控制單元中，有可編程序控制器PLC、智能交流電參數(shù)測量儀、數(shù)字溫度巡檢儀等，這些設備通過通信網(wǎng)絡組合在一起，能充分發(fā)揮這些設備的特點和長處，如可編程序控制器PLC特別適用于順序控制（如機組開停機邏輯控制等）；智能交流電參數(shù)測量儀適用于發(fā)電機三相交流參數(shù)的采集和顯示等；數(shù)字溫度巡檢儀適用于機組軸承、發(fā)電機定子繞組溫度的巡查。這些設備通過通信網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)送到前置機或上位機，進行統(tǒng)一指揮、統(tǒng)一控制、統(tǒng)一調(diào)度，使現(xiàn)地控制單元具有最佳性能。③可以共享硬件設備使用計算機數(shù)字通信可以共享計算機硬件設備、外設等。在水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)地控制單元的存儲能力有限，在現(xiàn)地控制單元中通常也不配置打印機，通過現(xiàn)地控制單元與上位機之間的數(shù)字通信，現(xiàn)地控制單元可以通過上位機的硬盤來保存現(xiàn)地控制單元的運行狀態(tài)、運行參數(shù)等數(shù)據(jù)；現(xiàn)地控制單元也可以利用上位機所配置的打印機來打印現(xiàn)地控制單元的運行狀態(tài)、運行參數(shù)，實現(xiàn)共享計算機硬件設備和外設。④遠距離通信計算機數(shù)字通信可以實現(xiàn)遠距離通信。當水電站所在的電網(wǎng)有調(diào)度自動化系統(tǒng)時，水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的上位機可以通過載波、微波、光纖、無線等通信方式進行遠距離數(shù)字通信，將水電站的運行狀態(tài)、運行參數(shù)送到電網(wǎng)調(diào)度端，并接收調(diào)度端的調(diào)度指令。另外，當一個電站內(nèi)的設備分布較為分散時，如電站的閘門離廠房較遠，計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過遠距離數(shù)字通信來完成對其監(jiān)測與控制。2.2.2數(shù)據(jù)通信的軟硬件構(gòu)成1．數(shù)據(jù)通信的硬件發(fā)送器和接收器是計算機數(shù)據(jù)通信的硬件。當計算機在近距離進行點對點通信時，就可以用電纜將2臺計算機的通信接口進行連接，水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機和現(xiàn)地控制單元在電站內(nèi)部的通信通常是近距離通信。當利用計算機實現(xiàn)遠距離通信時，還需要增加調(diào)制解調(diào)器（MODEM）、多路復用器、數(shù)據(jù)集中器、網(wǎng)卡等硬件設備。（1）調(diào)制解調(diào)器大家都知道計算機只懂0和1，即計算機只能處理數(shù)字信號，而許多通信信道（介質(zhì)）卻只能處理模擬信號，不能處理數(shù)字信號，如載波通信、微波通信、電話通信等，這就需要有一種設備在計算機發(fā)送數(shù)據(jù)時將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，在計算機接收數(shù)據(jù)時將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這種設備就是調(diào)制解調(diào)器（MODEM），它是英文調(diào)制器Modulator和解調(diào)器Demodulator的組合。調(diào)制是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為相應的模擬信號的過程，解調(diào)則是相反的過程。調(diào)制解調(diào)器的指標是用每秒發(fā)送數(shù)據(jù)的位來衡量的。（2）多路復用器在通常情況下，一個通信信道只能由一個用戶使用，即兩端只能有一個發(fā)送器和接收器，若有多個用戶要同時使用這個通信信道，就必須使用多路復用器。多路復用器分為頻分多路復用器和時分多路復用器。頻分多路復用器通過改變傳輸頻率，使一個用戶占用某一頻率，讓多個用戶以各自的頻率同時使用一個通信信道，從而實現(xiàn)多個用戶同時使用一個通信信道；時分多路復用器通過給每個用戶分配一定的在線時間，即時間片，使得每個用戶能依次在給定的時間片內(nèi)使用通信信道，從而實現(xiàn)多個用戶使用一個通信信道。（3）數(shù)據(jù)信中器數(shù)據(jù)集中器實際上是一種專門的多路復用器，它是將多個用戶將要發(fā)送的數(shù)據(jù)加以集中，然后以一個大的數(shù)據(jù)包進行發(fā)送。（4）網(wǎng)卡對于采用局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)進行通信的計算機，網(wǎng)卡是計算機所必須的基本網(wǎng)絡硬件。網(wǎng)卡用于將網(wǎng)絡節(jié)點與計算機分開，網(wǎng)卡是建立和控制網(wǎng)絡通信的部件，網(wǎng)卡也可以被認為是一種高級的調(diào)制解調(diào)器，它的傳輸速度要比通常的調(diào)制解調(diào)器更高，可以達到10Mbps和100Mbps，利用網(wǎng)卡可以建立總線結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡、星型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡、環(huán)形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡等。2．數(shù)據(jù)通信軟件計算機數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)，除硬件之外，與計算機數(shù)據(jù)通信軟件也是密不可分的。計算機數(shù)據(jù)通信軟件把計算機中的數(shù)據(jù)變成通信信道能使用的形式，各種通信協(xié)議就是最常見的通信軟件。2.2.3通信介質(zhì)物理傳輸媒體是通信中實際傳送信息的載體。計算機網(wǎng)絡中采用的物理傳輸媒體可分為有線和無線兩大類。衛(wèi)星、無線電通信、紅外通信、繳光通信以及微波通信傳送信息的載體都是屬于無線媒體。下面我們先介紹常用的三種有線媒體：雙絞線，同軸電纜和光纖。（1）有線媒體1）雙絞線雙絞線（twistedpair）是一種最經(jīng)常使用的物理傳輸媒體。相對于其他有線物理傳輸媒體（同軸電纜和光纖）來說，它價格便宜也易于安裝與使用，但是雙絞線在傳輸距離、帶寬和數(shù)據(jù)速率方面性能較差。雙絞線因由兩根絕緣的銅線互絞在一起構(gòu)成而得名，如圖2-2所示。許多電話線就是采用雙絞線。圖2-2雙絞線將兩根導線絞在一起是為了減少在一根導線中電流發(fā)射的能量對另一根導線的干擾，而且絞在一起有助于減少其他導線中的信號干擾這兩根導線。當兩根導線靠得很近且相互平行時，一根導線中電流信號的變化將在另一根導線上產(chǎn)生相似的電流變化；若兩根導線靠得很近但相互垂直時，則一根導線中電流信號的變化幾乎不會在另一根導線上產(chǎn)生電流。所以，導線絞在一起可減少相互間干擾。雙絞線有非屏蔽和屏蔽的兩種。普通電話線使用非屏蔽雙絞線UTP（UnshieldedTwistedPair），UTP易受外部干擾，包括來自環(huán)境噪聲和附近其他雙絞線的干擾。屏蔽雙絞線STP（ShieldedTwistedPair）就是在其外面加上金屬包層來屏蔽外部干擾，雖然抗干擾性能更好，但比UTP貴，且安裝也較困難。表2-1雙絞線性能的比較頻率（MHz）衰減（dB/100m）近端串擾（dB）3類UTP5類UTP150ΩSTP3類UTP5類UTP150ΩSTP1410251003002.65.613.12.022.0-6.212.321.441322362534432--585850.447.538.531.31995年，電子工業(yè)協(xié)會EIA公布了有關雙絞線的標準EIA-568-A。其中常用的有100Ω的3類UTP和5類UPT以及150Ω的STP。3類和5類的主要區(qū)別在于單位距離上的旋絞次數(shù)。5類旋絞得較緊，一般為每英寸3~4次，而3類一般為每英尺3~4次。旋絞得越緊價格越貴，但是性能也越好。3類UTP通常用來傳輸話音，即用