淺談水電廠PLC程序的一種安全性設(shè)計(jì)方法

袁平路，張 捷，李天毅，楊 晉

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

隨著硬件技術(shù)的不斷提升，PLC的功能也越來越強(qiáng)大，編程手段也越來越向高級(jí)語言發(fā)展，基本上已經(jīng)脫離了原始的梯形圖程序。當(dāng)編程語言和編程手段不再局限于傳統(tǒng)的與、或、非之后，人們?cè)絹碓蕉嗟膶⒕Ψ旁诔绦虻闹悄芑稀Ｋ^“智能化”就是將原本需要通過人力計(jì)算或過程復(fù)雜的功能通過程序自動(dòng)計(jì)算的方式解決。本文介紹了水電廠PLC智能化設(shè)計(jì)的原則、順控流程的設(shè)計(jì)思想和功率調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)方法。

1 水電廠PLC程序設(shè)計(jì)原則

1.1 程序的安全性

（1）命令防誤動(dòng)作：從PLC上電到穩(wěn)定運(yùn)行期間，程序應(yīng)將命令區(qū)以及命令位清零，以防止上次停電前殘留命令及其它誤操作動(dòng)作設(shè)備。

（2）命令時(shí)間比較功能：在廠站層下發(fā)命令到現(xiàn)地層后，程序會(huì)對(duì)廠站層所發(fā)命令時(shí)間與本套CPU接收命令時(shí)間進(jìn)行比較，如果兩個(gè)時(shí)間的差值在一定范圍之內(nèi)，則允許執(zhí)行命令，否則將認(rèn)為該命令為無效命令，予以丟棄。

（3）命令定時(shí)清除功能：為避免由于命令沒有及時(shí)被清除，而造成對(duì)設(shè)備的重復(fù)操作及誤操作，程序應(yīng)在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)命令區(qū)所有命令進(jìn)行清除操作。

（4）命令執(zhí)行反饋功能：在廠站層下發(fā)命令之后，程序如果執(zhí)行命令，則反饋命令執(zhí)行代碼給廠站層，如果未執(zhí)行命令，則反饋相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼給廠站層，以便查找問題，同時(shí)也可防止命令意外丟失。

（5）數(shù)據(jù)長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)功能：為防止因數(shù)據(jù)溢出而造成CPU負(fù)擔(dān)過重，程序中對(duì)每一種數(shù)據(jù)的處理加入對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及類型的判斷，如果數(shù)據(jù)長(zhǎng)度或類型錯(cuò)誤，程序就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警并上送廠站層。

（6）有功功率、無功功率調(diào)整限值處理功能：為了防止有功功率、無功功率調(diào)整限值超越限定值，程序設(shè)定了調(diào)整安全區(qū)域，有功功率、無功功率調(diào)整僅在該安全區(qū)域內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超出了限定值，則按照規(guī)定的最大或最小限值進(jìn)行調(diào)整。

1.2 程序的高效性

（1）數(shù)據(jù)自動(dòng)上送功能：程序可以根據(jù)上送數(shù)據(jù)的類型、長(zhǎng)度，自動(dòng)計(jì)算各數(shù)據(jù)的首地址。通過首地址及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，自動(dòng)上送各種類型數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)上送的效率。

（2）CPU自動(dòng)切換功能：當(dāng)前大中型水電廠一般采用雙機(jī)冗余熱備結(jié)構(gòu)，對(duì)設(shè)備實(shí)施控制。為了使冗余CPU 可以在特定情況下完成切換，保證廠站層采集數(shù)據(jù)的完整性，程序會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)冗余CPU的狀態(tài)及其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并在適當(dāng)?shù)臈l件下自動(dòng)對(duì)CPU進(jìn)行切換。

（3）各種工況之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能：廠站層下發(fā)命令至現(xiàn)地層后，程序可以根據(jù)機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)及下發(fā)命令完成不同工況之間的轉(zhuǎn)換。

1.3 程序的兼容性

（1）編寫程序應(yīng)使用所有PLC均支持的語言，保證在任何CPU中均可良好移植。

（2）考慮變量定義區(qū)的位置和大小，以便在常用的PLC系列中均可使用。

1.4 程序設(shè)計(jì)的全面性

（1）機(jī)組程序應(yīng)具有手、自動(dòng)控制功能：在對(duì)機(jī)組實(shí)施開、停機(jī)試驗(yàn)的過程中，先用手動(dòng)流程控制，進(jìn)行程序驗(yàn)證，當(dāng)機(jī)組開、停機(jī)試驗(yàn)完成且程序測(cè)試無誤后，方可容許操作人員進(jìn)行自動(dòng)流程試驗(yàn)。

（2）數(shù)據(jù)通道質(zhì)量判別功能：對(duì)于所有類型的數(shù)據(jù)，均進(jìn)行通道質(zhì)量判別處理，在通道質(zhì)量正常時(shí)允許數(shù)據(jù)進(jìn)入控制，在通道質(zhì)量異常時(shí)不允許數(shù)據(jù)進(jìn)入控制。

（3）模擬量數(shù)據(jù)I/O控制狀態(tài)判別功能：對(duì)于模擬量數(shù)據(jù)，增加對(duì)該類型數(shù)據(jù)的I/O控制狀態(tài)判別功能，在該狀態(tài)處于閉鎖時(shí)，數(shù)據(jù)不許進(jìn)入控制；在該狀態(tài)處于閉鎖解除時(shí)，數(shù)據(jù)可以進(jìn)入控制；廠站層可以控制對(duì)該點(diǎn)的閉鎖解除；例如：當(dāng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)溫度增量≥規(guī)定數(shù)值，則該溫度點(diǎn)應(yīng)該視為不可信點(diǎn)并退出溫度停機(jī)控制，只有當(dāng)運(yùn)行人員手動(dòng)解鎖之后，該溫度點(diǎn)才可以重新回歸控制點(diǎn)，作為事故停機(jī)的依據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)量強(qiáng)制狀態(tài)判別功能：對(duì)于所有類型的數(shù)據(jù)，均進(jìn)行強(qiáng)制狀態(tài)判別處理，數(shù)據(jù)可以通過廠站層進(jìn)行強(qiáng)制，并返回強(qiáng)制狀態(tài)。

（5）通信接收區(qū)及發(fā)送區(qū)的劃分：通過對(duì)通信接收區(qū)及發(fā)送區(qū)的劃分，確定合理區(qū)間，將PLC與外部通信的數(shù)據(jù)放在確定區(qū)域，避免數(shù)據(jù)重疊產(chǎn)生不可預(yù)知的后果。

2 水電廠PLC順控流程設(shè)計(jì)思想

2.1 順控流程設(shè)計(jì)背景

由于現(xiàn)場(chǎng)程序架構(gòu)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)試人員僅靠本身素質(zhì)完成現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)工作造成維護(hù)不便、風(fēng)險(xiǎn)加大等問題。為了規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)控制流程，降低現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)水電廠程序架構(gòu)進(jìn)行整體標(biāo)準(zhǔn)化。通過順控流程的設(shè)計(jì)，調(diào)試人員應(yīng)可以方便的在各種工況下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)，通過對(duì)流程相關(guān)變量的控制和監(jiān)視可以在相應(yīng)的步數(shù)對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行控制，也可以監(jiān)視每一步的運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)。

2.2 順控流程的構(gòu)成

（1）步：步為SFC流程控制的基本元素，是流程執(zhí)行中的分界點(diǎn)。

（2）步的執(zhí)行條件：在該條件滿足的時(shí)候，流程可以進(jìn)入到下一步。

（3）選擇分支：步的末端運(yùn)行到下一步的頂端的傳遞路徑鏈路，每一步至少對(duì)應(yīng)一個(gè)選擇分支，也可對(duì)應(yīng)多個(gè)選擇分支。

（4）鏈路：鏈路可以在步和轉(zhuǎn)換等之間建立連接。

（5）跳轉(zhuǎn)：跳轉(zhuǎn)用于表示未完全顯示的有向鏈路。

2.3 順控流程的功能

（1）手、自動(dòng)順控切換功能。

（2）跳轉(zhuǎn)功能。

（3）單步計(jì)時(shí)功能。

（4）單步輸出功能。

（5）單步超時(shí)報(bào)警功能。

（6）流程整體計(jì)時(shí)功能。

（7）工況轉(zhuǎn)換功能。

2.4 順控流程的信息

（1）程序的最大步數(shù)：該變量定義了程序的最大運(yùn)行步數(shù)。

（2）程序的最大運(yùn)行時(shí)間：該變量定義了程序的最大運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)程序到達(dá)最大時(shí)間尚未完成的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

（3）程序每步的最大運(yùn)行時(shí)間：該變量定義了程序每步的最大運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)每步的時(shí)間到達(dá)時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

（4）工況運(yùn)行步數(shù)：該變量定義了程序中特定工況的步數(shù)，例如：空轉(zhuǎn)在第4步，則定義該步數(shù)為4，程序可以根據(jù)步數(shù)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)，完成工況的轉(zhuǎn)換。

（5）分支結(jié)構(gòu)的信息：分支結(jié)構(gòu)信息包括：程序第幾步有分支結(jié)構(gòu)，本步分支結(jié)構(gòu)的分支數(shù)，每個(gè)分支結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的跳轉(zhuǎn)步數(shù)。

（6）流程手、自動(dòng)模式：通過該變量可以控制流程的手、自動(dòng)模式切換。

（7）步執(zhí)行條件：通過該變量流程可以按步順序執(zhí)行。

（8）流程第X步啟動(dòng)：當(dāng)流程在第X步啟動(dòng)時(shí)，該變量置1，工程人員可以通過該變量控制外部設(shè)備。

（9）流程第X步超時(shí)報(bào)警：當(dāng)流程在第X步超時(shí)報(bào)警時(shí)，該變量置1，工程人員可以通過該變量控制流程報(bào)警或退出。

（10）流程總時(shí)間超時(shí)報(bào)警：當(dāng)流程總時(shí)間超時(shí)報(bào)警時(shí)，該變量置1，工程人員可以通過該變量控制流程報(bào)警。

（11）流程第X步運(yùn)行時(shí)間：記錄流程第X步的運(yùn)行時(shí)間。

（12）流程當(dāng)前運(yùn)行步號(hào)：記錄流程當(dāng)前運(yùn)行步號(hào)。

3 水電廠PLC功率調(diào)節(jié)程序的設(shè)計(jì)

功率調(diào)節(jié)是指對(duì)水電廠調(diào)速器和勵(lì)磁系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，它是水電廠發(fā)電過程中的重要一環(huán)。目前水電廠功率調(diào)節(jié)模式一般分為現(xiàn)地手動(dòng)調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)方自動(dòng)調(diào)節(jié)兩種方式。

手動(dòng)調(diào)節(jié)就是通過傳統(tǒng)把手由人工對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)；自動(dòng)調(diào)節(jié)就是通過計(jì)算機(jī)下令的方式由PLC進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算后對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。現(xiàn)在大部分水電廠都會(huì)通過總線和變送器兩種方式對(duì)功率進(jìn)行采集后調(diào)節(jié)。PLC程序智能化設(shè)計(jì)后會(huì)自動(dòng)對(duì)采集方式進(jìn)行無擾動(dòng)切換，保證機(jī)組對(duì)功率的調(diào)節(jié)。

4 結(jié)語

通過對(duì)水電廠PLC程序的智能化設(shè)計(jì)，調(diào)試人員通過簡(jiǎn)便的方式就可以完成水電廠核心功能的控制，不僅可以降低調(diào)試人員的調(diào)試難度，同時(shí)也大大提高了調(diào)試的效率、減少了程序的問題。同時(shí)程序增加了對(duì)通道的判斷、溫度梯度閉鎖等功能，使整套程序的功能更加多樣，并提高了整套程序?qū)ν鈬O(shè)備控制的安全性。