楊凱

(云南大唐國際紅河發(fā)電有限責(zé)任公司，云南 開遠(yuǎn) 661600)

0 前言

目前國內(nèi)運(yùn)營的火電廠多采用DCS 系統(tǒng)控制主體設(shè)備(鍋爐、汽機(jī)、發(fā)電機(jī))及其輔機(jī)，采用PLC 控制輔助子系統(tǒng)。在PLC 控制的輔助子系統(tǒng)里，各系統(tǒng)由不同的廠完成，各成體系，給檢修維護(hù)人員造成諸多不便;操作界面分別獨(dú)立，操作方式繁瑣，兼容性差，實(shí)現(xiàn)功能單一，自動(dòng)化程度低，PLC 邏輯及上位機(jī)監(jiān)控軟件都無跳閘首出邏輯，上位機(jī)的報(bào)警信號(hào)功能單一，無法進(jìn)行歷史趨勢查詢。針對上述存在的問題，提出了一種全新的控制操作模式，整合改造原先PLC 所轄所有子系統(tǒng)，就地保留PLC 模板，上位機(jī)采用日立控制器進(jìn)行通訊連接組態(tài)，提升工作效率。

1 系統(tǒng)整合優(yōu)化的方案設(shè)計(jì)

基于日立HIACS－5000M DCS 控制系統(tǒng)，由機(jī)組級FDDI 冗余光纖令牌環(huán)網(wǎng)和連接在網(wǎng)上的人機(jī)接口站POC、HIST、EWS 及DPU 五大部分組成。以昆騰系列通訊模件NOE 77101 為應(yīng)用層通訊報(bào)文傳輸接口，配置MODBUS TCP 實(shí)現(xiàn)PLC和DCS 之間的通訊連接。形成的控制網(wǎng)絡(luò)具有高性能、高可靠性、穩(wěn)定的實(shí)時(shí)響應(yīng)等特點(diǎn)。

控制器配置:考慮到13 個(gè)系統(tǒng)的通訊負(fù)荷率及CPU 的負(fù)荷率共設(shè)置4 對控制器，采用與主機(jī)DCS 一致的CPU (LPU100H)，控制器不帶I/O板，但含輔控網(wǎng)所有控制邏輯，以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)MODBUS TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)與原輔控網(wǎng)PLC 雙向通訊對電廠輔控設(shè)備的監(jiān)控;機(jī)柜采用日立標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜(2 000 mmX700 mmX700 mm)，共配置2面，每面機(jī)柜布置兩對CPU;電源采用目前日立正在使用的PS7000 電源。

人機(jī)接口配置:本系統(tǒng)配置3 臺(tái)操作員站POC7000，用于完成輔控設(shè)備的監(jiān)控操作;配置1 臺(tái)工程師站EWS7000，通過工程師站完成控制邏輯的組態(tài)、編譯下載與系統(tǒng)維護(hù);配置1 歷史數(shù)據(jù)站HDS7000，完成輔控網(wǎng)的歷史數(shù)據(jù)收集與回放。

通訊接口配置:鍋爐補(bǔ)給水、次氯酸、工業(yè)廢水、江邊、爐內(nèi)加藥、凝結(jié)水、生水石灰、含煤廢水、燃油泵房、次氯酸、除灰、輸煤及生活污水系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)MODBUS TCP/IP 協(xié)議直接通過控制器CPU 的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)雙向通訊與輔控設(shè)備的監(jiān)控;因電除塵設(shè)備只能通過OPC協(xié)議傳輸，故為了實(shí)現(xiàn)對電除塵設(shè)備的監(jiān)控，設(shè)置1 臺(tái)通訊接口站CIS7000，用以實(shí)現(xiàn)控制器與電除塵設(shè)備的雙向通訊與設(shè)備監(jiān)控，通訊接口站通訊時(shí)間約有1 秒的時(shí)延;必須滿足現(xiàn)場操作的需要。需要設(shè)置1 臺(tái)獨(dú)立的SIS 通訊站SIS7000 用于將輔控網(wǎng)畫面和數(shù)據(jù)庫等傳送到SIS 系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)整合優(yōu)化的通訊原理

2.1 基于TCP 的Modbus 通信

Modbus 是Modicon 公司為該公司生產(chǎn)的PLC設(shè)計(jì)的一種通信協(xié)議，MODBUS 傳輸協(xié)議定義了控制器可以識(shí)別和使用的信息結(jié)構(gòu)，而不須考慮通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是一種開放協(xié)議，廣泛應(yīng)用于電子控制器的一種通用語言，已成為通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從功能上講，MODBUS 包括24 種命令，每一功能都有相應(yīng)的功能碼，最基本的功能主要包括AI/AO、DI/DO 的數(shù)據(jù)傳送，其Modbus 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括輸入離散量、線圈、輸入寄存器、保存寄存器4 個(gè)基本單元，訪問示意圖如圖1所示。

圖1 Modbus 訪問示意圖

Quartum PLC 都支持MODBUS，MODBUS 是應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，主要應(yīng)用與以太網(wǎng)TCP/IP，有線介質(zhì)、無線、光纖上的異步傳輸，Modbus Plus，本次改造采用了以太網(wǎng)TCP/IP 的MODBUS 通信?；ヂ?lián)網(wǎng)編號(hào)分配管理機(jī)構(gòu)給Modbus 協(xié)議賦予了TCP 502 端口，支持Ethernet II 和802.32 種幀格式，在TCP/IP 以太網(wǎng)上傳輸，通過此協(xié)議，控制器相互之間通過網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))可以通信。其Modbus 通信棧結(jié)構(gòu)如圖2所示，使用TCP/IP 以太網(wǎng)的5 層結(jié)構(gòu):

物理層:提供設(shè)備的物理接口;

數(shù)據(jù)鏈路層:格式化源/目的硬件地址的數(shù)據(jù)幀;

網(wǎng)絡(luò)層:實(shí)現(xiàn)帶有32 位IP 地址的IP 報(bào)文包;

傳輸層:實(shí)現(xiàn)可靠性連接、傳輸、查錯(cuò)、重發(fā)、端口服務(wù)、傳輸調(diào)度;

應(yīng)用層:實(shí)現(xiàn)Modbus 協(xié)議報(bào)文。

圖2 Modbus 通信棧結(jié)構(gòu)

2.2 H5000M DCS 與Quantum PLC 的Modbus

本次輔控網(wǎng)DCS 改造后就地PLC 控制器內(nèi)已沒有控制邏輯，PLC 不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，邏輯控制，只作為一個(gè)數(shù)據(jù)接口站，負(fù)責(zé)就地?cái)?shù)據(jù)的采集及集控室DPU 控制器指令的轉(zhuǎn)達(dá)，所有邏輯控制功能都由集控室DPU 控制器完成，輔控網(wǎng)DCS與PLC 之間的通信是通過Modbus TCP 實(shí)現(xiàn)的。為了滿足DPU 的負(fù)荷率，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率，每個(gè)控制器分配了4 個(gè)外圍系統(tǒng)，以PLC1、PLC2、PLC3、PLC4 來區(qū)別，可根據(jù)需要增加控制系統(tǒng)，增加時(shí)只要在初始化邏輯頁增加相應(yīng)的初始化邏輯即可。

在此以PLC1 的燃油泵房系統(tǒng)為例進(jìn)行說明，Modbus 初始化邏輯如圖3 所示。

圖3 Modbus 初始化邏輯

正常情況，Modbus 是雙網(wǎng)并行運(yùn)行的，以PLC1 的DI 為例，Modbus1 通過192.168.4.* 運(yùn)行，數(shù)據(jù)區(qū)為MB2的1;Modbus2通過192.168.6.* 運(yùn)行，數(shù)據(jù)區(qū)為MB3 的2。DCS 數(shù)據(jù)選擇邏輯如圖4 所示，IN1、IN2 接受的數(shù)據(jù)為同一個(gè)數(shù)據(jù)源，狀態(tài)相同，OUT 輸出通過PLC1的狀態(tài)來選擇是IN1 還是IN2，數(shù)據(jù)區(qū)MB2、MB3 是實(shí)時(shí)更新的，通過邏輯判斷實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)故障或通信延時(shí)的無擾動(dòng)切換，解決了改造前網(wǎng)絡(luò)故障或通信延時(shí)不能切換的問題。

圖4 DCS 數(shù)據(jù)選擇邏輯

Modbus 的配置如圖5 所示，根據(jù)Modbus 的主從關(guān)系，DUP 設(shè)置為服務(wù)器，DI、AI 為只讀模式，只需要配置傳送起始地址和傳送長度，不需要配置讀寫模式。DO、AO 可選擇讀寫模式及傳送功能號(hào)。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

輔控網(wǎng)各系統(tǒng)采用了原系統(tǒng)的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，該結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，易于節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展，易于維護(hù)，采用10/100/1000Mbit 自適應(yīng)光電一體交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快，單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)影響整體，但中心交換機(jī)故障，會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，為了提高輔控網(wǎng)該控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃裕瑴p少故障點(diǎn)，采用了雙星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并行運(yùn)行。同時(shí)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了大集控，取消了就地控制操作站，根據(jù)140NOE77101 網(wǎng)絡(luò)模塊的特性，它具有10/100 Mbit 電口及100 Mbit 光口，改造前采用10/100 Mbit 電口再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，這就增加了光電轉(zhuǎn)換這一故障點(diǎn)，改造后直接使用100 Mbit 光口，直接通過光纖與集控室光電型交換機(jī)(主交換機(jī))連接，減少了電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)環(huán)節(jié)，從而保證輔控網(wǎng)DCS 系統(tǒng)穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

DCS 則采用了日立H5000M 控制系統(tǒng)的環(huán)形光網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的采集，該結(jié)構(gòu)信息交換實(shí)時(shí)性強(qiáng)，當(dāng)一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，該系統(tǒng)可以自適應(yīng)的實(shí)現(xiàn)雙向發(fā)送數(shù)據(jù)，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。各操作員站的組態(tài)維護(hù)通過DCS 交換機(jī)實(shí)現(xiàn)，是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電除塵系統(tǒng)也是通過DCS 交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與操作員站、歷史站的數(shù)據(jù)交換，使用了OPC 協(xié)議。

3 系統(tǒng)整合優(yōu)化后實(shí)際運(yùn)行

改造建成的PLC－DCS 系統(tǒng)，取消了原先的兩臺(tái)后臺(tái)相互冗余服務(wù)器，消除了由于服務(wù)器故障不能正常切換，導(dǎo)致整個(gè)輔控網(wǎng)失去監(jiān)視控制的問題。

改造建成的PLC－DCS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了分散系統(tǒng)的集中控制，取消了原先就地工作站下位機(jī)控制，由集控中心全局把控，提高了工作效率。在事故工況下，最小化事故造成的影響。

改造建成的PLC－DCS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了雙CPU雙網(wǎng)冗余控制對應(yīng)子系統(tǒng)，將水煤灰油氣等13 個(gè)子系統(tǒng)拆分至4 組8 個(gè)CPU 下進(jìn)行控制，風(fēng)險(xiǎn)分散，提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性。

改造建成的PLC－DCS 系統(tǒng)，保留了原有PLC電源模件、I/O 卡件、CPU、通訊模件、通訊電纜，最大限度的避免了資源浪費(fèi)，節(jié)省改造成本。

改造建成的PLC－DCS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)、輔控控制系統(tǒng)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)、輔機(jī)的大集控運(yùn)行。

該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的工作模式、運(yùn)行狀態(tài)、邏輯保護(hù)等主要技術(shù)特點(diǎn)，均滿足電廠需求。通過實(shí)際運(yùn)行，證明了所提出的PLC－DCS 系統(tǒng)整合優(yōu)化效果好，系統(tǒng)操作方式靈活、穩(wěn)定可靠、功能全面。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)在大唐國際紅河發(fā)電有限責(zé)任公司投入運(yùn)行，效果良好。

4 結(jié)束語

目前采用該種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模式進(jìn)行系統(tǒng)整合的技術(shù)，屬國內(nèi)首創(chuàng)。

現(xiàn)代火電廠輔控網(wǎng)絡(luò)利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，控制技術(shù)將原本分散獨(dú)立的外圍輔機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行集中監(jiān)視與操作。本廠輔控網(wǎng)絡(luò)改造后采用了PLC+以太網(wǎng)+DCS 的方式，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)、輔控控制系統(tǒng)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)、輔機(jī)的大集控運(yùn)行，其中PLC 為施耐德公司的Quartum 系列，以太網(wǎng)為雙網(wǎng)冗余配置，通信介質(zhì)采用光纖，DCS 采用北京日立控制系統(tǒng)公司的H5000M 系統(tǒng)，DPU 與操作員站、工程師站、歷史站之間通過環(huán)形光網(wǎng)連接，操作員站之間通過交換機(jī)連接。13 個(gè)輔控制子系統(tǒng)由4 套熱備DCS控制器完成控制任務(wù)，控制器與PLC 之間的數(shù)據(jù)交換通過Modbus TCP 協(xié)議完成，電除塵系統(tǒng)通過DCS 交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與各操作員站的連接，采用OPC 通信。

在自動(dòng)化程度飛速發(fā)展的新時(shí)代，不緊跟或者引領(lǐng)時(shí)代發(fā)展的步伐，終將難逃落后被淘汰的窘迫命運(yùn)。在自動(dòng)控制領(lǐng)域，分散系統(tǒng)集中控制是趨勢，逐步實(shí)現(xiàn)控制中心一人值守或無人值守是目標(biāo)，目前改進(jìn)后的系統(tǒng)正朝著該目標(biāo)不斷靠近，提高企業(yè)的核心競爭力。