PLC雙網冗余通訊技術在化學水中的應用

苑咸光　張衛寶　白利紅

摘 要：電廠化學水處理系統作為電廠輔機程控系統的重要組成部分，是電廠輔機中控制最高、最前沿的工藝過程，為鍋爐提供高品質的除鹽水，其運行穩定關系整個鍋爐的安全性和生產的連續性，因此化學水系統安全穩定運行的重要性是不言而喻的。化學水系統的穩定運行除了現場設備的可靠外，還需要控制系統的穩定運行。通過對通訊技術的改進，將化學水控制系統在原有雙機熱備的基礎上改進成為雙機熱備和雙網冗余控制結構，確保系統的安全穩定長周期運行。

關鍵詞：Unity Pro；NOE通訊；雙網冗余；網絡互切

1 引言

豐潤熱電廠化學水控制系統采用遠控及就地控制相結合的控制方式，控制系統實現了PLC和CRT操作站形式的程序控制和監視控制模式。PLC控制系統是化學水程控的核心，其采用工控機為上位機，PLC控制系統為下位機的二級控制模式，因此PLC系統出現故障后，化學水車間均無法正常工作，為了保證化學水系統的穩定運行，需要設計冗余控制模式。豐潤熱電公司化學水系統于2009年正式投入運行，雖然設計了雙機熱備控制結構，但是沒有設計網絡的雙向冗余功能，當NOE通訊板卡出現故障后，遠方操作員站就無法正常控制和監視化學水系統，通過本次改造，將系統雙機熱備結構改造成為雙機雙網冗余結構，確保系統的安全穩定運行。

2 化學水系統組成

化學水處理系統采用Medicon Quantum Unity系列的PLC。其中采用Medicon Quantum CPU 6710模塊，電源模塊140-CPS-114-20，通訊模塊為：140-CPS-93X-00，140-NOE-771-01二模塊。控制器采用雙機熱備形式，通過遠程I/O的方式連接現場需要監視和控制的設備，主控制系統和遠程I/O控制站之間采用同軸電纜冗余通訊方式進行信息傳輸。硬件如圖1所示。根據設計模型，系統有以下特點：（1）就地控制站采用2臺配置完全相同的計算機依靠以太網通訊技術，通過監控軟件監視系統設備的運行狀態，并且配置為雙網冗余模式，提高系統的可靠性和靈活性。2臺就地控制站站對現場設備進行參數的采集、存儲，根據不同的要求，選擇操作模式，提高了設備的性能和減少運行人員的勞動強度。（2）通過PLC硬件實現CPU的雙機熱備。雙CPU通過冗余內存交換模塊達到熱備目的，冗余內存交換模塊提供了一個高性能的通訊網絡，用于連接基于VME-BUS基礎上的系統。當主控CPU出現故障時，備用的CPU就自動切換為主控制CPU控制整個系統的運行，保證系統的安全。自動切換的前提條件為主CPU本身出現故障，其他部件出現問題是不能正常互切。（3）就地控制站和遠方服務器與2臺CPU的連接只依靠主備CPU上單一NOE卡件，此環節為單網，沒有考慮冗余環節。當主CPU中的NOE板卡出現故障，導致網絡不通暢時，主、備CPU是不會切換的，造成整套系統失去監視和操作功能。因此設置NOE卡為單一網絡通訊是不可取的。（4）每個子站和主站的通訊是基于同軸電纜的雙網冗余通訊。當主通道出現故障后，備用通道自動切換成主通道，自動切換時不影響設備的正常運行，從而保證了設備的可靠性。

3 改造方案

通過對現場實際運行情況的觀察發現，當主CPU的NOE板卡出現故障，主CPU正常運行時，主CPU是無法判斷NOE板卡故障，實現自動切換到備用CPU，與輔控網的正常通訊。主CPU不能正常切換，NOE板卡出現故障就會導致整套系統失去監視和控制，給設備的安全運行帶來了隱患。為了解決這個安全隱患，在本技改中首先完成硬件的連接。即通過增加2個NOE卡件，以及2個交換機和NOE卡件之間的網線，實現每套CPU熱備機架上配置2塊以太網通訊模塊，以太網通訊模塊和上位機的網卡通過2臺網絡交換機進行數據交換，從而實現上位機和PLC通訊雙網冗余。改后的輔控網結構圖如圖2所示。完成硬件連接后，下一步是修改邏輯組態。通訊邏輯組態最初只有16段通訊組態，新增版塊后，將NOE板卡設置為16段和17段，并根據實際接線配置不同的板卡，配置圖如圖3所示。

采用上位機和PLC通信雙網冗余技術后，熱備系統可實現高可靠性。二個板卡均采用相同的軟件和硬件進行配置。在每個掃描周期之后，主控制器對備份控制器進行所有數據更新。主控制器和備用控制器經常互相通信，實現監控系統的功能。如果主控制器故障，控制器的狀態就會被切換。備用控制器變成主控制器，執行應用程序，控制遠程IO模塊。當1快NOE板卡出現故障后，上位機自動通過另外一塊NOE板卡采集數據，實現對系統的監視和控制。

4 雙機雙網冗余系統特點

以太網絡主要優點在于：傳輸數據的速度快，可以提供無限制的通信性能，采用冗余的網絡拓撲結構極大的提高了系統的可靠性、具有良好的兼容性，開放性以及靈活性。基于工業以太網通訊的雙機雙網冗余系統具有以下幾個特點：

（1）有CPS、CPU、CRP、NOE模塊組成熱備系統，增強了系統的安全可靠性。主站和備用站是二套完全相同的獨立系統，二者之間通過光纖連接，利用CPU模塊組成熱備系統，程序的下載只需一次完成，即可實現全部硬件冗余技術；無須任何編程工作，即可實現全部硬件冗余技術；支持以太網模塊IP地址能夠實現自動切換，切換時間快，大約為13～48ms。

（2）雙機熱備系統的特性。①每個掃描周期均傳送數據及狀態信息確保雙CPU工作狀態的完全一致；②二個控制器之間采用HSBY光纜連接，熱控控制器可放在2km以外；③主控制器執行應用程序，控制RIO，在每個掃描周期之后更新熱備控制器，如果主控制器故障，備用控制器在一個掃描周期內將起控制作用；④初次組態時，用戶快速、有效，只需下載一次，空白控制器自動傳輸，其他情況可以使命令寄存器系統為%SW60.5傳輸；⑤使用Unity Pro軟件編程，其中IO模塊支持熱更換，即運行時可換損壞的模塊。

（3）以太網模塊應用廣泛層采用國際標準的TCP/IP協議，提供全放開的工業以太網，方便與第三方廠家的以太網設備進行連接，無須增加任何硬件或軟件，兼容性強，支持TCP/IP遠方編程、下載/上傳、監視、參數修改等等功能。

（4）IP地址自動切換。主站以太網模塊的IP地址為設定的IP地址，備用站IP地址遵從N+1原則，熱備系統發生切換后，IP地址自動發生切換，保證了系統與上位機正常可靠的通訊。其中主控制器IP地址為172.16.2.41。備用控制器的IP地址為172.16.2.42。其中二個網絡分別為16段網絡和17段網絡。

5 結束語

通過本次改造徹底實現了上位機雙機冗余，PLC的CPU雙機熱備，上位機與PLC通訊雙網冗余，PLC控制站間通訊的雙網冗余，每一個環節全部采用冗余配置模式，降低了系統設備故障后，引起整套系統停運的幾率。PLC雙機雙網冗余熱備技術在化學水控制系統中的應用，提高了水處理控制系統的運行質量和安全性。該控制系統改造以后，工作性能穩定，運行正常，數據傳輸可靠，系統功能完整，為生產提供了保障，解決了通訊問題帶來的隱患，實踐證明此應用方案是成功的。

參考文獻

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