水工業(yè)使用PLC以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)隔河巖電廠LCU改造

經(jīng)過多年努力，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在水電廠及其它領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。對(duì)于水電廠來說，采用一套結(jié)構(gòu)合理、功能完善、可靠性高、人機(jī)界面友好的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，是水電廠提高安全生產(chǎn)水平，實(shí)現(xiàn)“無人值班（關(guān)門運(yùn)行）”的環(huán)節(jié)。非?？上驳氖?，經(jīng)過國(guó)內(nèi)同行們的努力，國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展很快，已經(jīng)接近或達(dá)到同類產(chǎn)品的國(guó)際先進(jìn)水平。

隨著近幾年計(jì)算機(jī)硬件、軟件的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)不斷得到發(fā)展。本文作者參加了清江隔河巖水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造工程，現(xiàn)就該廠LCU改造的特點(diǎn)，改造中所采用的新技術(shù)及LCU新型結(jié)構(gòu)，進(jìn)行初步探索，談一下個(gè)人的看法，不當(dāng)之處，希望批評(píng)指正。

1.監(jiān)控系統(tǒng)改造的目標(biāo)

隔河巖水電廠原采用加拿大的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，已穩(wěn)定運(yùn)行多年，為該廠安全生產(chǎn)及創(chuàng)國(guó)內(nèi)一流水電廠作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。但隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)、對(duì)電廠的要求越來越高，向國(guó)際的一流水電廠的技術(shù)、管理水平看齊，創(chuàng)建國(guó)際一流水電廠，從而實(shí)現(xiàn)管理水平高、技術(shù)先進(jìn)、人員進(jìn)一步精練、關(guān)門運(yùn)行的目標(biāo)，勢(shì)在必行。一方面，原有的系統(tǒng)功能已不能滿足要求，另一方面?zhèn)淦穫浼嗀浽絹碓嚼щy，而且價(jià)格非常高，對(duì)電廠的安全運(yùn)行形成隱患。為此對(duì)老系統(tǒng)必須進(jìn)行更新改造，以便為創(chuàng)國(guó)際一流水電廠打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)于LCU，改造的方法是：現(xiàn)地設(shè)備僅保留原有的盤柜柜體、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置和24V電源、照明等少量附件，其它全部拆除，取而代之的是新的LCU，采用施耐德公司Quantum 系列PLC作為控制器。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自動(dòng)化所提供了五套LCU，本文作者參加了LCU的研制、現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試等改造工作，本文是對(duì)改造工作的總結(jié)和思考。

2.LCU改造的特點(diǎn)

2.1控制流程方式不同

原監(jiān)控系統(tǒng)是加拿大CAE研制的，CAE的模式與國(guó)內(nèi)的一貫做法有很大差異。比如，開機(jī)有九大步，停機(jī)也有九大步。對(duì)于常規(guī)水電廠的機(jī)組，而我們的一貫做法是五態(tài)轉(zhuǎn)換，所謂五態(tài)即停機(jī)態(tài)、空轉(zhuǎn)態(tài)、空載態(tài)、發(fā)電態(tài)、不定態(tài)（前四種狀態(tài)中過渡狀態(tài)稱為不定態(tài)）。（對(duì)于有調(diào)相任務(wù)的機(jī)組，還有調(diào)相態(tài);對(duì)于抽水蓄能機(jī)組，還有水泵態(tài);但不在討論的常規(guī)機(jī)組范圍之內(nèi)。）機(jī)組一定處于五種狀態(tài)之中。機(jī)組的開機(jī)、停機(jī)、解列、解列后并網(wǎng)等操作，不過就是機(jī)組在的停機(jī)態(tài)、空轉(zhuǎn)態(tài)、空載態(tài)、發(fā)電態(tài)四種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。雖然兩種表示方法實(shí)質(zhì)是一致的，但習(xí)慣于五態(tài)轉(zhuǎn)換的人，要熟悉開機(jī)、停機(jī)各九大步，需要一定的時(shí)間。考慮到電廠從運(yùn)行人員到檢修維護(hù)人員都諳熟這開、停機(jī)九大步這一因素，雖然編程與調(diào)試都需要付出較大的努力去適應(yīng)，還是采用了原來的開、停機(jī)九大步形式，以方便電廠人員的運(yùn)行與維護(hù)。

2.2使用結(jié)構(gòu)化文本語言來編程

原有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的LCU的程序是使用文本化語言編寫的，它的風(fēng)格與C語言相類似。與機(jī)組開停機(jī)形式采用各九大步相類似，由于電廠維護(hù)人員熟悉文本化語言，要求全部采用文本化的編程語言編寫LCU的程序。在使用可編程控制器（以下稱為PLC）時(shí)，我們通常使用梯形圖的語言。它的好處是編程易學(xué)、直觀、與電氣二次展開圖極為相似，非常適合電廠人員掌握，可以使現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員方便的進(jìn)行對(duì)程序的維護(hù)。在隔河巖計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU部分改造中，采用了施耐德（Shneider）公司的Quantum 系列PLC，編程軟件采用Concept2.2。該軟件支持國(guó)際電工委員會(huì)IEEE1131的標(biāo)準(zhǔn)的全部五種語言，即：支持FBD（Function Block Diagram功能塊圖）、SFC（Sequential Function Chart順序功能圖）、LD（Laddar Diagram梯形圖）、ST（Structured Text結(jié)構(gòu)化文本）和IL（Instruction pst指令表）五種語言。前三種語言是圖形方式，后兩種是文本方式。由于指令表IL語言指令的特點(diǎn)，具有可讀性差，指令簡(jiǎn)單，不直觀，可移植能力差，非結(jié)構(gòu)化文本（有JUMP指令），數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng)（無循環(huán)FOR語句），只能適合較小規(guī)模的控制。ST語言是一種結(jié)構(gòu)化的文本語言。它與C語言很相似。它不僅具有豐富的邏輯處理能力，它還具有IF、CASE、FOR、WHILE、REPEAT、EXIT、EMPTY等語句，數(shù)據(jù)處理能力非常強(qiáng)，沒有GOTO、 JUMP或類似的指令。因此，它的移植性很好,有利于程序的標(biāo)準(zhǔn)化。它與FBD、LD、SFC相比，不夠直觀，與電氣二次展開圖相去較遠(yuǎn)。另外，它的不足之處是占用較多內(nèi)存且掃描周期要長(zhǎng)一些（均與FBD、LD、SFC相比）。上面提到了LD語言的一些優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)BD圖與電氣二次的原理圖更接近。FBD、 SFC、LD都不具備IF、CASE、FOR、WHILE、REPEAT、EXIT、EMPTY等語句，數(shù)據(jù)處理能力不夠強(qiáng)。根據(jù)我個(gè)人使用情況，比較可取的方法有：（1）全部使用ST;（2）使用ST與FBD相結(jié)合;（3）使用ST與LD相結(jié)合。（2）和（3）兩種方法能夠?qū)煞N語言的特點(diǎn)結(jié)合起來，是比較好的方式。因?yàn)橛脭?shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的文本化語言處理數(shù)據(jù)，用直觀性好的LD或FBD編制順控流程，現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員能夠比較容易接受、容易理解、容易接受?，F(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員最關(guān)心的是順控流程。我個(gè)人比較傾向于（3）的方式。

但是對(duì)于熟悉使用C語言或類似C語言的其它文本化語言的工程技術(shù)人員來說，或者對(duì)于特別復(fù)雜的順控流程用LD或FBD實(shí)現(xiàn)很困難的情況，使用結(jié)構(gòu)化文本ST語言是一個(gè)明智的選擇。隔河巖的情況就是這樣，他們?cè)瓉砑幽么驝AE計(jì)算機(jī)監(jiān)控的LCU的全部流程是用類似C語言的文本化的語言編制的，他們的機(jī)組順控流程也很復(fù)雜，因此電廠要求所有流程使用ST語言編制。這樣，改造后的LCU的程序，與原來的程序風(fēng)格上接近，電廠的技術(shù)人員比較容易理解和維護(hù)。實(shí)踐證明，選擇ST語言是正確的。

2.3 PLC直接上網(wǎng)

經(jīng)過多年探索和實(shí)踐，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用分層、分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也就是按照被控設(shè)備分成單元，即LCU?，F(xiàn)在較為普遍的LCU一般由工控機(jī)、控制器（PLC：用于數(shù)據(jù)采集和控制）、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置、轉(zhuǎn)速裝置、變送器、電源等附件組成。工控機(jī)作為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)上的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，各種數(shù)據(jù)經(jīng)過工控機(jī)送到網(wǎng)上各個(gè)結(jié)點(diǎn)，控制命令經(jīng)工控機(jī)下達(dá)到控制器等設(shè)備。因此工控機(jī)的可靠性顯得非常重要。雖然工控機(jī)是工控產(chǎn)品，由于它的風(fēng)扇、硬盤驅(qū)動(dòng)器、軟驅(qū)等旋轉(zhuǎn)部件的存在，可靠性就有所降低。針對(duì)這種情況，人們把眼光紛紛投向以太網(wǎng)，考慮PLC的直接上網(wǎng)。

現(xiàn)在國(guó)際上知名的幾大廠家的PLC均能夠?qū)崿F(xiàn)直接上網(wǎng)，如施耐德公司全線的Quantum系列、Premium系列等、通用電氣公司GE90-70系列、GE90-30系列、VersaMAX系列等、西門子公司的有關(guān)PLC、羅克韋爾PLC的有關(guān)系列控制器。

在隔河巖計(jì)算機(jī)監(jiān)控改造工程中，采用了直接上網(wǎng)的形式。但它的結(jié)構(gòu)還是符合分層分布（單元）式的結(jié)構(gòu)原則。這種結(jié)構(gòu)是符合“無人值班（關(guān)門運(yùn)行）”的目標(biāo)的。

2.4 冗余結(jié)構(gòu)

雙機(jī)熱備冗余

現(xiàn)在PLC的可靠性是很高的，但為了把大型、特大型機(jī)組的可靠性提高到更高的水平，特別是滿足隔河巖這種大型骨干電廠“無人值班（關(guān)門運(yùn)行）”對(duì) LCU的要求，同時(shí)也利于維護(hù)（一臺(tái)運(yùn)行，另一臺(tái)可處于編程狀態(tài)），采用了雙機(jī)（CPU）熱備結(jié)構(gòu)。雙機(jī)熱備的實(shí)現(xiàn)有兩種放方式，一是硬件方式，一是軟件方式。硬件方式如施耐德公司Quantum系列PLC雙機(jī)熱備、通用電氣公司GE90-70系列雙機(jī)熱備等;軟件方式通用電氣公司GE90-30系列雙機(jī)熱備有一般硬件的方式性能比較好。但是不管那種方式，都要達(dá)到無擾切換

也就是切換的過程要保證控制連續(xù)進(jìn)行、數(shù)據(jù)不丟失。這一點(diǎn)是非常重要的。

在隔河巖計(jì)算機(jī)監(jiān)控改造工程中，采用了施耐德公司Quantum系列PLC雙機(jī)熱備結(jié)構(gòu)。當(dāng)主控CPU故障或電源失去時(shí)，自動(dòng)切換到備用CPU，備用CPU自動(dòng)升為主控CPU，實(shí)現(xiàn)無擾切換。當(dāng)進(jìn)行維護(hù)時(shí)，可以手動(dòng)進(jìn)行主、備單元的切換。這樣，可以提高可靠性指標(biāo)。