基于力控组态软件的风光发电监控的设计 精品.docx

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摘要

太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。

太阳能与风能在时间上和季节上都有很强的互补性：

白天太阳光照好、风小，晚上无光照、风较强；夏季太阳光照强度大而风小，冬季太阳光照强度弱而风大。

这种互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性。

另外，风力发电和光伏发电系统在蓄电池和逆变器环节上是可通用的。

风光互补发电系统可根据用户用电负荷和自然资源条件进行最佳的合理配置，既可保证系统的可靠性，又能降低发电成本，满足用户用电需求。

本文使用的力控组态软件已经应用于电力、化工、石油、楼宇、水利、冶金、机械、食品等多个领域，本文以北京三维力控组态软件为基础开发了风光互补发电监测系统，实现了对风光发电参数和设备状态的实时监控、数据查询、对于工作现场的正常工作和远程监控起了重要保障作用。

关键字：

组态软件风光互补发电监控

Abstract

Solarandwindenergyisthemostcommonnaturalresources,butalsotheinexhaustiblerenewablesourcesofenergy.Solarandwindenergyintimeandseasonhaveverystrongcomplementarytoeachother:

goodthesunduringtheday,smallwind,nightwithoutlight,thewindisstronger;Thesummersunlightintensitybig,smallwind,thesunlightintensityisweakandwindyinwinter.Thiscomplementaritymakeswind-lightcomplementarysysteminresourcesisthebestmatch.Inaddition,windpowerandphotovoltaicpowergenerationsysteminthestoragebatteryandinverterlinkcanbeuniversal.Wind-lightcomplementarysystemcanaccordingtouser'selectricityloadandreasonableallocationofnaturalresourcesforthebest,canguaranteethereliabilityofthesystem,andcanreducepowergenerationcost,meettheneedsofusers.

Inthispaper,theforcecontrolconfigurationsoftwarehasbeenusedinelectricpower,chemical,petroleum,building,waterconservancy,metallurgy,machinery,foodandotherfields,thispapertakesBeijingsunwayconfigurationsoftwareisdevelopedbasedonscenerypowergenerationmonitoringsystem,realizedthescenegeneratorparameterandequipmentstatusreal-timemonitoring,dataquery,forthenormalworkofthejobsiteandremotemonitoringplaysanimportantrole.

Keywords:

configurationsoftware;scenerypowergeneration;control

1.引言

1.1课题概述

随着电气自动化水平的迅速提高和计算机在电气领域的广泛应用，人们对电力自动化的要求愈来愈高，种类繁多的过程监控装置在电气领域的应用，使得传统的控制软件已无法满足用户的各种需求。

通过自动化组态软件的出现为解决上述实际问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统控制软件存在的种种问题，使用户根据自己的控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。

目前世界上的组态软件的品种繁多，国外有美国的Wonderware公司的InTouch、Intellution公司的iFIX等，国内产品有三维力控、组态王、MCGS等。

国外组态软件虽然功能强大但价格贵，而国产组态软件吸收了国外软件的优点，在功能上可以和国外组态软件想媲美，而且还具有符合国人思维习惯的中文菜单，性价比高。

本文以风光互补发电为对象，利用三维力控组态软件设计开发了一个监控系统。

监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活样的“组态方式”而不是编程方式进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，比如在分布式网络应用中，所有应用（例如趋势曲线、报警等）对远程数据的引用方法与引用本地数据完全相同，通过“组态”的方式可以大大缩短了自动化工程师的系统集成的时间，提高了集成效率。

在组态概念出现之前，要实现某一程序，都是通过编写程序（如使用BASIC，FORTRAN等）来实现的，编写程序不但工作量大，周期长，而且一旦被控对象稍有变动，就必须修改系统的源程序。

组态软件的出现，解决了这个问题，对于过去需要几个月的工作，通过组态软件几天就可以完成。

1.2国内外基本研究情况

组态软件市场的大部分份额扔被国外几家组态软件占据。

下面列举并介绍了一些有代表性的国外组态软件。

（1）美国Wonderware公司的InTouch

它堪称组态软件的“鼻祖”，率先推出16位Windows环境下的组态软件，在国际上曾得到较高的市场占有率。

InTouch软件的图形功能比较丰富，使用较方便，但控制功能较弱。

其I/O硬件驱动丰富，只要使用DDE（DynamicDataExchange，动态数据交换）连接方式，实时性较差，另外它的驱动程序须单独购买。

32位Windows环境下的7.0版在网络和数据管理方面有所加强，并实现了所谓的实时关系数据库，其实只是在SQLServer上增加了数据传输插件而已。

在32位Windows环境下，InTouch已受到其他产品的猛烈冲击。

（2）美国Interlution公司的FIX

美国Intelution公司的FIX产品系列较全，包括DOS版、16位Windows版、32位Windows版、OS/2版和其他一些版本，功能较InTouch强，但实时性仍欠缺，总体技术一般。

其I/O硬件驱动丰富，只是驱动程序也须单独购买。

最新推出的iFIX是全新模式的组态软件，思想和体系结构都比较新，提供的功能也较为完整。

但对系统资源耗费巨大，用户最为明显的感受就是缓慢，而且经常受Windows操作系统影响而导致不稳定。

（3）德国西门子公司的WINCC

德国西门子公司的WINCC组态软件在网络结构和数据管理方面比FIX差，但也属于比较先进的产品之一。

西门子似乎仅是想把这个产品当作其硬件的陪衬，对第三方的硬件也不热衷，若选用西门子公司的硬件，能免费得到WINCC，所以对于使用其他硬件的用户不是个好的选择。

国产过压的组态软件产品也正在成为市场上的一支生力军，具有较强的价格竞争优势，但总的来讲，由于资金来源缺乏，软件工程的组织薄弱，因此软件商品化的程度还比较差。

下面介绍了一些有代表性的国内组态软件。

（1）亚控公司的组态王

组态王是国内较早出现的组态软件产品之一，到现在也有7年左右的历史了。

早期的组态王仿造InTouch，只是个人机接口。

到了5.1版本，在数据管理和开放性方面有了一些改进。

但体系结构却没有实质性地突破。

有可能还没有摆脱早期形成的不合理的程序构架。

其网络功能较为薄弱，支持不了真正意义上的分布式系统。

6系列版本在体系结构上有了很大的改进。

（2）大庆三维公司的力控

从时间概念来说，力控也是国内较早就已经出现的组态软件之一。

32位Windows下1.0版的力控在体系结构上就已经具备了较为明显的先进性，其最大的特征之一就是其基于真正意义的分布式实时数据库的三层结构，而且它的实时数据库结构为可组态的“活结构”。

这在1999至2000年期间，力控得到了长足的发展，最新推出的2.0版在功能的丰富性、易用性、开放性和I/O驱动数量方面都得到了很大的提高。

1.3课题的主要研究内容

本论文是以作者毕业设计期间承担课题的方案论证及实现工作为基础，首先中阐述了组态软件出现的背景、意义以及国内外研究的现状。

再阐述本文使用的力控组态软件的结构，再阐述风光互补发电系统的结构、原理、发展历程、应用前景。

阐重点述了力控6.1组态软件的监控系统的实现。

最后总结全文。

2.三维力控组态软件介绍

2.1三维力控组态软件概述

典型的计算机控制系统通常可以分为设备层、控制层、监控层、管理层四个层次结构，构成了一个分布式的工业网络控制系统，其中设备层负责将物理信号装换成数字或标准的模拟信号，控制层完成对现场工艺过程的实时监测与控制，监控层通过对多个控制设备的集中管理，来完成监控生产运行过程的目的，管理层实现对生产数据进行管理、统计和查询。

监控组态软件一班是位于监控层的专用软件，负载对下集中管理控制层，向上连接管理层，是企业生产信息化的重要组成部分。

力控监控组态软件能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，他可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，来实现与“第三方”的软、硬件系统来进行整体的集成。

2.2三维力控组态软件结构介绍

力控监控组态软件基本的程序及组件包括：

工程管理器、人机界面VIEW、实时数据库DB、I/O驱动程序、控制策略生成器以及各种数据服务及扩展组件，其中实时数据库是系统的核心，下图2.1为组态软件结构图：

图2.1ForceControl组态软件的结构图

首先以力控组态软件里的一个演示工程为例，主要的各种组件说明见下：

（1）工程管理器（ProjectManager）

工程管理器用于工程管理包括用于创建、删除、备份、恢复、选择工程等。

工程管理器还实现了力控常用工具软件的集中管理。

工程管理器窗口示意图如下图2.2。

图2.2工程管理器窗口

窗口自上而下依次为：

菜单栏、工具栏、工程列表显示区、属性页标签四部分。

其中属性页标签又有工程管理、工具列表、网络中心三个切换项。

这里不做介绍，用到时再给出。

由于菜单栏中的“文件”选项所包含的内容与工具栏中基本一致，故只介绍工具栏所包含内容：

新建：

新建一个工程。

删除：

删除已存在的工程。

运行：

对于已选中的工程应用，点击进入运行系统。

开发：

对于已选中的工程应用，点击进入开发系统。

搜索：

查找已存在的工程应用。

备份：

将已选中的工程的数据文件压缩成一个备份文件，扩展名为.pcz

恢复：

与备份的功能相对应，在任意ForceControl环境将备份的工程压缩文件解压并恢复原始工程。

打包：

制作安装包。

用于将当前版本的ForceControl运行系统及当前工程制作成安装程序，以便随时安装运行系统及当前工程。

退出：

退出工程管理器。

在工程列表区中，可以看见已经存在的工程、路径及其说明，方便用户管理。

（2）开发系统（Draw）

开发系统是一个集成环境，可以完成创建工程画面、配置各种系统参数、脚本、动画、启动力控其他程序组件等功能。

所谓的“组态”就是在这里完成的。

可以在开发环境中完成监控界面的设计、数据库组态、I/O设备的组态、动画的连接的定义及进行如DB、IO、HMI、NET等配置。

ForceControl开发系统可以方便的生成各种复杂生动的画面，可以逼真的反映现场的数据及情况。

开发系统可分成几个区域加以介绍。

命令操作区，包括启动ForceControl、显示风格、图库、图元锁定，前/后置、旋转，镜像等功能；工程窗口，包括WEB服务设置、组态窗口、变量、数据库组态、I/O设备组态、脚本动作、组件等选项；属性窗口，包含所建组态画面的所有属性显示、动画设置、方法、分类等；工具箱，包含了所有绘画组态的图元、常用组件、控件。

系统配置窗口，包括节点配置、数据源、系统配置、报警配置等。

开发系统窗口如下图2.3所示。

图2.3开发系统窗口

针对几个在做系统开发时出现的重要概念，讲解如下：

对象：

一种可以认为是被封装的，具有属性，方法和事件的特殊数据类型。

在ForceControl中指组成系统的一些基本构件，如：

窗口、窗口中的图形、定时器等，每一个对象作为独立单元，都有各自的状态，可以通过对象的属性和方法来操作。

属性、方法、事件：

描述对象的数据称属性，对对象所做的操作称为对象的方法，对象对某种消息产生的影响为事件，事件给用户提供一个过程接口，可以在事件过程中编写处理代码。

每种图形对象都有决定其外观的各种属性。

如：

线有线宽、线色、线风格等属性；填充体有边线颜色、边线线宽、填充颜色等属性。

开发系统提供了对图形对象的属性和方法进行设置的操作。

对象的命名：

对象的名称是对象的唯一标示，引用对象的属性方法前，要对其进行命名，只有这样才能在引用对象时指明是对哪一个对象进行的属性和方法操作。

ForceControl，采用面向对象技术使得图形具备真正的“对象”概念上的意义，用户可以为每个图形对象分配名称，对象名称可以修改，方法有两种：

第一，选择对象在属性设置中修改。

第二，选择对象鼠标右键修改。

成功定义对象名称后，系统将保留这个名称直至删除。

（3）界面运行系统（View）

界面运行系统用来运行由开发系统Draw创建的画面、脚本、动画连接以及系统配置中“初始启动程序”项中设置的程序等工程，操作人员通过它来实现实时监控。

点击Draw中命令操作区中的“运行”图标即可进入运行系统。

下图2.4为演示工程运行界面.

图2.4力控运行界面

（4）实时数据库（DB）

实时数据库是ForceControl软件系统的数据处理核心，构建分布式应用系统的基础，它负责实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等；负责和I/O调度程序的通信，获取控制设备的数据，同时作为一个数据源服务器在本地给其他程序如界面系统VIEW等提供实时和历史数据，实时数据库又是一个开放系统，作为一个网络节点，也可以给其他数据库提供数据，数据库之间可以互相通信，并支持通信方式，如TCP/IP、串口、无线等，并且运行在其他网络节点的第三方系统可以通过OPC、ODBC、API/SDK等接口方式访问实时数据库[10]。

实时数据库可以将组态数据、实时数据、历史数据等以一定的组织形式存储在介质上。

运行的实时数据库如下图2.5所示。

图2.5运行的实时数据库

（5）I/O驱动程序（I/OServer）

I/O驱动程序负责ForceControl与设备的通信，它将I/O设备寄存器中的数据读出后，传送到ForceControl的实时数据库，最后界面运行系统会在画面上动态显示。

ForceControl可以与多种类型设备进行通信，对于采用不同协议通信的I/O设备，ForceControl提供相应的I/O驱动，用户不需关心设备的具体通信协议既可以通过I/O驱动程序来完成与设备的通讯。

ForceControl与I/O设备之间一般通过以下几种方式进行数据交换：

串行通讯方式（RS232/422/485，支持Modem、电台远程通信）、板卡方式、网络节点（支持TCP/IP、UDP/IP协议）方式、OPC、DDE、网桥方式等。

I/O管理器（IoManager）是配置I/O驱动的工具，IoManager可以根据现场使用的I/O设备选择相应的I/O驱动，完成逻辑I/O设备的定义、参数设置，对物理I/O设备进行测试等。

IoManager如下图2.6所示。

图2.6IoManager

I/O监控器（IoMonitor）是监控I/O驱动程序运行的工具。

IoMonitor可以完成对I/O驱动程序的启停控制，查看驱动程序进程状态、浏览驱动程序通信报文等功能。

IoMonitor如下图2.7所示。

图2.7IoMonitor

（6）网络通信程序（NetClient/NetServer）

网络通信程序采用TCP/IP通信协议，可利用Intranet/Internet实现不同网络节点上力控之间的数据通信，可以实现力控软件的高效率通信。

（7）远程通讯服务程序（CommServer）

该通信程序支持串口、电台、拨号、移动网络等多种通信方式，通过力控在两台计算机之间实现通信，使用RS232C接口，可实现一对一（1:

1方式）的通信;如果使用RS485总线，还可实现一对多台计算机（1：

N方式）的通信，同时也可以通过电台、MODEM、移动网络的方式进行通信。

（8）Web服务器程序（WebServer）

Web服务器程序可为处在世界各地的远程用户实现在台式机或便携机上用标准浏览器实时监控现场生产过程。

（9）控制策略生成器（StrategyBuilder）

控制策略生成器是面向控制的新一代软逻辑自动化控制软件，采用符合IEC61131-3标准的图形化编程方式，提供包括：

变量、数学运算、逻辑功能、程序控制、常规功能、控制回路、数字点处理等在内的十几类基本运算块，内置常规PID、比例控制、开关控制、谐波控制等丰富的控制算法。

同时提供开放的算法接口，可以嵌入用户自己的控制程序。

控制策略生成器与力控的其他程序组件可以无缝连接。

3风光互补发电系统

3.1风光互补发电系统的概述

能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础。

在过去的200多年里，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。

但是人类在使用化石燃料的同时，也带来了严重的环境污染和生态系统破坏。

近年来，世界各国逐渐认识到能源对人类的重要性，更认识到常规能源利用过程中对环境和生态系统的破坏。

各国纷纷开始根据国情，治理和缓解已经恶化的环境，并把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容。

风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。

3.2风光互补发电系统的发展历程

最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合，因为缺乏详细的数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致使用寿命不长。

近几年随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性要求的提高，国外相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大型工具软件包。

通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置。

其中coloradostateuniversity和nationalrenewableenergylaboratory合作开发了hybrid2应用软件。

hybrid2本身是一个很出色的软件，它对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的互补发电系统结构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得一年8760小时的模拟运行结果。

但是hybrid2只是一个功能强大的仿真软件，本身不具备优化设计的功能，并且价格昂贵，需要的专业性较强。

在国外对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定：

一是功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率，主要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电量，主要用于系统功率设计。

目前国内进行风光互补发电系统研究的大学，主要有中科院电工研究所、内蒙古大学、内蒙古农业大学、合肥工业大学等。

各科研单位主要在以下几个方面进行研究：

风光互补发电系统的优化匹配计算、系统控制等。

目前中科院电工研究所的生物遗传算法的优化匹配和内蒙古大学新能源研究中推出来的小型户用风光互补发电系统匹配的计算即辅助设计，在匹配计算方面有着领先的地位，而合肥工业大学智能控制在互补发电系统的应用也处在前沿水平。

据国内有关资料报道，目前运行的风光互补发电系统有：

西藏纳曲乡离格村风光互补发电站、用于气象站的风能太阳能混合发电站、太阳能风能无线电话离转台电源系统、内蒙微型风光互补发电系统等。

3.3风光互补发电系统的技术原理

3.3.1风光互补技术原理简介

风光互补是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。

是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。

风光互补发电站采用风光互补发电系统，风光互补发电站系统主要由风力发电机、太阳能电池方阵、智能控制器、蓄电池组、多功能逆变器、电缆及支撑和辅助件等组成一个发电系统，将电力并网送入常规电网中。

夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，晴天由太阳能发电，在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用，实现了全天候的发电功能，比单用风机和太阳能更经济、科学、实用。

适用于道路照明、农业、牧业、种植、养殖业、旅游业、广告业、服务业、港口、山区、林区、铁路、石油、部队边防哨所、通讯中继站、公路和铁路信号站、地质勘探和野外考察工作站及其它用电不便地区。

3.3.2风光互补技术构成

（1）发电部分：

由1台或者几台风力发电机和太阳能电池板矩阵组成，完成风－电；光－电的转换，并且通过充电控制器与直流中心完成给蓄电池组自动充电的工作。

（2）蓄电部分：

由多节蓄电池组成，完成系统的全部电能储备任务。

（3）充电控制器及直流中心部分：

由风能和太阳能充电控制器、直流中心、控制柜、避雷器等组成。

完成系统各部分的连接、组合以及对于蓄电池组充电的自动控制。

（4）供电部分：

由一台或者几台逆变电源组成，可把蓄电池中的直流电能变换成标准的220V交流电能，供给各种用电器。

3.3.3风光互补发电技术优势

风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成，发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。

由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。

同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。

3.4风光互补发电系统结构

风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成，系统结构图见下图3.1。

该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。

图3.1风光发电系统结构图

（1）风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；

（2）光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；

（3）逆变系统由几台逆变器