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）

0 引言

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。

1 MB80可編程控制器簡介

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

2 主機架典型布局及電源設置

2.1 主機架典型布局

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

2.2 電源設置

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

3 雙主機架布局及電源配置

3.1 雙主機架布局

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。

3.2 CAN總線環(huán)網(wǎng)

（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

3.3 電源配置

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

4 測試對比分析

4.1 布局結(jié)構(gòu)對比

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

4.2 基本測試對比

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。

4.3 電源故障模擬測試

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

4.4 冗余網(wǎng)線拔插情況下的CPU重啟測試

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

4.5 CAN總線環(huán)網(wǎng)測試

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

5 總結(jié)

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。