周翔捷，陳新楚，3，鄭松，2

(1.福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108;2.中海創(chuàng)研究院，福建 福州350008;3.福州福大自動化科技有限公司，福建 福州 350008)

1 引言

隨著電廠朝著大機組、高參數(shù)、大容量發(fā)展[1]，單元機組集控運行成為當今火電廠的主要運行控制方式，同時對機組的控制自動化要求也不斷提高，大型機組的控制系統(tǒng)普遍采用分散控制系統(tǒng)(DCS)。電站輔助控制系統(tǒng)也從過去的繼電器控制方式發(fā)展到相對集中的子系統(tǒng)控制方式，輔助系統(tǒng)的體系架構也隨之改變。近年來，也有許多學者提出利用網(wǎng)絡等相關技術對輔助系統(tǒng)進行集成，使得各個分散的子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能夠共享并集成到統(tǒng)一的控制室中，從而提高人員效率、故障處理反應速度等[2]，這種架構被稱為一體化的輔助系統(tǒng)架構。一體化架構的應用將有效地優(yōu)化輔網(wǎng)DCS控制系統(tǒng)。但是不管架構優(yōu)化的如何，電站輔助系統(tǒng)DCS因與現(xiàn)場設備相連，必須按照規(guī)程來進行操作，更不可能在現(xiàn)場的DCS控制系統(tǒng)上面進行各種試驗。因此，本文將以實際電站輔助系統(tǒng)DCS體系架構為藍本，設計并開發(fā)電站輔助系統(tǒng)DCS試驗臺，為輔助系統(tǒng)DCS控制模式提供一套科學、完備和可拓展的試驗室研究環(huán)境。

2 電站輔助系統(tǒng)DCS的一般體系架構

資料[3－5]，可以得出結論:電站輔助系統(tǒng)DCS的一般結構為監(jiān)控層、控制層、設備層，其中設備層即現(xiàn)場的儀器儀表等。監(jiān)控層與控制層之間的網(wǎng)絡通信根據(jù)地理位置、網(wǎng)絡通訊類型的差異而各有不同。

本文所涉及的輔助系統(tǒng)DCS的藍本為神華石獅鴻山熱電廠二期實際工程項目。石獅鴻山熱電廠二期工程為2×1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機組，本工程主要根據(jù)輔助系統(tǒng)的工藝、功能和地理位置特點，將全廠輔網(wǎng)系統(tǒng)劃分為水系統(tǒng)控制系統(tǒng)、除灰控制系統(tǒng)、凝結水精處理及取樣加藥控制系統(tǒng)、空壓機控制系統(tǒng)、采暖通風控制系統(tǒng)、制冷站控制系統(tǒng)、輸煤控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

2.1 網(wǎng)絡結構

整個輔控系統(tǒng)采用“集中監(jiān)測，分散控制”的方式，設置一個集控中心，部分就地監(jiān)控室，集控中心負責整個輔網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)控操作和對外系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換，各子系統(tǒng)就地監(jiān)控室負責本系統(tǒng)的監(jiān)控操作。本工程通訊網(wǎng)絡主要分為二層:監(jiān)控層網(wǎng)絡、控制層網(wǎng)絡。

2.1.1 監(jiān)控層網(wǎng)絡

監(jiān)控層網(wǎng)絡采用為雙網(wǎng)冗余結構，即圖1中的A網(wǎng)、B網(wǎng)，負責實時數(shù)據(jù)的傳輸和共享，以及系統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、性能計算數(shù)據(jù)的傳輸。由于集中控制室與各個子系統(tǒng)地理位置距離較遠，所以集中控制室至各個子系統(tǒng)以及子系統(tǒng)監(jiān)控層主干網(wǎng)絡采用100Mbps工業(yè)光纖以太網(wǎng)。

2.1.2 控制層網(wǎng)絡

控制層網(wǎng)絡連接的硬件設備包括工程師站、操作員站、歷史站、接口站(OPC服務器)。控制層網(wǎng)絡采用雙網(wǎng)結構，即為圖1的D網(wǎng)、E網(wǎng)，負責控制系統(tǒng)主站與遠程從站的實時數(shù)據(jù)傳輸。各控制子系統(tǒng)主站與從站間由于采用的PLC的品牌為歐姆龍，所以采用Controller Link 網(wǎng)絡[6]。

圖1 實際輔助系統(tǒng)DCS架構圖

2.2 硬件系統(tǒng)

整個輔網(wǎng)硬件體系包括上位機系統(tǒng)硬件和控制站系統(tǒng)硬件，主要的硬件包括操作員站、工程師站、歷史服務器、OPC服務器(接口站)、控制站以及外圍設備(交換機、打印機、光電轉換器)。控制站主要是以歐姆龍控制器為主，還有一些其他品牌的控制器。

2.3 軟件系統(tǒng)

目前，各自廠家的PLC均采用軟硬件綁定的方式，這種綁定方式增加了實際工程的復雜性及工程、培訓成本[7]。在一項稱為“工業(yè)自動化通用技術平臺”(簡稱IAP)研究課題中，已經(jīng)在10種不同的PLC或者工業(yè)PC中實現(xiàn)了統(tǒng)一標準的圖形化控制算法研究。所以本工程的全套控制軟件采用工業(yè)自動化通用技術平臺IAP系統(tǒng)軟件。其軟件構成如圖2所示，共分為數(shù)據(jù)引擎軟件IAPengi、系統(tǒng)結構設備庫組態(tài)軟件IAP-plant、控制策略組態(tài)軟件IAPlogic、人機界面組態(tài)軟件IAPview、數(shù)據(jù)中心管理軟件IAPdata、分布控制診斷軟件IAPdiag、動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件IAPsimu等7大軟件。

IAPengi主要裝載在控制站內，提供數(shù)據(jù)引擎服務，實現(xiàn)跨平臺技術。其他IAP軟件均裝載在PC機內。詳細分布圖可以參見表1。

圖2 IAP軟件構成圖

表1 實際輔助系統(tǒng)DCS軟件系統(tǒng)

3 試驗臺的體系架構

電站輔助系統(tǒng)DCS試驗臺的體系架構將充分根據(jù)電廠輔助系統(tǒng)DCS的一般體系結構來設計實現(xiàn)。其試驗臺的監(jiān)控層、控制層的網(wǎng)絡配置均與電站輔助系統(tǒng)DCS一致?？刂普静糠謱APsimu控制站，采用PC作為輔助系統(tǒng)DCS的控制站，在實驗室環(huán)境中構建與實際輔助系統(tǒng)DCS等效的控制系統(tǒng)。詳細的試驗臺體系架構圖參見圖3。

3.1 網(wǎng)絡架構

整個試驗臺采用與現(xiàn)場輔助系統(tǒng)DCS一致的架構體系，即監(jiān)控層與控制層，其中監(jiān)控層網(wǎng)絡也是采用雙層監(jiān)控的方式，即集中控制層的監(jiān)控與各子系統(tǒng)的監(jiān)控。通過權限等設置，可以使集中控制系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡查看各個子系統(tǒng)的現(xiàn)場情況，而子系統(tǒng)只能查看本系統(tǒng)的運行情況。

3.1.1 監(jiān)控層網(wǎng)絡

這道菜名聲顯赫、有氣勢，做起來卻并不復雜。先把鮮蝦仁、肉片、雞絲口蘑、冬筍片、火腿片、蔥白頭等作為主料，加入各種調料，然后下鍋熬成滾燙的湯汁兒；再把鍋巴下熱油鍋炸脆、炸至金黃色，裝入大盤中，最后將熬好的湯汁兒澆在炸好的鍋巴上，這就可以了。

監(jiān)控層網(wǎng)絡同樣采用雙網(wǎng)冗余結構，每個PC均設置好相互通訊的獨立IP地址。由于在實驗室環(huán)境中，因此不存在遠距離傳輸?shù)膯栴}。由此可得，集中監(jiān)控層與各個子系統(tǒng)的監(jiān)控層不需要采用光纖的通信方式，只需要采用以太網(wǎng)的模式即可。這只是傳輸介質改變，但是傳輸?shù)男盘枦]有改變，所以可把試驗臺監(jiān)控層網(wǎng)絡與輔助系統(tǒng)DCS視為等價。監(jiān)控層也具有實時數(shù)據(jù)的傳輸和共享，系統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、性能計算數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3.1.2 控制層網(wǎng)絡

控制層網(wǎng)絡同樣也采用雙網(wǎng)冗余結構，每個子系統(tǒng)均配備一個IAPsimu控制站，一個IAPsimu控制站可以設置100個控制器節(jié)點，即可以與100個PLC相對應，只需要改變節(jié)點即可改變控制站的切換?？紤]試驗臺控制層網(wǎng)絡的特點及IAPsimu的擴展特性，所以不需要配置主從站，且子系統(tǒng)的監(jiān)控層網(wǎng)絡與IAP-simu控制站的連接也只需要通過以太網(wǎng)的方式即可。IAPsimu控制站的拓展特性可以很好的簡化了輔助系統(tǒng)DCS試驗臺的控制層網(wǎng)絡結構。其實，在整個輔助系統(tǒng)DCS控制器不超過100個時，可以將四個IAP-simu控制站整合成一個IAPsimu控制站，但由于數(shù)據(jù)通訊量、計算量巨大，本試驗臺系統(tǒng)的PC機性能還未達到此要求。

3.2 硬件系統(tǒng)

相比整個試驗臺的硬件系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)DCS的硬件系統(tǒng)，除了采用PC作為虛擬控制站和沒有配置物理輸入輸出設備外，其他硬件配置與實際輔助系統(tǒng)DCS完全等效。試驗臺硬件系統(tǒng)包含操作員站、工程師站、歷史服務器、IAPsimu控制站以及外圍設備(交換機、網(wǎng)線等)。與輔助系統(tǒng)DCS相比，部分系統(tǒng)少了打印機與操作員站，但這些只會使這個系統(tǒng)無打印功能且缺少幾個操作員的位置，對整體的體系架構沒有影響。其中集中控制層配置一臺工程師站、兩臺操作員站和一臺歷史服務器站，各個子系統(tǒng)都將配置一臺操作員站和IAPsimu控制站。此外，一般電站輔助系統(tǒng)DCS的子系統(tǒng)不超過三個，所以圖3的試驗臺完全可以滿足實際需要。不過試驗臺還具有很強的拓展性。根據(jù)配置的網(wǎng)絡設備情況，最多可以拓展到六個子系統(tǒng)，這也為后期要裝載更為復雜的輔助系統(tǒng)DCS到試驗臺上做好準備。

試驗臺一共有12臺PC機，每臺PC機功能不盡相同，且每臺電腦均配置冗余雙網(wǎng)卡，需分配好IP才能使試驗臺有效工作。IAPlogic、IAPplant、IAPview、IAPsimu都需要準確的IP設置才可以完成通訊。

3.3 軟件系統(tǒng)

試驗臺的軟件系統(tǒng)也是采用IAP技術平臺軟件，利用其跨平臺特性，實現(xiàn)用PC模擬實際控制器。操作員站、工程師站和歷史站的軟件分布見表2。

表2 輔助系統(tǒng)DCS試驗臺軟件系統(tǒng)表

圖3 輔助系統(tǒng)DCS試驗臺架構圖

對比輔助系統(tǒng)DCS的軟件分布表可以看出，試驗臺的軟件分布與輔助系統(tǒng)DCS的軟件分布完全相同。

此外，IAPlogic、IAPplant、IAPview、IAPsimu 都需要準確的IP設置才可以完成通訊。所以設置IP地址對于試驗臺的成功通訊尤為重要。除了上述提到的試驗臺網(wǎng)絡架構、軟硬件系統(tǒng)的配置與試驗臺相同之外，還需要保證工程組態(tài)、計算機操作系統(tǒng)等都相同。

4 IAPsimu控制站與PLC的等價關系

對比電站輔助系統(tǒng)一般體系架構與電站輔助系統(tǒng)DCS試驗臺體系架構，可以得出二者最大的區(qū)別為輔助系統(tǒng)DCS采用PLC控制，而試驗臺系統(tǒng)采用PC作為控制站。所以二者能否等價的問題其實就是PC是否能等價PLC的問題。PC上運行的IAPsimu虛擬控制站軟件內含有數(shù)據(jù)引擎技術，通過這項技術可以實現(xiàn)PC與PLC之間的跨平臺，從而實現(xiàn)PC與PLC的等價[8，9]。

其控制引擎機理與面向PLC的數(shù)據(jù)控制引擎機理一樣，將組態(tài)所用到的各種功能塊圖形空間通過一定的映射機制，變?yōu)橛幸?guī)律的實時數(shù)據(jù)空間，數(shù)據(jù)可以有千變萬化的組合，每個組合可以代表一種特定的控制算法，同時由預裝在PC控制站中的數(shù)據(jù)引擎軟件負責將數(shù)據(jù)模型空間再變換為PC控制站執(zhí)行所需的指令空間。這種高度可移植的控制引擎技術同時能創(chuàng)建本地和分布式控制系統(tǒng)環(huán)境，即在同一種控制系統(tǒng)中，可以采用不同PLC做控制器，也可以采用PC做控制器。所以可以用裝載有IAPsimu的PC來等價PLC。用裝載有IAPsimu的PC等價PLC在許多工程中得到驗證。

實際的操作只需要將現(xiàn)場設備庫組態(tài)IAPplant軟件中控制器由實際控制器改為IAPsimu控制器即可實現(xiàn)。

5 結論

針對目前電站輔助系統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)中注重現(xiàn)場忽略實驗室環(huán)境這一現(xiàn)狀，本文提出一種基于試驗臺的方式來研究輔助系統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)。通過電站輔助系統(tǒng)DCS一般體系架構與電站輔助系統(tǒng)DCS試驗臺體系架構的比較，可以得出二者架構體系差別僅在于控制器。再借助工業(yè)自動化通用技術平臺IAP來解決PLC與PC的等效問題，從而可以論證二者體系架構的等效性。

通過試驗臺的研究，豐富了IAP跨平臺技術的應用。根據(jù)電站輔助系統(tǒng)DCS的一般體系架構設計出的試驗臺具有通用性，可以運行不同電站的輔助系統(tǒng)DCS，后期還將載入其他電廠輔助系統(tǒng)DCS來驗證其通用性問題。通過試驗室的環(huán)境來研究電站輔助系統(tǒng)DCS，可以在試驗臺上做一些試驗和開發(fā)工作，比如分

析輔助系統(tǒng)DCS運行中的問題和開發(fā)CCTV監(jiān)控系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)DCS中常用到的新元件。這些都將為輔助系統(tǒng)DCS控制模式提供一套科學、完備和可拓展的新的研究環(huán)境。通過電站輔助系統(tǒng)DCS試驗臺環(huán)境的研究，將會有利于電站輔助系統(tǒng)DCS的發(fā)展。

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