基于PLC的機組DCS監(jiān)控開關站方案研究

王學奎　劉金永

摘要：研究了核電廠機組DCS遠距離通過PLC監(jiān)控開關站內電氣設備的問題，對在建和已建其他核電機組中開關站電氣系統(tǒng)納入機組DCS的方式進行簡要討論。指出了現有模式下，核電廠內開關站與機組DCS通信存在的一些問題，給出開關站采用PLC與DCS通信控制的設計方案。通過開關站設置PLC并作為單獨的控制子站，監(jiān)控站內設備狀態(tài)，并經過光纖傳輸至DCS，能可靠實現機組DCS通過PLC監(jiān)控開關站設備運行狀態(tài)，方案在核電廠應用效果較好。

關鍵詞：監(jiān)控;PLC;DCS;MODBUS

中圖分類號：TM621.3;TP273

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.016

1 前言

PLC（Programmable Logic Controller），可編程邏輯控制器，主要為工業(yè)生產過程電氣控制設計研發(fā)，具有很強的穩(wěn)定性，在工業(yè)控制的過程中得到了非常廣泛的使用，在實現工業(yè)自動化方面具有非常重要的意義[1]。

隨著大工程系統(tǒng)集成復雜度提高，PLC不再作為一個簡單的工業(yè)控制器來使用，還可以建立一個工控站，與外部系統(tǒng)通信，實現信息傳輸與開關控制，這對核電機組DCS（Distributed Control System）遠距離監(jiān)控開關站內的開關設備有很好的借鑒作用。在核電廠內，開關站是核電廠與電網的連接樞紐，有一套NCS（Network Control System）系統(tǒng)負責站內設備的運行狀態(tài)監(jiān)控，屬于電網管轄。開關站內設備的運行狀態(tài)對核電機組的運行安全也有很重要的作用。核電廠內機組功率大，相應的輔助設備多，占地面積也大，而開關站一般是幾個發(fā)電機組的公用站，所以開關站與機組運行中心距離較遠（一般在1 km以上），直接與機組DCS通信，無法實現。機組DCS系統(tǒng)屬于工業(yè)控制系統(tǒng)，有一套完整的設計思路和通信體系，開關站屬于涉網設備，電網在系統(tǒng)設計和內部通信中有著自己的規(guī)范，兩者均是一套完整的體系，且均適應對應行業(yè)的發(fā)展，技術成熟，不容易更改。在開關站內設計PLC，與機組DCS通信從而控制站內設備，成為核電廠開關站設計的一種重要思路。

2 當前核電機組DCS監(jiān)控開關站方案分析

目前部分在建和已建核電廠的常規(guī)做法是采用硬接線方式將開關站內電氣量直接接入機組DCS系統(tǒng)，目前嶺澳、紅沿河和寧德核電站均采用此方式。硬接線傳輸信號雖然可靠、迅速，但是信息數量有限，而且擴展性能不理想，自動化程度較低，當傳輸距離較遠時，會遇到信號受干擾不穩(wěn)等問題[2]。

如果采用開關站內的NCS系統(tǒng)（電力網絡控制系統(tǒng)）與DCS長距離通信，會帶來電力系統(tǒng)監(jiān)控網絡與DCS通信規(guī)約不一致、DCS命令出口時間延長、NCS的二次安防復雜化等問題。陽江核電站起初設計為硬接線方式，考慮到距離問題，后續(xù)改成了通信傳輸方式，在開關站內增加遠動設備，由機組DCS與NCS通信，從而控制站內設備。過程中，需要通信協(xié)議的轉化，對設備提出了很高的要求。最終通過增加站內通信模塊，仍以硬接線方式傳輸開關信號，未能實現DCS對開關站內設備運行數據的采集與監(jiān)控。

3 PLC在開關站內的設計應用研究

隨著PLC技術的發(fā)展，設備的性能更加可靠，設備的體積也更加微型化，無論成本還是空間，均有很強的競爭優(yōu)勢。近年來通信技術的融人，為PLC技術的發(fā)展提供了強有力的技術支撐，比如應用較為廣泛的現場總線技術，通過自身技術優(yōu)勢使信息通訊質量得到提高[3]。

3.1 PLC控制電路設計

采用PLC簡單控制網絡，主要指在一個主站當中設置一臺PLC和一臺個人計算機，從站中設置多臺PLC或者一臺PC機，主站的主要作用是對PLC系統(tǒng)進行控制、編程、報警等。PLC系統(tǒng)布置在500 kV開關站內，是一個獨立的控制子站，能夠實現對開關站內電氣量的測量、開關站位置狀態(tài)的監(jiān)測以及分合斷路器，PLC對站內系統(tǒng)的設備的控制電路如圖1所示。圖1中所采用的設備是浙大中控公司生產的PLC系統(tǒng)，由于接入系統(tǒng)的數據量大，采用了分散式設計，不同的數據量由不同的卡件采集，如圖1中FW351是模擬量輸入卡件，通過內部的跳線，可以定義輸入模擬量的類型，如4-20mA、0- 10 mA、1-5V，0- 1OV等，卡件的使用需要配入底層的端子板，用來端接現場的設備接線。由于外部接人的信號均為有源模擬量，所以無需配置電源。FW366是信號輸入卡件，與TB366配合使用，接入現場設備的狀態(tài)，包括開關站位置、報警信息等。FW367是輸出卡件，與TB367配合使用，通過繼電器輸出，控制外部開關站的分操作，實現信號輸出。

3.2 機組DCS與PLC通信控制方案

通信采用MODBUS協(xié)議，該協(xié)議經過多年的實際應用，已經成為一種應用于工業(yè)控制器上的標準通信協(xié)議[4]。由于距離較遠，常規(guī)的網絡通信實現成本過大，采用光纖通信可減少信號的損耗，同時能提高通信可靠性。每一個核電廠只有一個500 kU/220 kV開關站系統(tǒng)，兩臺機組均要通過PLC控制站內的開關設備，方案設計時要考慮到PLC側系統(tǒng)的獨立，采用如圖2的設計方案。

各系統(tǒng)分別配置2塊通信接口卡FW248、2塊TB248-U端子板，第1塊FW248與IDCS進行冗余通信，第2塊FW248與2DCS進行冗余通信。每塊通信端子板的冗余通信端口分別對應2塊網關接入DCS系統(tǒng)，以此實現每條通信鏈路均為一主一從MODBUS冗余通信要求。

FW248作為MODBUS-RTU SLAVE（從站）掛于MODBUS-TCP網關串行總線下，位于以太網上的MODBUS-TCP Client（主站：機組DCS）向MODBUS-TCP網關發(fā)送訪問請求，網關將該訪問請求進行協(xié)議轉換并發(fā)送至FW248通信卡，FW248返回訪問結果至網關，網關將該結果進行協(xié)議轉換并發(fā)送至MODBUS-TCP Client（主站：機組DCS）。

4 工程案例應用分析

開關站PLC系統(tǒng)與機組DCS通信方案的設計在臺山核電得到了很好應用，目前1號機組已商運，2號機組也即將并網，兩臺機組均通過PLC實現對開關站內設備數據的監(jiān)控。在開關站PLC柜內，同時設有就地顯示和控制屏幕，能就地顯示數據，經過光纖實現數據上傳至機組DCS，也可以就地操作，實現對開關的控制。與開關站內NCS系統(tǒng)完全分開，保證了電網運行，同時又實現了機組DCS對開關站內設備數據的監(jiān)控，且監(jiān)控數據點相對于其他項目增多數倍，實現機組DCS對開關站的全方位監(jiān)控。

5 結語

PLC技術的發(fā)展，為多系統(tǒng)聯合控制提供了很好的解決方案，PLC可作為一個微型獨立的控制站，通過擴展接口，可以接收很多現場數據，對大系統(tǒng)的數據要求提供了很好的設計思路。方案中，PLC作為一個子站能夠獨立監(jiān)控開關站內的設備數據，同時通過光纖通信，實現了數據的遠距離傳輸，而且穩(wěn)定性強。對其他核電廠項目的開關設計提供了很好的借鑒，同時對負載多系統(tǒng)數據通信的的設計，也提供了很好的設計思路。

參考文獻：

[1]樓緯.通信技術在PLC自動化控制系統(tǒng)中的應用分析[J].數字通信世界，2019 （2）： 99.

[2]閆天軍，郭偉，趙樹春.火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)接入DCS方式的分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30（ ll）： 86-89.

[3]李敏.PLC冶金自動化控制系統(tǒng)中的通信技術運用分析[J].冶金冶煉，2018（ 12）：4-5.

[4]王剛，王玉琪，王冰.用MODBUS協(xié)議實現DCS與PLC之間的串行通信[J].自動化技術與應用，2010，29（4）： 45-47.