火電機組輔控一體化集中監控網絡方案及配置

楊金芳，張玉柱，徐同社

(河北省電力勘測設計研究院，河北 石家莊 050031)

輔助車間集中控制網(簡稱輔控網，BOP)是利用先進的計算機、通信和網絡技術，將相互獨立的各個輔助外圍系統集中控制，實現外圍控制系統少人值班或無人值班，提高外圍設備控制水平，減少設備故障率，達到減員增效的目的。

目前在國內已經投入運行的大中型火力發電廠機組中，主機采用DCS控制系統，外圍設備根據輔控設備的功能，按水、灰、煤3個系統設立獨立的集中監控點。但隨著發電廠對減員增效的要求和運行人員整體素質的提高，特別是網絡技術的飛速發展，把水、灰、煤三個輔控點再進行集中，構成集中輔控網的時機已經成熟。良村電廠控制系統就是采用這種新型的綜合控制技術，實現了對外圍設備的集中控制。本文結合良村電廠輔控網組建實例，對輔控網的設計原則、網絡結構及硬件配置進行分析和討論，同時結合設計及施工經驗給出在工程設計及實施過程中注意事項。

1 輔助車間集中監控網絡總體規劃

1.1 輔助車間工藝系統概述

良村電廠輔助車間系統包括鍋爐補給水系統、綜合水泵房系統、工業廢水系統、供氫站系統、凝結水精處理系統、汽水取樣系統、化學加藥系統、中水深度處理系統、循環水加藥系統、制冷換熱站、空調系統、氣力輸灰系統、干灰分選系統、灰庫卸灰系統、全廠配氣中心、輸煤系統，共16個輔助車間子系統。

1.2 輔助車間控制方式及控制水平

本工程全廠輔助車間集中監控系統，將水網控制系統、煤網控制系統、灰網控制系統組成一個控制網絡，并在主廠房集中控制室內設置全能值班操作員站，實現全廠輔助車間的集中監控。其中，水網控制系統、煤網控制系統、灰網控制系統就地集中監控點主要用于基建期間的調試和設備檢修期間的維護，在輔助車間運行穩定后，由輔助車間全能值班員完成水、煤、灰系統的集中監控，就地集中監控點無人值班，實現全廠輔助車間集中監控。

根據工藝系統特點將鍋爐補給水系統、綜合水泵房系統、工業廢水系統、供氫站系統、凝結水精處理系統、汽水取樣系統、化學加藥系統、中水深度處理系統、循環水加藥系統全部納入水網監控，在鍋爐補給水車間設有水網臨時操作員站，由于水網各子系統分布比較分散，設有多個遠程IO和遠程IO站，相互之間采用光纖通訊。

煤網設在新建的輸煤綜合樓。按物理分散的原則，為節約控制電纜和安裝材料，控制系統還設置幾個遠程分站，遠程分站之間采用光纖通信。

在爐后綜合樓設有灰網臨時操作員站，包括氣力輸灰、干灰分選及空壓機系統，鑒于干灰分選系統灰網較遠，將其作為氣力輸灰系統遠程IO，兩者通過光纖進行通訊，實現對干灰分選系統的遠程監控。

制冷換熱站及空調系統相對獨立，故將其直接接入輔控網進行監控。

1.3 輔助車間集中監控網絡構建原則

1.3.1 集中監控網絡構建原則

(1)采用100M／1000 M和 TCP／IP協議的全雙工交換式工業以太網技術，保持 25%以下的網絡負荷，以解決網絡傳輸沖突，提高傳輸速率，保證以太網通信的確定性和實時性。

(2)應用數據包優先級配置，通過優先排序，保證緊急信息及時準確的傳輸和處理，保證網絡的可靠性和安全性。

(3)合理分割網段，采用冗余拓撲結構，合理選擇工業以太網網絡產品，保證網絡的穩定性。

(4)采用帶有過濾功能的交換機和防火墻，保證網絡及系統安全。

1.3.2 集中監控網絡拓撲結構

基于網絡可靠性、實時性和經濟性因素，選擇了冗余光纖星形拓撲結構來構建輔網監控平臺，其他特點為：

(1)適用于對系統通訊可靠性要求極高，交換速度較快的場合。

(2)實現了鏈路雙冗余，允許交換機、光纖、網線 (網卡)3種故障，直接通過背板交換，交換速度快；布線復雜，網絡設備、網絡光(電)纜、網卡均為雙份。

(3)光纖網，抗干擾性能好，故障切換時間小于500ms，切換時間取決于軟件，實時數據安全性好。

(4)提供就地設備的網絡接口，可用便攜式設備實現就地設備監控和組態聯調。

(5)可根據需要選用不同的網絡接口模塊，配置靈活，其可擴展性優于雙環網。

1.3.3 集中監控網絡硬件選擇原則

集中監控網絡硬件選擇高質量的控制網絡平臺必須有穩定可靠的網絡設備作為物理載體，基于對網絡交換機、網絡服務器和網絡傳輸媒介的特點，結合現場工作環境和產品應用業績及運行情況的分析，給出了網絡設備的選取原則。

(1)網絡交換機。骨干交換機和下層交換機應選擇具有100M或者1000M高速通信模塊，冗余電源模塊和基板，層間和層內通訊鏈路冗余的工業以太網交換機，其端口備用要達到大于30%，系統通訊負荷率要小于20%。

(2)網絡服務器選用具有電源冗余、雙機熱備、故障切換等功能，持續運行率達99.9%的工業級網絡服務器。

(3)網絡傳輸介質。采用5類雙絞線和光纖2種通訊介質，以保證網絡的可靠性和安全性。

1.3.4 集中監控網絡通訊速度配置原則

網絡傳輸速度是決定輔網性能的關鍵因素，100M和1000M都可以滿足輔助車間集中監控網絡平臺的要求。鑒于影響目前輔網系統的主要因素，為了提高網絡系統的傳輸性能和實時性，減少網絡擁堵，該工程設計推薦中、下級網絡數據量較小采用 100 Mbit/s工業以太網、骨干網傳輸數據量較大采用 1000 Mbit/s工業以太網及相應網絡設備。

1.4 集中監控網絡控制設備選配原則

為解決各輔助車間的控制系統的軟件和硬件不統一造成的不兼容問題，良村電廠統一各輔助車間的控制系統 、監控和組態軟件嚴格統一的原則。

2 輔助車間控制系統及網絡設備配置

依據上述原則，確定了良村工程輔助車間集中監控網絡系統結構方案。具體如下：

2.1 服務器配置和操作員站配置

為了提高控制系統可靠性，輔控網選用了具有高容錯功能的Stratus ftserver4500容錯服務器，采用完全硬件容錯方式，替代了傳統的雙機熱備方案。高性能容錯服務器通過以太網與各控制系統的PLC通訊，從PLC中采集實時數據，存儲于服務器中，承擔各系統的數據采集、存儲、處理等工作。

容錯服務器、兩臺操作站、1臺工程師站和兩臺網絡中心交換機布置在主廠房控制室和鍋爐電子設備間內；3臺操作站(1臺兼工程師站)、兩臺交換機布置于水網控制室(位于鍋爐補給水車間)；2臺操作站(1臺兼工程師站)、兩臺服務器布置于灰網控制室(位于除灰綜合樓)2臺操作站(1臺兼工程師站)布置于煤網控制室(位于輸煤控制樓)，另外，為方便調試工業廢水集中處理系統、化學加藥及汽水取樣系統等分別設有就地操作員站。服務器、監控操作站及工程師站通過冗余通道與中心交換機連接，輔控網絡中心交換機通過冗余光纖分別與各車間控制系統的交換機連接，構成網絡的主干，見圖1。

輔控網網絡拓撲圖見圖1。

圖1 輔控網網絡拓撲圖

網絡系統配置工業控制計算機及24寸工業級液晶顯示器作為操作員站，任意一臺操作員站可承擔工程師站功能，配置由單色激光打印機和彩色A4激光畫面打印機。服務器數據庫容量保證輔控網實時數據在線保存足夠時間以方便查詢，并可自動寫入光盤。每臺操作員站、工程師站、容錯服務器上均配置2塊1000M工業級網絡通訊適配卡。

2.2 交換機配置

良村電廠輔控網主干網網絡拓撲采用以太網全交換星型網狀拓撲，主干網采用冗余結構，保證網絡在發生不同故障點(線路、交換機等)的情況下仍然能夠正常工作；為了降低網絡的負荷，提高以太網的通信速度，主干網采用通信速率達1000M／s的工業交換機，可以盡量避免沖突的發生，提高系統的高可用性。

為實現上述要求，良村輔助車間集中監控系統中，采用兩臺西門子XR342-12M 高性能模塊化交換機，采用1000M光纖冗余星形網絡結構，冗余連接各個子區域交換機X414-3E。在網絡某處出現斷點或某節點交換機出現錯誤后能夠保障繼續通訊，同時在此過程中不會出現數據丟失或數據變化等問題，保證各站點信息在網絡上正確傳遞，滿足實時控制的需要。

2.3 PLC配置

輔助車間控制系統PLC硬件統一選用西門子系列產品，下面以水網系統為例說明PLC系統配置。鑒于鍋爐補給水系統、工業廢水系統及凝結水系統相對較為重要，本工程選用了具有高可靠性、容錯功能的西門子SIMATIC S7-400H產品，CPU選用414-4H，以太網模塊采用6GK74431EX200XE0，DI模塊采用 6ES73211BH020AA0，DO模塊采用6ES73221BH010AA0，AI模塊采用6ES73311KF010AB0，AO模塊采用6ES73325HF000AB0。

具體網絡結構及硬件配置見圖2。

圖2 網絡結構及硬件配置

2.4 軟件配置

PLC 編程和組態軟件采用西門子Step 7.0 V5.4；輔網側服務器版監控軟件為WINCC V7.0服務器版；輔網側操作員站監控軟件采用Wincc V7.0 客戶端；網絡管理軟件為 Hivision；數據庫軟件是IHistory數據庫(15000點)；監控站軟件為 Window XP。系統采取有效措施來防止備類計算機病毒的侵害和數據丟失，為保證網絡系統的運行安全，安裝防火墻軟件，并根據不同用戶設置相應的訪問權限和網絡管理措施。

3 注意事項

電廠輔控網絡系統在構建時往往會遇見一些問題，下面會結合上文所述及作者自身經驗對于構建網絡系統的幾個常見問題進行簡單探討：①在構建輔控網絡系統時，為了保證整個系統的可靠性，網絡在符合成本考量的前提下，應盡可能實現輔控網絡的雙網架構，同時保證網絡核心設備，如；交換機、服務器的冗余配置，從而杜絕網絡內出現單節點；②在滿足設備通訊流量的網絡配置后。還應考慮到網絡內數據瞬時峰值大流量的產生，從而導致系統擁塞；③為了減少網絡在通訊過程中的信號衰減，在網絡物理設備的設置上應盡量減少對于光端機、光電轉換器等二次轉換設備的使用；④ 輔網設計過程中盡量采用同一品牌的PLC，為網絡結構的搭建提供方便。

4 結語

通過實際運行的檢驗，良村輔控網能夠安全穩定地運行，說明網絡軟、硬件的配置是合理的，也進一步證明組建輔控網是實現各輔控系統統一協調控制的有效途徑。網絡技術的應用將給火電廠的生產過程帶來一場新的革命，生產效率空前提高，為各種新技術的應用提供了一個可靠的平臺，是發電技術走向現代化的重要基礎。

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