GE RX3i PLC在大藤峽水電廠控制系統中的應用

陶太宏，郝慧賢，張凌云，周精明

（廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司，廣西 桂平 537226）

1 電站概況

大藤峽水力發電廠位于廣西省桂平市內，總裝機容量1 600 kW，廠房分左右兩岸，布置8 臺軸流轉槳式水輪發電機組。左右岸廠房采用一套計算機監控系統，系統采用分層分布式結構，由電站控制層和現地控制單元層組成，左右岸主網通過交換機交互連接。電站控制層布置2 臺監控主機冗余備用，現地控制單元層布置有機組控制柜、公用控制柜、開關站控制柜、輔機控制柜，根據計算機監控系統的配置要求，集合數據采集和處理、數據儲存及展示，達到遠程處置的能力。

2 系統結構

大藤峽水力發電廠計算機監控系統電站控制層各主機及服務器分兩路接入主控制網，實現雙網冗余。左、右岸現地控制單元層設備通過柜內交換機引光纜入控制網主交換機，實現數據互通。電站控制層除通過采集現地控制單元層上送數據用于分析及遠程控制，部分采集數據通過數據網及專線等與中調及地調側進行通信，實現電網規范要求內的信號傳送。

3 可編程自動化控制器

現地控制單元控制柜通過美國通用電氣公司生產的RX3i 系列PLC 對現場設備進行控制，該系列PLC 具備強大的高性能處理器，隸屬新一代的高端控制系統，集過程控制、離散控制和運動控制于一體。

RX3i 同時具備強大的開發工具Proficy Machine Edition，可以有效對設備進行維護保養，該系列PLC自帶的通用背板能夠優化系統性能和投資，且支持帶電插拔功能，可以防止因設備單點故障帶來的系統總停電時間，根據性能要求，配備了豐富多樣化的模塊，可實現簡單到復雜功能的不同應用。

現地控制單元控制柜內最核心的設備是可編程自動化控制器，可編程自動化控制器因各系統所需功能不同，各現地控制柜內組成部分略有差別，主要包括以下組成部分：CPU 模塊、電源模塊、I/O 模塊、通用背板、特殊功能模塊等。

3.1 CPU 模塊

CPU 選用雙套具備熱功能的IC695CPE330 模塊，該CPU 是一款高性能基于最新技術的具備高速運算和高速數據吞吐的控制器，控制器在多種標準的編程語言下可處理高達32 K I/O。

為提高工業控制器應用的可用性，保證控制器長時間穩定運行，減少系統故障停機時間，采用冗余控制器方案是普遍且有效的解決方案，現地控制系統采用雙模塊主備運行，在主備控制器間建立實時通信，通過總線對I/O 模塊進行控制。

主控制器與備用控制器實時通信,對整個系統的運行狀況進行控制，當主控制器故障,備用控制器會在1 個掃描周期內代替主控制器起控制作用。同時,在每個掃描周期后主控制器都要對備用控制器進行更新，確保主控制器的故障不會影響電站機組的穩定運行。

3.2 電源模塊

RX3i 系列具備多功能電源模塊，具備的模塊類型有IC695PSD040 和IC695PSD140，同一機架可支持最多4 個電源模塊，且所有電源模塊均支持帶電熱插拔，為模塊的在線更換和檢修提供了極大便利，電源模塊自帶故障指示，出現故障時PLC 程序會自動將故障信息記錄至故障表，通過與上位機通信將對應故障信號顯示于簡報從而提醒監盤人員，同一機架上的各電源模塊冗余備用，提高了控制系統的可用性，減少了系統的停機時間，且多電源供電方式也極大加強了系統的擴展性，可以在機架上部署新型及不同類別的特殊功能模塊。

3.3 I/O 模塊

整個現地控制單元負責完成全站設備的繼電保護和水機保護，電氣量（模擬量、開關量、脈沖量等）及非電氣量（水位、壓力、溫度、轉速等）的采集處理，斷路器及部分隔離開關的分合閘控制，水輪發電機組自動程序控制，全站公用設備的運行監視、控制等功能。為滿足多樣化的功能需求，PLC 通過各種I/O 接口模塊與外界進行聯系，按照I/O 點數確定模塊規格及數量，I/O 模塊可多可少，但其最大數受CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。PLC 的I/O 模塊有開關量模塊、模擬量模塊以及各種特殊功能模塊等，分別有以下特點：

（1）開關量模塊

大藤峽水力發電廠機組用到的開關量輸入模塊為IC694MDL660，32通道。模塊容納開關點量共32個，采用的是高密度帶接線端子，具備點級/模塊級故障診斷功能，內含故障代碼寄存器，可以精確定位故障點及原因。輸入特性兼容寬范圍的輸入設備，例如：按鈕、限位開關、電子接近開關。電流輸入到一個輸入點則在相應輸入狀態表（%I）中的值為邏輯1。模塊上綠色的LEDs 顯示著每個輸入點的開／關狀態。開關量輸出模塊為IC694MDL754，提供32 個開關量輸出點,分成4 個隔離的組,每組8 點，每組有其自己的公共端。每組可以用來驅動不同的負載，向負載提供電流的電源由用戶提供。該模塊從用戶電源吸收少量的功率以對輸出設備提供驅動，現場側和邏輯側之間的背板隔離通過模塊上的光耦合器實現。

（2）模擬量模塊

模擬量輸入模塊IC694ALG223，16 通道，對應用戶需求可進行設置不同輸入范圍，如4～20 mA 或0～20 mA，對應現場的自動化元件例如流量、壓力等的信號反饋。模擬量輸出模塊IC694ALG392，8 通道，每個通道都可轉換15～16 位（取決于選擇的范圍）二進位數據為一個模擬輸出，所有8 個通道每12 ms 更新一次。

（3）熱電阻輸入模塊

大藤峽電廠對機組各部軸承及定子線圈、鐵芯等設置了很多溫度測點，測溫采用三線制RTD 電阻測量方式，RX3i 系統采用新型的熱電阻輸入模塊對這些溫度量進行統一整合上傳，熱電阻輸入模塊 IC695ALG600 是8 通道通用型的輸入模塊，輸入信號可選擇為整型或實型量，對每個通道對應測點均可以設置高低限報警，且模塊具備點級/模塊級故障診斷功能，內含故障代碼寄存器，可以精確定位故障點及原因。

3.4 通用背板

RX3i 通用背板是雙總線背板，既支持PCI 總線(IC695 系列)又支持串行總線(IC694 系列) I/O 和可選智能模塊，RX3i 通用背板同樣支持GE 90-30 系列I/O 及可選智能模塊。其中RX3i 模塊（IC695 系列）可以通過背板的PCI 的總線進行通信，RX3i 模塊（IC694 系列）以及90-30 模塊（IC693 系列）可以通過背板的串行總線進行通信。通用背板根據現場配置的需求，背板長度不一，有7 槽、12 槽、16 槽等。絕大多數的模塊占用背板的1 個插槽，一些模塊例如 CPU 模塊以及交流電源，兩倍寬，占用2 個插槽。

圖1 通用背板示例

3.5 高速計數模塊

高速計數模塊IC695HSC304，高速計數器是PLC 在發脈沖中計算脈沖個數使用的，該模塊不需要與CPU 進行通信就可以檢測輸入信號，處理輸入計數信息，控制輸出。根據用戶選擇的計數器類型，輸入端可以用作計數信號、方向、失效、邊沿選通和預置的輸入點。輸出點可以用來驅動指示燈、螺線管、繼電器和其他裝置。

3.6 冗余映射模塊

冗余映射模塊IC695RMX128，是成套共存的，兩個冗余映射模塊在RX3i 系列CPU 冗余系統中作為反射內存網絡上的一個節點或作為CPU 之間的專用鏈接運行。每當數據寫入一個節點時，網絡上的所有節點都會自動用新數據更新。

在CPU 冗余系統中使用時，映射模塊提供了在冗余系統中的兩個冗余CPU 之間傳輸數據的路徑。一個完整的通信路徑包括一個RMX 模塊在主單元，一個RMX 模塊在二級單元，以及兩根高速光纖電纜相互連接，路徑構成必須是一個兩節點環，其他反射內存節點不能成為這個光纖網絡的一部分進行使用。

3.7 以太網接口模塊

以太網接口模塊IC695ETM001，是用來連接PAC 系統RX3i 控制器至以太網的特殊功能模塊。RX3i 控制器通過它能夠與其他PAC 系統和90 系列、VersaMax 控制器進行通信。以太網接口模塊提供與其他PLC、編程器軟件的主機，和運行TCP/IP版本編程軟件的計算機的連接。RX3i 以太網接口的特點主要分以下幾個部分：①完成所有的PAC 編程和配置服務；②使用以太網全局數據(EGD)協議進行定期的數據交換；③EGD 命令讀寫 PAC，并且在網絡間進行 EGD 內存數據交換；④網絡交換機具有自適應的功能,自動檢測，10 M/100 M 速度自適應，直通線交叉線自適應。

每個PAC 系統的CPU 最多支持255 個并發的以太網全局數據交換。使用編程器完成對EGD 交換的配置，并且存儲在PAC 中。產生和消耗的數據交換都能夠被配置。PAC 系統以太網接口既支持EGD 交換的選擇性消耗，也支持EGD 交換產生至本地子網的廣播IP 地址。

4 軟件構成

大藤峽電廠監控系統采用分層分布式結構，分電站控制級和現地單元控制級。兩者的相互配合完成了電廠的程控化控制。

4.1 組態軟件

大藤峽電廠上位機組態軟件采用的是南瑞水利水電公司的NC3.0 系統，NC3.0 系統軟件是面向水利水電行業研制的大型計算機監控系統軟件。軟件包含了分布式對象架構，全面支持異構平臺的特性，提供了高效安全可靠的監控內核、功能強大的組態工具、精細美觀的圖形界面、實用方便的應用界面、多種符合國際標準的接口，以及緊貼水利水電用戶和梯級集控調度應用需求的各種常規及高級功能。其多樣化的功能在我廠得到了有效應用，為日常的值守人員監視及數據分析等提供了一定的便利。

4.2 編程軟件

GE PLC 作為現地控制單元用到的核心設備，其使用的編程軟件PAC Machine Edition 是一款在Windows 系統下使用的支持對RX3i 系列PLC 進行編程的軟件，它的特點在于整套自動化產品系列均可通過單一工具鏈進行編程、組態和維護，HMI 和控制邏輯開發在一個環境中完成，有效避免了設計開發的重復性和復雜性，且可通過Toolchest 中事先組態好的對象快速構建應用。Toolchest 是對象存儲系統，存儲內容包括對象的關聯邏輯，或HMI 元素以及數據結構，增強了面向對象的可復用性，軟件同時內置了診斷功能，允許用戶顯示控制器狀態、時間戳數據和故障，對故障發生時的警示以及維護等提供了回溯依據。

5 結語

大藤峽水力發電廠于2019 年正式發電，目前左岸3 臺機組已經全部投產，至今已經運行3 年，GE RX3i 系列的PLC 在我廠應用良好，未出現因設備原因對運行機組及系統造成不利影響，且系統的模塊診斷功能對現場的隱患排查提供了有效幫助。依據軟件編程對現場的設備實現了精準控制，各項性能基本契合水電站綜合自動化的要求，提高了生產效率，降低了維護成本。