國外火力發電廠DCS和PLC控制系統一體化技術應用研究

張如意+陳向東

摘 要：隨著國家“走出去”戰略的實施和全球經濟一體化的不斷推進，我國火力發電項目EPC工程也取得了長足的發展。作為電廠控制系統的兩大流派，DCS和PLC一直是電廠控制的核心技術。這兩類控制系統的有效融合和一體化發展成為國外電廠控制系統的一個重要方向。基于國外某電廠的控制系統一體化實現進行研究，并將一體化成果應用于該電廠，以期取得良好的運行效果。

關鍵詞：火力發電廠；以太網；DCS；PLC

中圖分類號：TM76；TP273+.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.005

日前，我部參與了一個越南600 MW火力發電廠EPC項目，業主為越南電力公司EVN，招標文件技術部分十分詳細，對全廠的控制系統主要有以下要求：①全廠主輔機采用DCS控制，其中，雜項控制系統，比如廢水處理系統、輸煤系統、化水系統、氣力除灰系統、凝結水精處理系統、脫硝氨儲備系統、制氯系統、制氫系統、電除塵系統、除灰系統采用PLC或DCS控制；②無論采用何種控制模式，要全廠統一數據庫；③無論在何種控制模式下，都要求全廠統一對時；④全廠的監控操作在集控室的DCS操作員站進行。

1 控制系統介紹

火電廠的控制方案一般包括全廠DCS和DCS加PLC兩種。

全廠DCS方案是最近幾年新興的技術方案。該方案的應用有效減少了全廠的控制系統種類，統一了全廠的控制平臺，完全做到了全廠一個數據庫、全廠畫面統一、控制邏輯算法統一，并且業主運行維護也比較方便。全廠DCS采購的卡件較多，便于使DCS廠家降低價格，得到更好的DCS合同價。但是，這種方案在全廠調試階段會出現較多問題。比如，水系統、上煤系統、灰渣系統的控制都要在DCS中實現，各廠家提供完整的邏輯圖供DCS廠家組態。但是，當前國內的設備廠家提供這些資料比較困難，往往需要各設備廠家到現場指導才能解決問題。這種方案主要簡化了業主的后期維護，減少了業主的備品備件。

DCS加PLC方案是一種傳統的方案。這種方案的優點是PLC由各自的水煤灰設備廠家隨設備成套供應，由于各設備廠家對自己的控制系統負責，各個設備廠家的控制專業人員對自己的設備運行更加熟悉，不依賴調試所也可以實現控制系統的邏輯編制和現場調試。在后期，特別是發電前期可以更好地控制工期。對于工期敏感技術風險謹慎的海外EPC項目，這種成熟的方案顯得更為穩妥，為眾多海外EPC總承包商所采用。

通過對比分析，我們了解到業主想要尋求一種全廠統一的控制。如果選擇DCS加PLC方案，就需要DCS和PLC能實現無縫連接，所涉及的技術問題主要有DCS和PLC的通信規約要互相兼容，DCS和PLC的系統對時要統一，DCS和PLC的數據庫要統一。

2 方案設計

經過前期調研，我們決定采用Emerson OvationDCS系統和Rockwall AB ControlLogix PLC系統，以滿足以上技術要求，實現業主所要求的功能。目前，常用的基于以太網的DCS和PLC的通用通信協議主要有以下兩種：①OPC方案。這種接口協議開放，市面上的PLC和DCS基本都支持這個協議。當數據量較少時，該方案比較適用。但是這個項目雜項系統的數據量加起來預估超過5 000點，DCS廠家反饋這個數據量過大，容易引起OPC服務器崩潰，特別是OPC服務器系統啟動加載時，啟動時間會很長，甚至幾分鐘、十幾分鐘都無法啟動，這是業主很難接受的。②Modbus TCP 方案。Rockwall AB ControlLogix PLC系列不支持這個標準協議，需要加額外的第三方卡件來進行協議轉換。由于是冗余的接口，因此會增加成本和調試維護工作量。

使用以上兩種協議的原因是DCS側不兼容PLC通信協議，而不得不依托于第三方的通信協議。這就需要DCS側和PLC側都進行通信規約轉換，進而降低了通信效率，增加了成本和調試工作量。我們在進一步了解Ovation和AB Controllogix硬件、軟件的基礎上，提出了一種Ovation DCS和AB ControlLogix PLC完全融合方案。Ovation DCS 和AB ControlLogix PLC 都遵循以太網協議，我們考慮將二者融合到一起。通過查閱Emerson的標準手冊，發現Emerson DCS 集成了AB PLC的通信協議接口。無論是一個ENRT模塊通信，還是兩個ENRT模塊的冗余通信，可以直接將ENBT模塊連接到OVATION交換機的IP端口。冗余通信時跟上述描述一樣，也要考慮控制器的切換問題。為了避免PLC系統的接入對DCS系統產生沖擊，在Ovation專家的建議下，我們在PLC系統的交換機和DCS的交換機之間設置了一層DMZ路由器對兩個系統進行隔離，增強了系統的抗干擾能力。

3 技術實施

DCS側工程師站配置如下。

進入DROPn/configuration/controller/devices/device numbers，點擊右鍵添加Device2，類型為ALLEN BRADLEY； 進入DROPn/configuration/controller/controller networking，點擊右鍵添加，修改控制子網掩碼為：255.255.254.0。DCS子網掩碼設置如圖1所示。

Ovation3.1以上版本默認將TELNET的功能關閉，進入DROPn/configuration/controller/services，點擊右鍵插入新的service并Enable，以方便測試。圖2所示為使能DCS通信服務功能。

進入DROPn/IO DEVICES/IO Device 0 IOIC，點擊右鍵添加Allen-Bradley PLC，具體如圖3所示。

通信點所在的任務區應設置成并行方式。圖4所示為一模擬量點從PLC中得到的數據。圖中，“N7：25”中“N”表示PLC中的文件類型是16位的整數，“7”表示7號文件。我們可以這樣理解，PLC中組態了一個為N7的數組，從N7：0開始依次增加，Ovation的數據依次與其對應。通信時，如果對方乘以變比10，Ovation側可以直接在點的轉換系數中選擇線性，轉換系數為0.1.對于模擬量數據輸出給PLC可以選擇OUTPUT TO PLC。

從PLC中獲取開關量數據。需要注意的是，我們可以按這種方式 AB PLC5 1 IN N7：21/6讀取數據，但不能用這種方式 AB PLC5 1 OUT N7：21/6 將開關量的數據寫到PLC中。Ovation寫開關量到PLC時，可以將開關量打包成打包點，然后按16整數的形式發給PLC。

目前，AB PLC的主流組態工具為RSLogix 5000，需要將里面的點MAP設置成地址的形式，如圖5所示。

通信時，對方建立了兩個數組，7號用于發送數據給Ovation，10號用于從Ovation中獲取數據。圖6所示為7號數組DW_DATA數據結構，圖7所示為10號數組RD_DATA數據結構。

通過以上配置，由于Emerson Ovation DCS系統可以識別AB ControlLogix PLC的通信規約，雜項控制系統的PLC和DCS系統實現了無連接，兩個系統可以直接進行數據交換，所有數據都會儲存到DCS的歷史數據中，同時滿足了全廠統一數據庫的要求。

Ovation DCS 和AB ControlLogix PLC 都遵循以太網協議，我們考慮采用NTP 對時的方式對二者對時。由于業主要求全廠統一時鐘，因此，要利用DCS的NTP 服務器對PLC系統對時。ControlLogix的處理器從18.0.0版引入了CIP 同步的功能，全面支持PTP1588。PTP1588的典型應用領域是測量和控制系統、工業自動化、電力系統以及分布式運動控制系統。PTP1588可以提供亞微秒的時間精度，所需計算資源網絡資源更少。在ControlLogix系統中，時鐘同步所需的硬件的要求如表1所示。

3.2 使能CIP Sync功能

在本系統使用的硬件中，Controllogix處理器、1756-EN2T以太網模塊和1756-IB16ISOE模塊都有自己的時鐘，僅需使能模塊的CIP Sync功能就能得到統一的UTC時間。這種技術簡化了網絡結構。在過去的系統中，要使用專門的網絡才能建立時鐘同步網絡，而現在使用工業以太網就可以建立時鐘同步網絡。CIP Sync可以充分利用已有的以太網資源，就不需要對同步信號單獨布線了。

3.3 授時機制

在圖8所示的系統中，○GM代表Grandmaster Clock，它是系統最高級的時鐘；○S代表從時鐘，○M代表主時鐘。最高級時鐘（GrandMaster Clock）在一個域內，通過CIP協議進行時鐘同步，作為最終時間源。ControlLogix PLC系統具有最高級時鐘的仲裁功能，時鐘系統可以自愈，一個時鐘失效不會停止傳送或同步，系統通過最佳時鐘算法（Best Master Clock Algorithm）找到最佳主時鐘（Best Master）。

在圖8中，○GM通過CIP同步的方式在以太網絡上將3個EN2T的時鐘同步，EN2T通過背板分別將L61和SOE模塊的時鐘同步。○GM通過NTP的方式將安裝了RSLogix 5000 編程軟件的PLC 工程師站同步。這個方案使控制系統和個人計算機系統從同一個時鐘源獲取時間，保證了整個系統的時鐘同步。

3.4 支持CIP同步的硬件系統

ControlLogix控制器具有自身支持CIP同步的功能，可以作為精確時鐘PTP主站和從站。在控制器之間，不需要編制程序就能共享時鐘，只要在控制器配置頁面的選項框中打勾即可。EN2T支持CIP同步。STRATIX 8000本身支持PTP1588，可以設置邊界時鐘，也可以設置透明時鐘。1756-IB16ISOE固件為2.7版本，提供最新技術和最佳性價比的SOE方案、第一失效檢測系統，支持集成的CIP同步和高精度時間戳，來自以太網時間源的“實時”值。SOE方案的結構非常簡單，取消了原來的同步連接線，降低了成本。

4 結束語

通過上述技術分析和對比，我方采用的技術方案具有成本低、調試工作少、維護方便、自動化程度高的特點，可以滿足業主的所有技術要求，得到了業主的認可和批準，實際應用效果良好。

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〔編輯：劉曉芳〕