火電機(jī)組輔助控制系統(tǒng)通信故障處理及優(yōu)化

孫 波，王 會，錢朝明，羅友元

（神華國華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧海 315612）

國華寧海電廠B廠2×1 000 MW超超臨界機(jī)組的鍋爐采用上海鍋爐廠有限公司應(yīng)用Alstom技術(shù)生產(chǎn)的直流鍋爐，輔助控制系統(tǒng)采用集中監(jiān)控方式，即在5號、6號機(jī)組主控室里的輔控操作員站上能完成對5號、6號機(jī)組的煤、灰、水系統(tǒng)的完全集中監(jiān)控；同時(shí)可在煤、灰、水系統(tǒng)分區(qū)控制點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)監(jiān)控。輔助控制系統(tǒng)包括水務(wù)管理、除渣、輸煤、凝結(jié)水精處理、電除塵、飛灰輸送、飛灰分選、海水凈化、脫硫廢水。輔助控制系統(tǒng)采用上/下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)和可編程控制器（PLC）相結(jié)合的方式，上位機(jī)采用Wonderware公司的Intouch組態(tài)軟件，下位機(jī)采用AB公司的第三代工業(yè)控制產(chǎn)品ControlLogix控制系統(tǒng)。

1 通信及網(wǎng)絡(luò)配置

輔助控制系統(tǒng)是由以太網(wǎng)（EtherNetIP）、控制網(wǎng)（ControlNet）和設(shè)備網(wǎng)（DeviceNet）組成的開放型網(wǎng)絡(luò)，具有NetLinx結(jié)構(gòu)，把網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、CIP（控制和信息協(xié)議）及開放式軟件接口結(jié)合在一起，如圖1所示。其中，以太網(wǎng)是以TCP/IP為傳輸協(xié)議的開放型網(wǎng)絡(luò)信息層；控制網(wǎng)是開放型的現(xiàn)代化控制網(wǎng)絡(luò)，可以提供可編程序控制器、輸入/輸出機(jī)架、個(gè)人計(jì)算機(jī)、第三方軟/硬件以及相關(guān)輸入/輸出設(shè)備間的實(shí)時(shí)通信；設(shè)備網(wǎng)是開放型的全球化工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信網(wǎng)絡(luò)，無需中間的輸入/輸出系統(tǒng)就可以將現(xiàn)場設(shè)備和可編程序控制器直接相連。

1.1 設(shè)備網(wǎng)

圖1 輔助控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DeviceNet是全球化的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，是面對設(shè)備級信息采集開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，基于生產(chǎn)者/用戶（Producer/consumer）方式，該網(wǎng)絡(luò)被設(shè)計(jì)成高級設(shè)備（如控制器）和智能I/O設(shè)備（如光電傳感器）直接連接并交換數(shù)據(jù)的界面，是一種多主（不止一個(gè)掃描器）多從（不止一個(gè)適配器）的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采用設(shè)備網(wǎng)，只需通過一根電纜就能夠?qū)LC直接連接到智能化設(shè)備，如傳感器、按鈕、電動機(jī)起動器、變頻器、簡單的操作員接口等，省卻了PLC與輸入/輸出網(wǎng)絡(luò)的通信、輸入/輸出網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場設(shè)備的硬連線。其特點(diǎn)如下：

（1）互用性好。多主的單一設(shè)備（符合DeviceNet標(biāo)準(zhǔn)）是可交換的，提供機(jī)動和選擇。

（2）公共網(wǎng)絡(luò)。開放的網(wǎng)絡(luò)提供了公共的解決方案，以滿足各種設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)需求。

（3）節(jié)省配線。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝比傳統(tǒng)I/O節(jié)省配線，并且一條線能同時(shí)支持通信和24 V電源。

1.2 控制網(wǎng)

ControlNet也是實(shí)現(xiàn)信息網(wǎng)和控制網(wǎng)的物理網(wǎng)絡(luò)，甚至可延伸到設(shè)備層，是一個(gè)開放式的網(wǎng)絡(luò)，采用生產(chǎn)者/客戶通信模式，控制網(wǎng)結(jié)合了輸入/輸出網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對點(diǎn)信息網(wǎng)絡(luò)的功能，既可以滿足對時(shí)間苛求的控制數(shù)據(jù)傳輸（如I/O刷新、控制器與控制器的互鎖）的需要，又可以滿足對時(shí)間非苛求的數(shù)據(jù)傳輸（如程序上傳、下載、信息傳送）的需要?？刂凭W(wǎng)適用于實(shí)時(shí)、高信息吞吐量的應(yīng)用場合，因其數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)5 M/Bps，所以可以支持高度分布式的自動化系統(tǒng)，特別是那些具有高速數(shù)字量I/O和大量模擬量I/O的系統(tǒng)。I/O機(jī)架和其它設(shè)備可以安放在離PLC數(shù)百米遠(yuǎn)的地方，或者，對于分布式控制系統(tǒng)來說，可以將PLC放置在I/O機(jī)架中，使PLC可以在監(jiān)視其駐留本地I/O的同時(shí)通過控制網(wǎng)與上一級管理控制器進(jìn)行通信。

控制網(wǎng)能夠處理同根電纜上的所有控制數(shù)據(jù)，即點(diǎn)對點(diǎn)信息傳送與信息互鎖。采用專利性的介質(zhì)存取方法，對時(shí)間苛求的數(shù)據(jù)傳輸總是擁有比對時(shí)間非苛求的數(shù)據(jù)傳輸更高的優(yōu)先權(quán)，因而I/O刷新和PLC之間的互鎖永遠(yuǎn)比程序上傳、下載和一般信息傳輸更為優(yōu)先，從而使控制網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸具有確定性和可重復(fù)性。

寧海電廠B廠控制網(wǎng)絡(luò)有兩種結(jié)構(gòu)，一種是雙總線型連接（除灰系統(tǒng)、電除塵等），另一種是環(huán)形連接（水務(wù)管理和渣管理等）。

1.3 以太網(wǎng)

EtherNet/IP是實(shí)現(xiàn)信息層和控制層的物理網(wǎng)絡(luò)，以TCP/IP為傳輸協(xié)議，是一個(gè)開放型的信息網(wǎng)絡(luò)。通過以太網(wǎng)PLC模塊，無需特殊硬件，可以直接和控制網(wǎng)連接，用戶可以在裝有以太網(wǎng)網(wǎng)卡的個(gè)人計(jì)算機(jī)上借助RSLinx軟件，通過使用RSLogix 5000系列編程軟件在線修改處理器的數(shù)據(jù)表文件和程序文件，并且可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信。

2 PLC通信故障及優(yōu)化

以下介紹幾起運(yùn)行中出現(xiàn)的PLC通信故障及采取的優(yōu)化措施，以供參考。

2.1 以太網(wǎng)癱瘓故障

2009年8 月，機(jī)組輔助控制系統(tǒng)在調(diào)試期間出現(xiàn)以太網(wǎng)全部癱瘓故障，導(dǎo)致上位機(jī)數(shù)據(jù)無法刷新，運(yùn)行人員無法操作就地設(shè)備，水務(wù)管理、渣系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)、電除塵等全部輔助控制系統(tǒng)畫面處于離線狀態(tài)。

利用RSLink軟件對輔助控制系統(tǒng)所有子系統(tǒng)進(jìn)行檢索，發(fā)現(xiàn)凈水站CPU無法連接，其它子系統(tǒng)的控制網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)正常運(yùn)行。就地凈水站CPU出現(xiàn)斷線報(bào)警，檢查發(fā)現(xiàn)PLC電池已經(jīng)沒電，由于PLC電源瞬間失電，PLC內(nèi)部程序丟失。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，輔助控制系統(tǒng)所有以太網(wǎng)與控制網(wǎng)均通過冗余的實(shí)時(shí)服務(wù)器進(jìn)行連接，連接采用DAServer軟件，軟件設(shè)置為：當(dāng)無法檢索到站點(diǎn)時(shí)，服務(wù)器必須頻繁連接所有站點(diǎn)。因此當(dāng)凈水站CPU內(nèi)部程序丟失后，服務(wù)器頻繁連接該站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，造成服務(wù)器內(nèi)存和CPU占用率過高，DAServer軟件進(jìn)入死循環(huán)，使所有輔助控制子系統(tǒng)的以太網(wǎng)與控制網(wǎng)絡(luò)的通信中斷，從而造成輔助控制系統(tǒng)以太網(wǎng)全部癱瘓。

故障發(fā)生后，采取了以下優(yōu)化措施：

（1）將以太網(wǎng)和控制網(wǎng)之間的通信分散配置：將主機(jī)集控室的輔助控制網(wǎng)絡(luò)操作員站和工程師站配置在實(shí)時(shí)服務(wù)器上，脫硫集控室的操作員站和工程師站配置在下層操作員站上，從而減輕實(shí)時(shí)服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸壓力，降低控制風(fēng)險(xiǎn)。

（2）所有以太網(wǎng)和控制網(wǎng)之間的連接配置均不設(shè)置重復(fù)讀取和重復(fù)連接選項(xiàng)，這樣即使控制網(wǎng)段內(nèi)某個(gè)系統(tǒng)的CPU或網(wǎng)段故障，也不會無限制地讀取服務(wù)器，從而減輕單個(gè)系統(tǒng)對整個(gè)輔助控制系統(tǒng)的影響。

2.2 通信故障

2010年5 月，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)水網(wǎng)畫面出現(xiàn)黃色報(bào)警，對現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況無法監(jiān)視，也無法操作。檢查網(wǎng)絡(luò)通信狀況，發(fā)現(xiàn)水網(wǎng)中DAServer到PLC之間的通信故障報(bào)警。

就地檢查水網(wǎng)PLC運(yùn)行狀態(tài)發(fā)現(xiàn)有CPU報(bào)警，ControlNet通信故障。ControlNet是智能網(wǎng)絡(luò)，不但接收網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件的組態(tài)信息，更重要的是它能自動管理網(wǎng)絡(luò)。ControlNet網(wǎng)絡(luò)分為Single Keeper（單一管理者）和 Multi-Keeper（多個(gè)管理者）兩種類型，寧海電廠B廠是Multi-Keeper網(wǎng)絡(luò)管理者類型，這種網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)可以充當(dāng)管理者的設(shè)備，而且總是由網(wǎng)絡(luò)中的最低站號擔(dān)任Active Keeper（網(wǎng)絡(luò)管理者），一旦最低站號的設(shè)備關(guān)閉或脫網(wǎng)，次低站號的設(shè)備將自動接替Active Keeper，如果最低站號重新回到網(wǎng)上，則Active Keeper將轉(zhuǎn)回最低站號。但在此過程中必須保持Keeper簽名與該站點(diǎn)先前的網(wǎng)絡(luò)簽名相匹配，否則將以殘缺的Keeper身份加入網(wǎng)絡(luò)，從而無法進(jìn)行通信。

水網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是由工業(yè)水、含煤廢水及復(fù)用水、雨水泵房、循環(huán)水加藥及循環(huán)水補(bǔ)水泵房5個(gè)遠(yuǎn)程I/O站組成的環(huán)形控制網(wǎng)絡(luò)。調(diào)試過程中雨水泵房遠(yuǎn)程站一直沒有投入使用，機(jī)組正常運(yùn)行后，將雨水泵房遠(yuǎn)程站送電投入運(yùn)行，但雨水泵房無法正常通信，并同時(shí)影響其它遠(yuǎn)程站運(yùn)行。通過對控制網(wǎng)絡(luò)通信和配置的檢查，發(fā)現(xiàn)雨水泵房為5個(gè)遠(yuǎn)程站中的1號站，工業(yè)水遠(yuǎn)程站為2號站，在雨水泵房投入使用之前，工業(yè)水遠(yuǎn)程站作為Active Keeper。當(dāng)雨水泵房遠(yuǎn)程站上電并投入運(yùn)行時(shí)，雨水泵房遠(yuǎn)程站即成為Active Keeper，此時(shí)Keeper簽名與先前網(wǎng)絡(luò)配置中的簽名無法匹配，從而導(dǎo)致通信無法正常連接。

針對雨水泵房遠(yuǎn)程站頻繁啟停情況，將工業(yè)水遠(yuǎn)程站設(shè)為1號站，雨水泵房遠(yuǎn)程站設(shè)為最后一站，解決了Active Keeper頻繁更換、Keeper標(biāo)簽無法匹配，控制網(wǎng)絡(luò)無法連接的問題。

2.3 以太網(wǎng)與控制網(wǎng)連接故障

寧海電廠B廠超超臨界機(jī)組以太網(wǎng)（上位機(jī)Intouch軟件）和控制網(wǎng)（下位機(jī)RSLogix5000軟件）時(shí)常出現(xiàn)無法連接情況，致使運(yùn)行人員對就地設(shè)備無法操作也無法監(jiān)視。

上/下位機(jī)通過 OPC（OLE for process control）通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連接。OPC是基于Windows應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制建立聯(lián)系的橋梁，具有廣泛性和通用性。Intouch與PLC的通信如圖2所示，Intouch客戶端通過OPC的I/O驅(qū)動器OPCLink連接OPC服務(wù)器，但它并不直接訪問OPC服務(wù)器，而是通過對OPC服務(wù)器對象的訪問來實(shí)現(xiàn)與OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。OPC服務(wù)器對象雖是OPC服務(wù)器的一部分，但卻擁有服務(wù)器幾乎所有的信息，同時(shí)還包容組對象（組對象擁有本組的所有信息），也包含了OPC的項(xiàng)目對象。OPC的項(xiàng)目對象是服務(wù)器端定義的對象，對應(yīng)現(xiàn)場PLC的1個(gè)寄存器單元，OPC的客戶端Intouch對PLC寄存器的訪問都是通過OPC項(xiàng)目對象來完成的。但OPC項(xiàng)目對象并不提供外部接口，Intouch不能對OPC項(xiàng)目對象直接操作，而是通過OPC組對象進(jìn)行操作。OPCLink為Intouch連接OPC Server提供了接口，是Intouch與OPC Server通信的橋梁，主要作用是通過協(xié)議轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器和Intouch之間的數(shù)據(jù)傳輸。從功能上講，OPC Server是從控制網(wǎng)上取得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成OPC格式，并用標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口方式提供給用戶。

圖2 OPC的通信原理

由于PLC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，涵蓋了所有的輔助控制系統(tǒng)，甚至還與局域網(wǎng)PI系統(tǒng)相連，因此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量較大。OPC的分層結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸過程直接決定了OPC在大型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)木窒扌浴＝?jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)OPC讀取信息的速度和穩(wěn)定性達(dá)不到要求，經(jīng)常出現(xiàn)通信中斷的情況。

通信是生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵部分，Wonderware公司的DAServer使通信與連接達(dá)到了更高的水平。DAServer是Wonderware的下一代I/O服務(wù)器，建立在ArchestrATM技術(shù)的基礎(chǔ)上，能夠提供更強(qiáng)的通信診斷功能與更高的性能。每個(gè)DAServer均提供多種標(biāo)準(zhǔn)功能，包括：與OPC兼容、獨(dú)立操作模式、支持熱配置、設(shè)備添加以及設(shè)備專用與服務(wù)器專用參數(shù)修改等。DAServer支持多種協(xié)議與產(chǎn)品建立連接，Wonderware當(dāng)前的DAServer還提供對以下協(xié)議的支持：Allen-Bradley用于ControlLogix的CIP協(xié)議；Allen-Bradley的TCP協(xié)議；Allen-Bradley的DHPlus協(xié)議；Siemens的SimaticNetS7。

鑒于DAServer強(qiáng)大的功能，電廠嘗試?yán)肳onderware公司的SMC軟件管理上位機(jī)（以太網(wǎng)）與下位機(jī)（控制網(wǎng)）之間的通信，SMC（ArchestrA System Management Console）是 Wonderware公司開發(fā)的上位機(jī)Intouch軟件與DAServer驅(qū)動程序的接口管理界面，它是作為Microsoft“管理控制臺”的管理單元安裝的，所有的客戶端可以通過OPC，DEE/suitelink或自身接口等連接到DAServer驅(qū)動上，該驅(qū)動再與控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，從而完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信。由于DAServer驅(qū)動與OPC兼容且具有超強(qiáng)的接口適應(yīng)能力，保證了以太網(wǎng)與控制網(wǎng)之間的通信質(zhì)量。

3 結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)通信故障是輔助控制系統(tǒng)最難解決的問題。本文分析了大型火電機(jī)組集中輔助控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并對以太網(wǎng)、控制網(wǎng)及設(shè)備網(wǎng)出現(xiàn)的典型通信故障做了比較系統(tǒng)的分析，為新建大型火電機(jī)組輔助控制系統(tǒng)集中化配置提供了參考。寧海B廠輔助控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多次的優(yōu)化配置，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]鄧?yán)?ControlLogix系統(tǒng)實(shí)用手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2008.

[2]苗淑奎，韓仿仿，賈志勇，等.基于 OPC的 Intouch與AB-PLC的通信[J].能源技術(shù)與管理.2008，4:115-116.