CC BY
18
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ АКАДЕМИИ
в МАТЕРИАЛЫ УРАЛЬСКОЙ Вып. 17
ГОРНОПРОМЫШЛЕННОЙ ДЕКАДЫ
10-20 апреля 2003 г.
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И КОНТРОЛЬ ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
МНОГОКАНАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ И РЕГИСТРАЦИИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
КОЧНЕВ М. А.. ПРОКОФЬЕВ Е. В.. ИЛЬИНЫХ С. А.. СТАРОСТИНА. А. Уральская государственная горно-геологическая академия
Система (в дальнейшем регистратор) представляет собой аппаратно-программный комплекс, цхдназначенный для сбора, первичной обработки и хранения информации об экплуатационно-тнологических параметрах процессов нормального и переходного режимов.
Один из вариантов регистратора применяется для измерения напряжений и токов в цепях зосктроэнергетических объектов, определения состояния устройств автоматики и релейной защи-ть Также он служит для записи и хранения информации о переходных процессах, возникающих в эгзультате аварийных ситуаций в сетях электроснабжения. Регистратор заменяет морально и технически устаревшие шлейфовые осциллограоы, ранее применявшиеся для этих целей, и обладает в; сравнению с ними рядом новых возможностей.
Структурная схема регистратора изображена на рис. I, технические характеристики приведены ниже. Он состоит из блока сбора информации и ЭВМ.
Наименование Значение
Кмичество аналоговых каналов......................................................................................................................................................................................................64
Кмичество дискретных каналов......................................................................................................................................................................................................64
Ьзлимсстно виртуальных (расчетных) каналов......................................................................................................................................................до 255
¿алазон аналоговых входных сигналов..........................................................................................................................................................................±5 в
Уровень цифровых входных сигналов..................................................................................................................................................................................0; 5 В
Период дискретизации......................................................................................................................................................................................................................................I мс
*врядность АЦП......................................................................................................................................................................................................................................................12 бит
Погрешность регистрации..........................................................................................................................................................................................................................не белее 1%
Воток обрабатываемых в реальном времени даннь х..................................................................................................................................125 Кб/с
Максимальная длительность одной записи....................................................................................................................................................................60 с
Минимальный период записи значений самописца........................................................................................................................................IЭ мс
Потребляемая мощность................................................................................................................................................................................................................................1СЮ Вт
!Чбаритные размеры...................................................................................................................... 400x400x500 мм
Икса..........................................................................-......................................................................................................................................15 кг
Блок сбора информации
Блок сбора информации включает в себя выносные блоки (ВБ), цифровой и анал мультиплексоры, АЦП, контроллер АЦП, буферное ОЗУ, контроллер ОЗУ и интерфейса, фейс.
непрерывные сигналы дискрсгхыс сигналы >1«раал*ющиесигналы поток дан мы«
Интернет
Блок сбора информации
ЭВМ
Рис. I. Структурная схема системы
Сигналы напряжения и тока подаются на выносные блоки, которые служат для норм ния сигналов и гальванической развязки входов блока сбора информации от измерительных Применяются блоки как с трансформаторной развязкой, так и с оптронной.
С выхода выносных блоков сигналы поступают на входы аналогового и цифрового плсксоров. Мультиплексоры коммутируют сигналы с входов с постоянным периодом дис ции. Данные с выхода цифрового мультиплексора записываются в буферное ОЗУ.
Аналоговый мультиплексор может содержать на входах устройства выборки и х (УВХ). В случае отсутствия УВХ фазовый сдвиг, вызванный неодновременностью преюб сигналов, учитывается и корректируется в алгоритме расчета. Сигнал с его выхода п аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). В блоке сбора информации используется один разрядностью 12 бит, с последовательным выходом. Период дискретизации АЦП был в ходя из требования обеспечить двадцать точек измерения в каждом аналоговом канале на период промышленной частоты 50 Гц, т. e. I мс. Для согласования последовательного АЦП с параллельным входом буферного ОЗУ используются регистры сдвига, преобраз следовательный код в параллельный. Сигналы управления АЦП и регистрами формируются тролле ром АЦП. Он также играет роль источника синхронизирующих сигналов для всего сбора информации.
Буферное ОЗУ служит для промежуточного хранения информации, выполнено в виде цевого буфера и позволяет асинхронно записывать и считывать данные. ОЗУ имеет орган 64К 32-разрядных слов. В каждом слове хранится информация о двух аналоговых каналах, цифровых каналах, дополнительная инфэрмация для синхронизации и выявления ошибок редаче данных в ЭВМ. Все адресное пространство ОЗУ условно разделено на блоки по 4К разрядных слов или 16К байт. Адреса и сигналы записи и чтения для ОЗУ формируются к лером ОЗУ и интерфейса. Для обеспечения асинхронности записи данных в буфер и чтения ных из буфера контроллер имеет два независимых адресных регистра. Значение регистра записи увеличивается синхронно с циклом преобразования АЦП. Старшая часть регистра я адресом блока, в который происходит запись, и доступна для чтения ЭВМ. Значение per
358
Iчтения увеличивается при каждом цикле чтения данных ЭВМ. Старшая часть регистра явля-алресом блока, из которого производится чтение, и доступна для чтения и записи из ЭВМ. записи значения в старшую часть регистра адреса чтения значение младшей автоматически тяется, что позволяет считывать данные с начала блока.
При заполнении блока 16К данными он считывастся в ЭВМ. Для этого программное обсспе-г постоянно следит за адресом блока загиси. При полном заполнении очередного блска ини-¡.ется обмен с контроллером для считывания.
Интерфейсная часть блока сбора информации обеспечивает обмен данными с ЭВМ с ис-юванием параллельного порта по протоколу ЕРР. Этот протокол удобен тем, что подразуме-двунаправлениую полудуплексную передачу данных и имеет аппаратную реализацию фор-вания сигналов стробирования в ЭВМ. Обмен информацией производится побайтно. Специ-ция ЕРР содержит четыре цикла, различаемые сигналами стробирования: цикл чтения дайра. записи данных, чтения адреса, записи адреса. Длительность одного цикла составляет 1,5-15 Ь: что позволяет достичь скорости передачи данных до 0,5 Мб/с. Многие чипсеты поддержива-Ьавтоматическое чтение или запись чегыре* байтов данных за одно обращение к регистрам пор-HL что позволяет увеличить скорость передачи до 2 Мб/с.
Программное обеспечение
Данные, передаваемые в ЭВМ, обрабатываются в реальном времени специализированным ■реграммным обеспечением (ПО). Оно выполняет следующие функции:
• слежение за адресом записи;
• считывание из буферного ОЗУ данных;
• проверка достоверности и фильтрация данных;
• расчет амплитуды и фазы первой гармоники переменного синусоидального сигнала или кбствующего значения постоянного;
• расчет частоты переменного синусоидального сигнала по заданному из каналу;
• сравнение параметров сигнала с пороговыми заранее определенными значениями («устав-
• сравнение состояния цифровых каналов с нормальным, заранее определенным состоянием;
• запись текущих данных на жесткий диск при обнаружении выхода за пороговые значения враметров аналоговых сигналов и отличии состояния цифровых сигналов от нормального в тече-тк заданного времени;
• запись текущих параметров сигналов на жесткий диск с заданным интервалом прсмсни («самописец»);
• обработка запросов клиентского программного обеспечения;
• отображение текущей информации на экране дисплея в целях наладки и проверки работоспособности (рис. 2);
• дополнительные сервисные функции.
Специализированное программное обеспечение работает под управлением операционной системы (ОС) Microsoft Windows 2000 Professional. К достоинствам этой операционной системы можно отнести поддержку большого количества оборудования, многозадачность, высокую надежность, развитый графический интерфейс пользователя, наличие необходимых сетевых служб. Также следует учесть большую распространенность продуктов корпорации Microsoft, доступность средств разработки и документации для операционной системы Microsoft Windows и опыт работы с ними большого количества пользователей.
Ввиду особенностей реализации опергциоиной системы Microsoft Windows 2000. которые она унаследовала от Microsoft Windows NT, и необходимости использования для обращения к регистрам порта привилегированных инструкций процессора был разработан специфический драйвер порта ЕРР. Работая в нулевом кольце защиты ядра операционной системы, он предоставляет возможность выдавать команды для блока сбора информации и считывать данные из буферного ОЗУ.
Чтение данных происходит блоками по 16К, поэтому работа программного обеспечения носит цикличный характер. Один цикл имеет длительность около 128 мс (время заполнения одного блока данными) и три основные стадии: чтение блока данных, обработка прочитанной информации, ожидание заполнения следующего блока.
Рис. 2. Пример экранной формы специализированного ПО
Блок данных, полученный от блока сбора информации, распаковывается по каналам этом проверяется корректность дополнительной информации, которая носиг упорядочении! рактср, на предмет искажения в процессе передачи. В случае обнаружения несоответствия перечитывается заново. Благодаря большому объему буферного ОЗУ допускается отставание тывания текущих данных, но не более чем на 2 с.
Массив данных по цифровому каналу проверяется на соответствие заранее опред («нормальному состоянию контакта») значению. В случае несоответствия учитывается («время ожидание запуска»), в течение которого канал имеет такое состояние. При прсвы этим временем заданного значения н если присутствует соответствующий флаг («разреш пуска»), происходит генерация события («запуск»), которое выставляется в очередь для дующей обработки. Такие параметры, как «нормальное состояние контакта», «время ож запуска», «разрешение запуска», являются настроечными и задаются при вводе системы в Параметры сигналов по аналоговым каналам рассчитываются в зависимости от з «режима». В текущей версии программного обеспечения реализованы два режима расчета: амплитуды и фазы первой гармоники переменного синусоидального сигнала и расчет де шею значения постоянного или имеющего произвольную форму сигнала.
Расчет амплитуды и фазы перьой гармоники переменного синусоидального сигнала на определении соответствующих коэффициентов ряда Фурье (1,2):
где А, В - коэффициенты ряда Фурье, соответствующие первой гармонике синусоидального нала; 1-й элемент массива отсчетов сигнала в пределах одного периода; N - количество тов в одном периоде сигнала.
Полученные коэффициенты А, В используются для расчета амплитуды и фазы первой моники переменного синусоидального сигнала (3, 4), а также для расчета симметричных ляющих 3-фазной системы в виртуальных каналах (10, II, 12, 13, 14, 15):
и = Ку1лГ^В2; , (3)
(4)
и - амплитуда первой гармоники переменного синусоидального сигнала; К - масштабный ¡»ициент, определяющий соответствие рассчитываемого значения истинному значению пара-сигнала; ф- фаза первой гармоники переменного синусоидального сигнала. В данном случае гораздо больше интересует не абсолютное значение фазы, а относительное >го сигнала, например «фазы А» 3-фазной системы. Поэтому значение фазы отсчитывается :ительно фазы заданного опорного канала (5):
Ф*=Ф-Фо«' (5)
ф'- относнтельное значение фазы; ф^-значение фазы сигнала по опорному каналу.
Действующее значение сигнала определяете* путем нахождения среднеквадратичного зна-<я отсчетов сигнала за определенное время, которое обычно принимается равным одному пе-у промышленной частоты (6):
I <<f,-*r. (6)
<•1
U - действующее значение сигнала произвольной формы; К - масштабный коэффициент, деляющий соответствие рассчитываемого значения истинному значению параметра сигнала; - количество отсчетов в одном периоде сигнала; d- /-й элемент массива отсчетов сигнала в [елах одного периода; г-уровень смещения сигнала относительно истинного входными це-и.
Полученные в результате расчета значения амплитуды или действующего значения сравниваются с граничными значениями («уставками»). Программное обеспечение позволяет задавать кнюю и нижнюю «уставки» и флаги «разрешения запуска» по ним независимо друг от друга. При значении параметра сигнала, большем, чем значение верхней уставки, или меньшем, чем шжней. в 1счснис «времени ожидания запуска», при наличии соотвстствующих флагов «разрешения запуска», происходит генерация события
При вводе регистратора в работу аналоговые каналы подвергают градуировке. При градуировке вход измерительного тракта закорачивается, что позволяет программному обеспечению измерить уровень смещения нуля z. Затем полается сигнал с известной амплитудой или действую-пич значением. Это значение вводится в программу и рассчитывается масштабный коэффициент
Виртуальные (расчетные) каналы введены в систему для сокращения сигналов, заводимых ва аналоговые каналы, и позволяют рассчитывать «нулевую», «прямую» и «обратную» симметричные составляющие 3-фазной системы в зависимости от заданного «режима». По ним можно судить о симметрии нагрузки, характере аварийного процесса (обрыв фазы, замыкание фазы на кмлю, межфазнос замыкание). Составляющие рассчитываются путем сложения векторов сигналов по соответствующим фазам (7, 8, 9):
О о (ф) = и А (ф)+О R (ф) + 0( (ф); (7)
¿/,(ф) = ^(ф) + «/я(ф + у] + ^с:(ф+у); (8)
= + (9)
где */0(ф)Д(ф)Д(ф)- векторы нулевой, прямой и обратной последовательности в полярных
координатах соответственно; ОA($),Uн(ф),£.г<(ф)~ векторы, соответствующие фазам А, В и С 3-фазной системы в полярных координатах.
Для расчета используются коэффициенты ряда Фурье, полученные при расчете вующих аналоговых каналов (10, 11, 12, 13, 14, 15):
А0 = КаАа +КяАц + К(АГ; В0 = КАВА +КНВН +К( Вс\
А, = КААА + АГЯ|
А, = КАВЛ
А2 = КААЛ + К„ и
А>=КАВА+К„ | [ВйСО^УАн в"{т)]+А:<:[в< «"(Т)-*
где А0,В0,А1,В1,А2,В2- коэффициенты ряда Фурье для нулевой, прямой и обратной с щих; Аа,В/4,Ан>Вв,А<:,Вг-коэффициенты ряда Фурье для каналов, соответствующих В и С; КА, КН,КС - масштабные коэффициенты для каналов, соответствующих фазам А, По полученным коэффициентам А и В рассчитываются амплитуда и фаза симм составляющих (16, 17):
и. = ^А? + В} ;
Ф-
где и. - амплитуда первой гармоники симметричной составляющей; <р,- фаза первой симметричной составляющей.
Сравнение амплитуды с «уставками» происходит аналогичным с аналоговыми кан разом.
Программное обеспечение содержит канал расчета частоты, во многом схожий с ви[ ными каналами. Он позволяет рассчитывать текущее значение частоты первой гармоники менного синусоидального сигнала по одному из заданных аналоговых каналов (обычно ис~ ктггя кянялм, соответствующие фазе А основной и резервной систем шин). Выбор канала происходит автоматически (например, при выводе системы шин в ремонт). В случае его вия текущее значение частоты приравнивается 50 Гц. Текущее значение частоты корре относительно предыдущего по набегу фазы выбранного аналогового канала за известный и времени (18) при выполнении условия равенства амплитуд в эти моменты времени (19):
, ФС^-ФС.).
г - Г0 +-,
/2-/2
А(12 )=Л(',),
где текущее значение частоты; предыдущее значение частоты или 50 Гц; /,,/2- м времени, соответствующие началу и концу интервала измерения; ф(/|),ф(/2)- значение начале и конце интервала измерения; Л(/,), Л(/2)- значения амплитуды в начале и конце и(_
ла измерения.
Полученное значение частоты используется в следующем цикле расчета параметров лов. Канал расчета частоты также позволяет устанавливать «уставки» и производить « зависимости от текущего значения частоты, аналогично виртуальным каналам.
После завершения расчета параметров по всем каналам производится обработка очереди бытий. События, сгенерированные при «-запуске» ни каналам, содержа! информацию о в причине и значения параметров на момент «запуска». Очередь сообщений сортируется для ления первого сработавшего канала и определения времени его «запуска». От этого времени считывается время «длительности предыстории» (для хранения информации о сигналах до та запуска используется дополнительный буфер в памяти ЭВМ) и инициируется запись ин ции на жесткий диск. Она продолжается в течение времени «длительности аварии», которое но менять в широких пределах (чаще всего используется значение «длительности аварии»,
■l. а «длительности предыстории» - О, I с). После завершения записи «аварии» на жесткий диск к Нв добавляется дополнительная информация о причине «запуска» и параметрах сигналов в тот
Система может выполняет функцию самописца, т. е. записывать текущие значения парамет-L сигналов и частоты на жесткий диск с заданным периодом времени. По этим записям можно ^»ить долговременные изменения параметров сигналов (например, суточные колебания потрсб-
Файлы, записанные на жесткий диск, упаковываются архиватором и хранятся заданное для Вщцой группы файлов время. Их можно скопировать на дискету для дальнейшего анализа в ■ржбе релейной защиты и автоматики (РЗиА). При наличии локальной сети все файлы доступны ^т передачи по протоколу FTP, благодаря имеющейся в Windcws-2000 службе.
На базе описываемой системы было построено автоматизированное рабочее место (АРМ) Ькенера службы РЗиА. Для этого программное обеспечение, управляющее блоком сбора инфор-&в_ии, было дополнено сервером, позволяющим подключение клиентского программного обеспе-
по протоколу TCP/IP. Это подразумевает, что теоретически инженер службы РЗиА со своего Ьвочего места может получить доступ к любому регистратору, подключенному к локальной вы-МК.1И 1сльной сети (ЛВС) или Интернету. Клиентское программное обеспечение полу част инфор-Вшию от регистратора по технологии «Клиент-сервер», и позволяет просматривать сигналы в ви-Ш осциллограмм, диаграмм, параметры сигналов в виде таблицы и управлять файлами «аварий», Ьркнящимися на жестком диске регистратора.
Опытно-промышленная эксплуатация
Несколько описываемых регистраторов находятся на опытно-промышленной эксплуатации ■я Рефтинской ГРЭС, Среднеурапьской ГРЭС и еще ряде станций и подстанций. За время работы Li получили высокую оценку службы РЗиА и зафиксировали несколько процессов, связанных с яырийными ситуациями в электрических сетях. По данным, записанным регистраторами, можно ■»днть о причинах возникновения аварийной ситуации, правильности функционирования систем ккйной защиты, что позволяет сократить сроки на ликвидацию последствий аварии и в будущем ««дотвратить возникновение подобных ситуаций.
Модификация
Заложенные в систему принципы позволяют практически без изменений аппаратной части и кмтветствующей настройкой программного обеспечения изменять количество каналов и период [рккретизацни. Эти две характеристики находятся п обратно пропорциональной зависимости. По рросьбам служб, выполняющих настройку электрических машин, устройств релейной защиты и »тематики, была разработана переносная модификация регистратора. Переносной регистратор шполней в виде кейса и работает совместно с ЭВМ класса ноутбук. При этом частота преобразо-шния сигналов была увеличена за счет уменьшения количества каналов. Технические характеристики переносной модификации приведены ниже:
Количество аналоговых каналов......................................................................................................................................................................................................16
Количество дискретных каналов....................................................................................................................................16
Количество виртуальных (расчетных) каналов............................................................................................................до 255
1|впазон аналоговых входных сигналов........................................................................................................................................................................±200 мВ
Уровень цифровых входных сигналов................................................................................................................................................................................0; 5 В
"период дискретизации....................................................................................................................................................0,250 мс
Разрядность А ЦП.............................................................................................................................................................12 бит
.Погрешность регистрации...............................................................................................................................................................................не более I %
Поток обрабатываемых в реальном времени данных................................................................................................................................125 Кб/с
Максимальная длительность одной записи............-......................................................................................................................................60 с
Минимальный периол записи значений самописца......................................................................................................................................10 мс
Потребляемая мощность............................................................................................................................................................................................................................20 Вт
Габаритные размеры..................................................................................................................... 400х300х 150 мм
Масса..........................................................................................................................................................................................................................................................................................5 кг
Эти устройства используются при проведении пуско-наладочных работ, в частности при настройке систем возбуждения турбогенераторов.
