輔控網DCS－PLC 一體化控制系統(tǒng)應用

楊凱

(云南大唐國際紅河發(fā)電有限責任公司，云南 開遠 661600)

0 前言

目前國內運營的火電廠多采用DCS 系統(tǒng)控制主體設備(鍋爐、汽機、發(fā)電機)及其輔機，采用PLC 控制輔助子系統(tǒng)。在PLC 控制的輔助子系統(tǒng)里，各系統(tǒng)由不同的廠完成，各成體系，給檢修維護人員造成諸多不便;操作界面分別獨立，操作方式繁瑣，兼容性差，實現功能單一，自動化程度低，PLC 邏輯及上位機監(jiān)控軟件都無跳閘首出邏輯，上位機的報警信號功能單一，無法進行歷史趨勢查詢。針對上述存在的問題，提出了一種全新的控制操作模式，整合改造原先PLC 所轄所有子系統(tǒng)，就地保留PLC 模板，上位機采用日立控制器進行通訊連接組態(tài)，提升工作效率。

1 系統(tǒng)整合優(yōu)化的方案設計

基于日立HIACS－5000M DCS 控制系統(tǒng)，由機組級FDDI 冗余光纖令牌環(huán)網和連接在網上的人機接口站POC、HIST、EWS 及DPU 五大部分組成。以昆騰系列通訊模件NOE 77101 為應用層通訊報文傳輸接口，配置MODBUS TCP 實現PLC和DCS 之間的通訊連接。形成的控制網絡具有高性能、高可靠性、穩(wěn)定的實時響應等特點。

控制器配置:考慮到13 個系統(tǒng)的通訊負荷率及CPU 的負荷率共設置4 對控制器，采用與主機DCS 一致的CPU (LPU100H)，控制器不帶I/O板，但含輔控網所有控制邏輯，以標準以太網MODBUS TCP/IP 協(xié)議實現與原輔控網PLC 雙向通訊對電廠輔控設備的監(jiān)控;機柜采用日立標準機柜(2 000 mmX700 mmX700 mm)，共配置2面，每面機柜布置兩對CPU;電源采用目前日立正在使用的PS7000 電源。

人機接口配置:本系統(tǒng)配置3 臺操作員站POC7000，用于完成輔控設備的監(jiān)控操作;配置1 臺工程師站EWS7000，通過工程師站完成控制邏輯的組態(tài)、編譯下載與系統(tǒng)維護;配置1 歷史數據站HDS7000，完成輔控網的歷史數據收集與回放。

通訊接口配置:鍋爐補給水、次氯酸、工業(yè)廢水、江邊、爐內加藥、凝結水、生水石灰、含煤廢水、燃油泵房、次氯酸、除灰、輸煤及生活污水系統(tǒng)采用標準以太網MODBUS TCP/IP 協(xié)議直接通過控制器CPU 的以太網接口實現雙向通訊與輔控設備的監(jiān)控;因電除塵設備只能通過OPC協(xié)議傳輸，故為了實現對電除塵設備的監(jiān)控，設置1 臺通訊接口站CIS7000，用以實現控制器與電除塵設備的雙向通訊與設備監(jiān)控，通訊接口站通訊時間約有1 秒的時延;必須滿足現場操作的需要。需要設置1 臺獨立的SIS 通訊站SIS7000 用于將輔控網畫面和數據庫等傳送到SIS 系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)整合優(yōu)化的通訊原理

2.1 基于TCP 的Modbus 通信

Modbus 是Modicon 公司為該公司生產的PLC設計的一種通信協(xié)議，MODBUS 傳輸協(xié)議定義了控制器可以識別和使用的信息結構，而不須考慮通信網絡的拓撲結構，是一種開放協(xié)議，廣泛應用于電子控制器的一種通用語言，已成為通用工業(yè)標準，從功能上講，MODBUS 包括24 種命令，每一功能都有相應的功能碼，最基本的功能主要包括AI/AO、DI/DO 的數據傳送，其Modbus 數據結構主要包括輸入離散量、線圈、輸入寄存器、保存寄存器4 個基本單元，訪問示意圖如圖1所示。

圖1 Modbus 訪問示意圖

Quartum PLC 都支持MODBUS，MODBUS 是應用層報文傳輸協(xié)議，主要應用與以太網TCP/IP，有線介質、無線、光纖上的異步傳輸，Modbus Plus，本次改造采用了以太網TCP/IP 的MODBUS 通信。互聯(lián)網編號分配管理機構給Modbus 協(xié)議賦予了TCP 502 端口，支持Ethernet II 和802.32 種幀格式，在TCP/IP 以太網上傳輸，通過此協(xié)議，控制器相互之間通過網絡(例如以太網)可以通信。其Modbus 通信棧結構如圖2所示，使用TCP/IP 以太網的5 層結構:

物理層:提供設備的物理接口;

數據鏈路層:格式化源/目的硬件地址的數據幀;

網絡層:實現帶有32 位IP 地址的IP 報文包;

傳輸層:實現可靠性連接、傳輸、查錯、重發(fā)、端口服務、傳輸調度;

應用層:實現Modbus 協(xié)議報文。

圖2 Modbus 通信棧結構

2.2 H5000M DCS 與Quantum PLC 的Modbus

本次輔控網DCS 改造后就地PLC 控制器內已沒有控制邏輯，PLC 不進行數據處理，邏輯控制，只作為一個數據接口站，負責就地數據的采集及集控室DPU 控制器指令的轉達，所有邏輯控制功能都由集控室DPU 控制器完成，輔控網DCS與PLC 之間的通信是通過Modbus TCP 實現的。為了滿足DPU 的負荷率，網絡負荷率，每個控制器分配了4 個外圍系統(tǒng)，以PLC1、PLC2、PLC3、PLC4 來區(qū)別，可根據需要增加控制系統(tǒng)，增加時只要在初始化邏輯頁增加相應的初始化邏輯即可。

在此以PLC1 的燃油泵房系統(tǒng)為例進行說明，Modbus 初始化邏輯如圖3 所示。

圖3 Modbus 初始化邏輯

正常情況，Modbus 是雙網并行運行的，以PLC1 的DI 為例，Modbus1 通過192.168.4.* 運行，數據區(qū)為MB2的1;Modbus2通過192.168.6.* 運行，數據區(qū)為MB3 的2。DCS 數據選擇邏輯如圖4 所示，IN1、IN2 接受的數據為同一個數據源，狀態(tài)相同，OUT 輸出通過PLC1的狀態(tài)來選擇是IN1 還是IN2，數據區(qū)MB2、MB3 是實時更新的，通過邏輯判斷實現了網絡故障或通信延時的無擾動切換，解決了改造前網絡故障或通信延時不能切換的問題。

圖4 DCS 數據選擇邏輯

Modbus 的配置如圖5 所示，根據Modbus 的主從關系，DUP 設置為服務器，DI、AI 為只讀模式，只需要配置傳送起始地址和傳送長度，不需要配置讀寫模式。DO、AO 可選擇讀寫模式及傳送功能號。

2.3 通信網絡拓撲結構

輔控網各系統(tǒng)采用了原系統(tǒng)的星型網絡拓撲結構連接，該結構容易實現，易于節(jié)點擴展，易于維護，采用10/100/1000Mbit 自適應光電一體交換機，網絡傳輸速度快，單個節(jié)點故障不會影響整體，但中心交換機故障，會使整個網絡癱瘓，為了提高輔控網該控制系統(tǒng)網絡傳輸的可靠性，減少故障點，采用了雙星型網絡結構并行運行。同時，現已實現了大集控，取消了就地控制操作站，根據140NOE77101 網絡模塊的特性，它具有10/100 Mbit 電口及100 Mbit 光口，改造前采用10/100 Mbit 電口再經光電轉換器轉換為光信號，這就增加了光電轉換這一故障點，改造后直接使用100 Mbit 光口，直接通過光纖與集控室光電型交換機(主交換機)連接，減少了電信號轉換為光信號環(huán)節(jié)，從而保證輔控網DCS 系統(tǒng)穩(wěn)定及經濟運行。

DCS 則采用了日立H5000M 控制系統(tǒng)的環(huán)形光網實現控制數據的采集，該結構信息交換實時性強，當一節(jié)點發(fā)生故障時，該系統(tǒng)可以自適應的實現雙向發(fā)送數據，提高了網絡通信的可靠性。各操作員站的組態(tài)維護通過DCS 交換機實現，是星型拓撲結構，電除塵系統(tǒng)也是通過DCS 交換機實現與操作員站、歷史站的數據交換，使用了OPC 協(xié)議。

3 系統(tǒng)整合優(yōu)化后實際運行

改造建成的PLC－DCS 系統(tǒng)，取消了原先的兩臺后臺相互冗余服務器，消除了由于服務器故障不能正常切換，導致整個輔控網失去監(jiān)視控制的問題。

改造建成的PLC－DCS 系統(tǒng)，實現了分散系統(tǒng)的集中控制，取消了原先就地工作站下位機控制，由集控中心全局把控，提高了工作效率。在事故工況下，最小化事故造成的影響。

改造建成的PLC－DCS 系統(tǒng)，實現了雙CPU雙網冗余控制對應子系統(tǒng)，將水煤灰油氣等13 個子系統(tǒng)拆分至4 組8 個CPU 下進行控制，風險分散，提高了設備運行的安全性及穩(wěn)定性。

改造建成的PLC－DCS 系統(tǒng)，保留了原有PLC電源模件、I/O 卡件、CPU、通訊模件、通訊電纜，最大限度的避免了資源浪費，節(jié)省改造成本。

改造建成的PLC－DCS 系統(tǒng)，實現了主機、輔控控制系統(tǒng)統(tǒng)一，實現了主機、輔機的大集控運行。

該系統(tǒng)在實際運行中的工作模式、運行狀態(tài)、邏輯保護等主要技術特點，均滿足電廠需求。通過實際運行，證明了所提出的PLC－DCS 系統(tǒng)整合優(yōu)化效果好，系統(tǒng)操作方式靈活、穩(wěn)定可靠、功能全面。

目前該系統(tǒng)已經在大唐國際紅河發(fā)電有限責任公司投入運行，效果良好。

4 結束語

目前采用該種網絡構建模式進行系統(tǒng)整合的技術，屬國內首創(chuàng)。

現代火電廠輔控網絡利用先進的計算機技術，通信網絡技術，控制技術將原本分散獨立的外圍輔機系統(tǒng)聯(lián)網，進行集中監(jiān)視與操作。本廠輔控網絡改造后采用了PLC+以太網+DCS 的方式，實現了主機、輔控控制系統(tǒng)統(tǒng)一，實現了主機、輔機的大集控運行，其中PLC 為施耐德公司的Quartum 系列，以太網為雙網冗余配置，通信介質采用光纖，DCS 采用北京日立控制系統(tǒng)公司的H5000M 系統(tǒng)，DPU 與操作員站、工程師站、歷史站之間通過環(huán)形光網連接，操作員站之間通過交換機連接。13 個輔控制子系統(tǒng)由4 套熱備DCS控制器完成控制任務，控制器與PLC 之間的數據交換通過Modbus TCP 協(xié)議完成，電除塵系統(tǒng)通過DCS 交換機實現與各操作員站的連接，采用OPC 通信。

在自動化程度飛速發(fā)展的新時代，不緊跟或者引領時代發(fā)展的步伐，終將難逃落后被淘汰的窘迫命運。在自動控制領域，分散系統(tǒng)集中控制是趨勢，逐步實現控制中心一人值守或無人值守是目標，目前改進后的系統(tǒng)正朝著該目標不斷靠近，提高企業(yè)的核心競爭力。