劉海濤,操俊磊,李彥龍
(1. 安徽績溪抽水蓄能有限公司,安徽省宣城市 245300;2. 南瑞集團公司/國網(wǎng)電力科學研究院,江蘇省南京市 211106)
計算機監(jiān)控系統(tǒng)是廠站最核心的設備之一,而以可編程控制器為基礎的計算機監(jiān)控系統(tǒng)在當前國內(nèi)常規(guī)水電廠和抽水蓄能電站應用最為廣泛。系統(tǒng)一般由調(diào)度控制層、廠站控制層和現(xiàn)地控制層[1]構(gòu)成,通過計算機網(wǎng)絡連接三個層級,并進行監(jiān)控數(shù)據(jù)交換。其中,現(xiàn)地層由帶有人機界面的現(xiàn)地控制單元構(gòu)成,而現(xiàn)地控制單元的核心設備就是可編程控制器,一般由一個主機架和多個擴展機架組成,CPU布置在主機架中。
本文對MB80可編程控制器典型的主機架布局[2]進行了詳細分析。
以某采用國產(chǎn)MB80可編程控制器的電站機組現(xiàn)地控制單元[3]為例,本體柜包含主機架和擴展機架1、擴展機架2、擴展機架3,中間層遠程I/O柜包含擴展機架1、擴展機架2、擴展機架3,水輪機層遠程I/O柜包擴展機架1、擴展機架2,主機架與擴展機架之間采用CAN總線方式進行通信,可編程控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 某機組可編程控制器結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure diagram of programmable logic controller of a unit
典型設計一般采用單主機架方案,主機架和帶有通信模塊的擴展機架1布置在一面盤柜內(nèi)(某現(xiàn)地控制單元LCU A4柜)。其中,本體柜主機架為MB80 CHS808E插箱[4],內(nèi)含10個模件槽位、2塊CPU模件和8塊事件順序記錄(SOE)模件[5],詳細布局如圖2所示。
圖2 主機架布局圖Figure 2 Structure of main frame
擴展機架1為MB80 CHS808E插箱,內(nèi)含10個模件槽位,包含2塊CPM模件和8塊SOE模件,CPM模件用于外部通信,具體布局詳見圖3。
圖3 擴展機架1布局圖Figure 3 Expansion rack 1 Layout
現(xiàn)地控制單元是計算機監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地層的核心設備,電源模塊采取冗余配置,配置兩臺交直流雙供電插箱FPW-2ANP,布置在同LCU的A1柜,從外部引入兩交兩直四路電源,分別接入兩臺FPW-2A-NP,現(xiàn)地控制單元電源接線圖如圖4所示。
圖4 現(xiàn)地控制單元主電源接線圖Figure 4 Main power supply wiring diagram of LCU
PLC所處的主機架電源取自現(xiàn)地控制單元主電源,即兩臺交直流雙供電插箱FPW-2A-NP,主機架電源供電回路如圖5所示,其中,圖5(c)為雙主機架布局的A4柜XPWE端子排接線圖,單主機架布局中無去往MB80雙供電插箱1的4根接線。
圖5 主機架電源供電回路圖Figure 5 Diagram of main frame power supply circuit
由于PLC的CPU模件的工作電源都是5V直流電源[6],所以主機架電源配置一套交直流雙供電插箱FPW-1A2,F(xiàn)PW-1A2電源插箱將DC 220V轉(zhuǎn)換成DC 5V電源供給MB80的PLC[7],接線圖如圖6所示。
圖6 主機架交直流雙供電插箱FPWA0接線圖Figure 6 Wiring diagram of main frame AC / DC dual power supply box FPWA0
雙主機架布局是在單主機架布局結(jié)構(gòu)基礎上衍生出來的,通過進行下列改動,實現(xiàn)布局架構(gòu)的改變:
(1)將原主機架中的CPU1、CPU2模塊分開布置,采用兩個MB80 CHS809F單CPU機架,每個機架安裝1塊CPU模塊。
(2)MB80 CHS809F插箱內(nèi)部有撥碼,1代表主,2代表備,將CPU1所在的插箱撥碼撥到1,將CPU2所在的插箱撥碼撥到2。
(3)在兩個主機架插箱間增加一根冗余網(wǎng)線連接,用于兩個CPU主從備份數(shù)據(jù)傳輸和對策CPU是否在線的判別。
(4)增加一路GPS時鐘到新增主機架插箱的對時信號。
(5)在PLC編程軟件MBPro中同步修改硬件配置。
(1)2個MB80 CHS809F插箱底板上各有一個CAN現(xiàn)場總線接口,可以通過簡單處理,將主機架和擴展機架串起來,在本體柜形成一個“CAN總線環(huán)網(wǎng)”,環(huán)網(wǎng)中的任意節(jié)點都可向剩余節(jié)點,實現(xiàn)無主次之分的發(fā)送信息,因此,其可以實現(xiàn)與多個節(jié)點之間的自由通信[8],提高通信的可靠性。
(2)將CAN現(xiàn)場總線的CAN1+、CAN1-并接入CAN光電轉(zhuǎn)換器C1-AF12,將CAN現(xiàn)場總線的SYNC+、GND并接入CAN對時光電轉(zhuǎn)換器,并將CAN現(xiàn)場總線的CAN2+、CAN2電纜芯短接,CAN現(xiàn)場總線接線圖如圖7所示。
圖7 雙主機架CAN總線接線圖Figure 7 Can-bus wiring diagram of double main frame structure
雙主機架的電源均取自現(xiàn)地控制單元主電源,與單主機架的電源轉(zhuǎn)接回路一致,且MB80 CHS809F主機架的電源保持不變,仍為一套交直流雙供電插箱FPW-1A2,而由于CPU1和CPU2分別處于兩個主機架中,兩個主機架各擁有主、輔5V工作電源,故原單主機架的“雙電源冗余”變成了“四電源冗余”。雙主機架電源配置見圖8。
圖8 雙主機架電源配置圖Figure 8 Configuration diagram of dual main frame power supply
單主機架布局采用的單個MB80CHS 808E為主機架插箱,CPU1和CPU2均布置在主機架插箱上;而雙主機架布局采用的兩個冗余插箱MB80CHS809F,CPU1和CPU2分別布置在兩個冗余插箱上。兩種插箱的基本數(shù)據(jù)對比見表1。
表1 雙機插箱與冗余插箱基本數(shù)據(jù)對比表Table 1 Comparison table of basic data between dual unit plug-in box and redundant plug-in box
續(xù)表
為了驗證兩種結(jié)構(gòu)下計算機監(jiān)控系統(tǒng)功能實現(xiàn)是否有區(qū)別,現(xiàn)場分別對兩種結(jié)構(gòu)進行了基本測試,測試結(jié)果對比見表2。
表2 雙機插箱與冗余插箱基本測試對比表Table 2 Comparison table of basic test between dual machine plug-in box and redundant plug-in box
上述兩種主機架典型布局結(jié)構(gòu)的PLC上電測試、CPU網(wǎng)絡故障模擬測試、CPU重啟及主從切換測試、信號采集周期測試、控制命令響應測試等基本測試均無正常,且無區(qū)別,故基于MB80E的兩種主機架典型布局結(jié)構(gòu)的功能和性能均正常,滿足雙機熱備系統(tǒng)運行要求。
由于PLC是計算機監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元的核心設備,其對外部供電的可靠性要求非常高,仍對這兩種主機架典型布局結(jié)構(gòu)進行電源故障模擬測試。測試過程中發(fā)現(xiàn),由于單主機架結(jié)構(gòu)的CPU1和CPU2布置在同一個機架插箱內(nèi),發(fā)生主、輔5V供電電源同時故障,進而導致雙CPU看門狗動作的概率要遠大于雙主機架結(jié)構(gòu)。電源故障模擬測試結(jié)果對比見表3。
表3 兩種主機架典型布局結(jié)構(gòu)電源故障模擬測對比表Table 3 Comparison table of power failure simulation test for two typical main frame layouts
為了保持主、從CPU之間實時數(shù)據(jù)的熱備份,需要建立兩個CPU之間的通信。其中,單主機架結(jié)構(gòu)是在主機架插箱底板上進行了固化設計,而雙主機架結(jié)構(gòu)則是在兩個主機架插箱間增加一根冗余網(wǎng)線。單主機架結(jié)構(gòu)是硬件固化的,故設備正常運行時,主、從CPU之間保持實時熱備份;雙主機架結(jié)構(gòu)采用的是一根冗余網(wǎng)線,所以針對雙主機架結(jié)構(gòu),模擬冗余網(wǎng)線故障情況下,進行了CPU自動主從切換、CPU手動主從切換和雙主備CPU同時重啟三種模擬測試,其中對主用CPU進行Reset復位重啟操作等同于CPU自動主從切換測試,測試結(jié)果見表4。
表4 雙主機架結(jié)構(gòu)的冗余網(wǎng)線拔插情況下的CPU重啟測試結(jié)果Table 4 Test results of CPU restart under the condition of dual mainframe redundant network cable plugging
現(xiàn)地控制單元的PLC由主機架和多個擴展機架組成,采用的是CAN總線通信方式。其中,單主機架結(jié)構(gòu)PLC的CAN總線通信鏈路是主機架→擴展機架1→擴展機架2→…→擴展機架N,鏈路中任意一個節(jié)點斷開,斷點之后的所有擴展機架均無法完成與主機架之間的通信;而雙主機架結(jié)構(gòu)的PLC由于采用的是兩個冗余插箱MB80CHS809F,雙主機架結(jié)構(gòu)PLC的CAN總線通信鏈路是主機架→擴展機架1→擴展機架2→…→擴展機架N→主機架,實現(xiàn)了CAN總線環(huán)網(wǎng)功能,鏈路中任一節(jié)點斷開了不影響CAN總線的通信,提高了通信鏈路的可靠性。為了驗證CAN總線環(huán)網(wǎng)的功能,進行了CAN總線環(huán)網(wǎng)斷開測試,測試方法及測試結(jié)果見表5。
表5 雙主機架結(jié)構(gòu)的CAN總線環(huán)網(wǎng)斷開測試結(jié)果Tab.5 Test results of CAN bus ring network disconnection with dual mainframe structure
本文從結(jié)構(gòu)布置、電源配置和現(xiàn)場測試等方面對兩種典型布局結(jié)構(gòu)進行了細致分析。其中,單主機架結(jié)構(gòu)更加簡單、緊湊,CPU主、從自動備份檢查和對策CPU在線判別相比雙主機架少了冗余網(wǎng)線這個可能的故障點;而雙主機架在失電故障和CAN總線通信表現(xiàn)出了更高的可靠性。總的來看,兩種主機架典型布局結(jié)構(gòu)的功能和性能均正常,滿足雙機熱備系統(tǒng)運行要求,且各具特點,單主機架結(jié)構(gòu)的PLC需要外部電源的可靠性和巡檢質(zhì)量上多下功夫,而雙主機架結(jié)構(gòu)的PLC則需要重點關注冗余網(wǎng)線的質(zhì)量。