國產MB80可編程控制器主機架典型布局對比分析

劉海濤，操俊磊，李彥龍

（1. 安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽省宣城市 245300；2. 南瑞集團公司/國網電力科學研究院，江蘇省南京市 211106）

0 引言

計算機監控系統是廠站最核心的設備之一，而以可編程控制器為基礎的計算機監控系統在當前國內常規水電廠和抽水蓄能電站應用最為廣泛。系統一般由調度控制層、廠站控制層和現地控制層[1]構成，通過計算機網絡連接三個層級，并進行監控數據交換。其中，現地層由帶有人機界面的現地控制單元構成，而現地控制單元的核心設備就是可編程控制器，一般由一個主機架和多個擴展機架組成，CPU布置在主機架中。

本文對MB80可編程控制器典型的主機架布局[2]進行了詳細分析。

1 MB80可編程控制器簡介

以某采用國產MB80可編程控制器的電站機組現地控制單元[3]為例，本體柜包含主機架和擴展機架1、擴展機架2、擴展機架3，中間層遠程I/O柜包含擴展機架1、擴展機架2、擴展機架3，水輪機層遠程I/O柜包擴展機架1、擴展機架2，主機架與擴展機架之間采用CAN總線方式進行通信，可編程控制器結構如圖1所示。

圖1 某機組可編程控制器結構圖Figure 1 Structure diagram of programmable logic controller of a unit

2 主機架典型布局及電源設置

2.1 主機架典型布局

典型設計一般采用單主機架方案，主機架和帶有通信模塊的擴展機架1布置在一面盤柜內（某現地控制單元LCU A4柜）。其中，本體柜主機架為MB80 CHS808E插箱[4]，內含10個模件槽位、2塊CPU模件和8塊事件順序記錄（SOE）模件[5]，詳細布局如圖2所示。

圖2 主機架布局圖Figure 2 Structure of main frame

擴展機架1為MB80 CHS808E插箱，內含10個模件槽位，包含2塊CPM模件和8塊SOE模件，CPM模件用于外部通信，具體布局詳見圖3。

圖3 擴展機架1布局圖Figure 3 Expansion rack 1 Layout

2.2 電源設置

現地控制單元是計算機監控系統現地層的核心設備，電源模塊采取冗余配置，配置兩臺交直流雙供電插箱FPW-2ANP，布置在同LCU的A1柜，從外部引入兩交兩直四路電源，分別接入兩臺FPW-2A-NP，現地控制單元電源接線圖如圖4所示。

圖4 現地控制單元主電源接線圖Figure 4 Main power supply wiring diagram of LCU

PLC所處的主機架電源取自現地控制單元主電源，即兩臺交直流雙供電插箱FPW-2A-NP，主機架電源供電回路如圖5所示，其中，圖5（c）為雙主機架布局的A4柜XPWE端子排接線圖，單主機架布局中無去往MB80雙供電插箱1的4根接線。

圖5 主機架電源供電回路圖Figure 5 Diagram of main frame power supply circuit

由于PLC的CPU模件的工作電源都是5V直流電源[6]，所以主機架電源配置一套交直流雙供電插箱FPW-1A2，FPW-1A2電源插箱將DC 220V轉換成DC 5V電源供給MB80的PLC[7]，接線圖如圖6所示。

圖6 主機架交直流雙供電插箱FPWA0接線圖Figure 6 Wiring diagram of main frame AC / DC dual power supply box FPWA0

3 雙主機架布局及電源配置

3.1 雙主機架布局

雙主機架布局是在單主機架布局結構基礎上衍生出來的，通過進行下列改動，實現布局架構的改變：

（1）將原主機架中的CPU1、CPU2模塊分開布置，采用兩個MB80 CHS809F單CPU機架，每個機架安裝1塊CPU模塊。

（2）MB80 CHS809F插箱內部有撥碼，1代表主，2代表備，將CPU1所在的插箱撥碼撥到1，將CPU2所在的插箱撥碼撥到2。

（3）在兩個主機架插箱間增加一根冗余網線連接，用于兩個CPU主從備份數據傳輸和對策CPU是否在線的判別。

（4）增加一路GPS時鐘到新增主機架插箱的對時信號。

（5）在PLC編程軟件MBPro中同步修改硬件配置。

3.2 CAN總線環網

（1）2個MB80 CHS809F插箱底板上各有一個CAN現場總線接口，可以通過簡單處理，將主機架和擴展機架串起來，在本體柜形成一個“CAN總線環網”，環網中的任意節點都可向剩余節點，實現無主次之分的發送信息，因此，其可以實現與多個節點之間的自由通信[8]，提高通信的可靠性。

（2）將CAN現場總線的CAN1+、CAN1-并接入CAN光電轉換器C1-AF12，將CAN現場總線的SYNC+、GND并接入CAN對時光電轉換器，并將CAN現場總線的CAN2+、CAN2電纜芯短接，CAN現場總線接線圖如圖7所示。

圖7 雙主機架CAN總線接線圖Figure 7 Can-bus wiring diagram of double main frame structure

3.3 電源配置

雙主機架的電源均取自現地控制單元主電源，與單主機架的電源轉接回路一致，且MB80 CHS809F主機架的電源保持不變，仍為一套交直流雙供電插箱FPW-1A2，而由于CPU1和CPU2分別處于兩個主機架中，兩個主機架各擁有主、輔5V工作電源，故原單主機架的“雙電源冗余”變成了“四電源冗余”。雙主機架電源配置見圖8。

圖8 雙主機架電源配置圖Figure 8 Configuration diagram of dual main frame power supply

4 測試對比分析

4.1 布局結構對比

單主機架布局采用的單個MB80CHS 808E為主機架插箱，CPU1和CPU2均布置在主機架插箱上；而雙主機架布局采用的兩個冗余插箱MB80CHS809F，CPU1和CPU2分別布置在兩個冗余插箱上。兩種插箱的基本數據對比見表1。

表1 雙機插箱與冗余插箱基本數據對比表Table 1 Comparison table of basic data between dual unit plug-in box and redundant plug-in box

續表

4.2 基本測試對比

為了驗證兩種結構下計算機監控系統功能實現是否有區別，現場分別對兩種結構進行了基本測試，測試結果對比見表2。

表2 雙機插箱與冗余插箱基本測試對比表Table 2 Comparison table of basic test between dual machine plug-in box and redundant plug-in box

上述兩種主機架典型布局結構的PLC上電測試、CPU網絡故障模擬測試、CPU重啟及主從切換測試、信號采集周期測試、控制命令響應測試等基本測試均無正常，且無區別，故基于MB80E的兩種主機架典型布局結構的功能和性能均正常，滿足雙機熱備系統運行要求。

4.3 電源故障模擬測試

由于PLC是計算機監控系統現地控制單元的核心設備，其對外部供電的可靠性要求非常高，仍對這兩種主機架典型布局結構進行電源故障模擬測試。測試過程中發現，由于單主機架結構的CPU1和CPU2布置在同一個機架插箱內，發生主、輔5V供電電源同時故障，進而導致雙CPU看門狗動作的概率要遠大于雙主機架結構。電源故障模擬測試結果對比見表3。

表3 兩種主機架典型布局結構電源故障模擬測對比表Table 3 Comparison table of power failure simulation test for two typical main frame layouts

4.4 冗余網線拔插情況下的CPU重啟測試

為了保持主、從CPU之間實時數據的熱備份，需要建立兩個CPU之間的通信。其中，單主機架結構是在主機架插箱底板上進行了固化設計，而雙主機架結構則是在兩個主機架插箱間增加一根冗余網線。單主機架結構是硬件固化的，故設備正常運行時，主、從CPU之間保持實時熱備份；雙主機架結構采用的是一根冗余網線，所以針對雙主機架結構，模擬冗余網線故障情況下，進行了CPU自動主從切換、CPU手動主從切換和雙主備CPU同時重啟三種模擬測試，其中對主用CPU進行Reset復位重啟操作等同于CPU自動主從切換測試，測試結果見表4。

表4 雙主機架結構的冗余網線拔插情況下的CPU重啟測試結果Table 4 Test results of CPU restart under the condition of dual mainframe redundant network cable plugging

4.5 CAN總線環網測試

現地控制單元的PLC由主機架和多個擴展機架組成，采用的是CAN總線通信方式。其中，單主機架結構PLC的CAN總線通信鏈路是主機架→擴展機架1→擴展機架2→…→擴展機架N，鏈路中任意一個節點斷開，斷點之后的所有擴展機架均無法完成與主機架之間的通信；而雙主機架結構的PLC由于采用的是兩個冗余插箱MB80CHS809F，雙主機架結構PLC的CAN總線通信鏈路是主機架→擴展機架1→擴展機架2→…→擴展機架N→主機架，實現了CAN總線環網功能，鏈路中任一節點斷開了不影響CAN總線的通信，提高了通信鏈路的可靠性。為了驗證CAN總線環網的功能，進行了CAN總線環網斷開測試，測試方法及測試結果見表5。

表5 雙主機架結構的CAN總線環網斷開測試結果Tab.5 Test results of CAN bus ring network disconnection with dual mainframe structure

5 總結

本文從結構布置、電源配置和現場測試等方面對兩種典型布局結構進行了細致分析。其中，單主機架結構更加簡單、緊湊，CPU主、從自動備份檢查和對策CPU在線判別相比雙主機架少了冗余網線這個可能的故障點；而雙主機架在失電故障和CAN總線通信表現出了更高的可靠性。總的來看，兩種主機架典型布局結構的功能和性能均正常，滿足雙機熱備系統運行要求，且各具特點，單主機架結構的PLC需要外部電源的可靠性和巡檢質量上多下功夫，而雙主機架結構的PLC則需要重點關注冗余網線的質量。