本論文對華能沁北電廠輔助車間控制網(wǎng)的方案、功能及實(shí)施等進(jìn)行了詳細(xì)描述，著重闡述了QUANTUM PLC在整個輔助車間控制網(wǎng)中的作用，同時對其他電廠的相關(guān)技術(shù)人員有一定的參考作用。 　　 系統(tǒng)概述 　　 華能沁北電廠一期（2X600MW）輔助車間控制網(wǎng)（以下簡稱沁北電廠輔控網(wǎng)）是對各個輔助系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視和控制的系統(tǒng)，包括了以下的子控制系統(tǒng)： 　　■化學(xué)水處理系統(tǒng)（包括鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)，超濾反滲透系統(tǒng)） 　　■飛灰輸送系統(tǒng) 　　■除渣系統(tǒng) 　　■凝結(jié)水精處理系統(tǒng) 　　■電除塵系統(tǒng) 　　■燃油泵房系統(tǒng) 　　■綜合水泵房系統(tǒng)（包括空壓機(jī)系統(tǒng)，采暖加熱站） 　　■工業(yè)污廢水系統(tǒng)（包括生活污水處理系統(tǒng)） 　　■輸煤程控系統(tǒng)（包括煤水處理系統(tǒng)） 　　 輔助車間的監(jiān)控系統(tǒng)分兩層，第一層即現(xiàn)場控制層，該層是生產(chǎn)控制的執(zhí)行層，包括化學(xué)水處理系統(tǒng)、除灰渣、電除塵、燃油泵房、綜合水泵房、采暖加熱站、工業(yè)污廢水等各輔助車間控制系統(tǒng)的QUANTUM PLC和就地控制室上位工控機(jī)通過MB+網(wǎng)構(gòu)成的各輔助車間完整的監(jiān)視與控制系統(tǒng)。第二層即輔控網(wǎng)監(jiān)控層，是全廠輔機(jī)控網(wǎng)系統(tǒng)的核心層，采用光纖、光纖收發(fā)器、交換機(jī)、服務(wù)器及工控機(jī)，構(gòu)成上一層完整的監(jiān)視控制系統(tǒng)。輔控網(wǎng)監(jiān)控層與現(xiàn)場控制層之間采用冗余星型網(wǎng)連接，使得整個系統(tǒng)具有極高的可靠性。 　　 系統(tǒng)工藝描述 　　 在華能沁北輔控網(wǎng)中，2臺服務(wù)器負(fù)責(zé)獲取I/O信息，生成數(shù)據(jù)庫。操作員站提供標(biāo)準(zhǔn)的HMI畫面供運(yùn)行人員操作，同時還要具備系統(tǒng)報(bào)警顯示查詢、報(bào)表制作、趨勢顯示、系統(tǒng)狀態(tài)診斷、控制系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫的管理和維護(hù)、上位機(jī)畫面的編輯和修改等等功能。同時輔控網(wǎng)對系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)有嚴(yán)格的要求： 　　■QUANTUM PLC CPU模件的負(fù)荷率必須小于40%； 　　■通訊網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷率必須不大于25%； 　　■I/O點(diǎn)裕量為10%，I/O卡槽裕量為15%； 　　■內(nèi)部存儲器占用容量≤50%，外部存儲器占用容量≤40%； 　　■電氣模擬量輸入采樣周期≤50ms 非電氣模擬量輸入采樣周期≤200ms，開關(guān)量采樣周期≤100ms； 　　■整套控制系統(tǒng)的可用率為99.9%； 　　■每幅畫面上實(shí)時數(shù)據(jù)更新時間不大于1秒； 　　■運(yùn)行人員通過鍵盤、鼠標(biāo)等手段發(fā)出的任何操作指令均能在1秒內(nèi)被執(zhí)行； 　　■LCD每幅畫面上調(diào)出畫面時間≤2秒； 　　因此，系統(tǒng)的難點(diǎn)和重點(diǎn)在于輔控網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。一個優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要滿足以下幾個方面的要求： 　　■可擴(kuò)展性：系統(tǒng)的規(guī)劃必須考慮到將來發(fā)展的需要； 　　■高可用性：系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為冗余，既可以是CPU冗余，也可以是網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余或服務(wù)器冗余，還可以是以上幾個冗余的結(jié)合； 　　■靈活性：設(shè)計(jì)良好的網(wǎng)絡(luò)能夠最大限度地降低添加、變更或拆除設(shè)備帶來的影響； 　　■故障的可追蹤性：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，設(shè)計(jì)優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)使得維護(hù)人員可以方便準(zhǔn)確地確定故障點(diǎn)以及排除故障的方法。 　　 在以上的幾個對網(wǎng)絡(luò)的基本要求中，高可用性是一個優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員的首選，是重中之重。在沁北輔控網(wǎng)中，現(xiàn)場控制層通過將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為CPU冗余，同時本地站與遠(yuǎn)程I/O站采用雙纜結(jié)構(gòu)通訊，現(xiàn)場上位機(jī)通過兩塊網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可用性；輔控網(wǎng)監(jiān)控層通過服務(wù)器冗余和交換機(jī)冗余保證了系統(tǒng)的高可用性。 　　 系統(tǒng)的組成及施耐德解決方案 　　 沁北電廠輔控網(wǎng)的子控制系統(tǒng)中的化學(xué)水處理系統(tǒng)、輸煤程控系統(tǒng)、除灰程控系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、綜合水泵房系統(tǒng)（包括空壓機(jī)系統(tǒng)，采暖加熱站），燃油泵房系統(tǒng)，工業(yè)污水處理系統(tǒng)（包括生活污水處理系統(tǒng)）系統(tǒng)均采用Modicon QUANTUM PLC。每個控制站均包括有Modicon QUANTUM CPU、電源、本地I/O模塊、遠(yuǎn)程I/O通訊模塊，以及現(xiàn)場輔助監(jiān)控工作站等。 　　 沁北電廠輔控網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)采用冗余星型結(jié)構(gòu)。兩臺服務(wù)器、兩臺網(wǎng)絡(luò)中心交換機(jī)布置在集控樓的機(jī)房內(nèi)，3臺監(jiān)控工作站及工程師站均布置于中央控制室。服務(wù)器、監(jiān)控工作站及工程師站通過冗余通道與中心交換機(jī)連接。網(wǎng)絡(luò)中心交換機(jī)通過冗余光纖分別與各輔助輔助車間控制系統(tǒng)的交換機(jī)連接，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的主干。網(wǎng)絡(luò)中心配置2臺德國赫斯曼公司的Mice 3000工業(yè)級交換機(jī)，用來連接服務(wù)器、操作員站、工程師站和各子控制系統(tǒng)的二級交換機(jī)。兩臺Dell PowerEdge 1600SC 高性能服務(wù)器通過以太網(wǎng)直接與各子控制系統(tǒng)的QUANTUM PLC通訊，從PLC中采集實(shí)時數(shù)據(jù)，存儲于服務(wù)器中，承擔(dān)輔控網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲、處理和服務(wù)工作，并配置3臺研華IPC 610工業(yè)控制機(jī)主機(jī)及21寸工業(yè)級液晶顯示器作為操作員站，任意一臺操作員站可承擔(dān)工程師站功能。為在系統(tǒng)調(diào)試、啟動初期以及生產(chǎn)巡檢時方便運(yùn)行操作，各輔助車間程控系統(tǒng)還設(shè)有各自的監(jiān)控上位機(jī)。各輔助車間程控QUANTUM PLC系統(tǒng)與其車間監(jiān)控上位機(jī)的組網(wǎng)方式采用Modicon的MB+網(wǎng)。 [align=center] 圖1： 沁北輔控網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D[/align] 輔控網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄈ鐖D1）： 　　 現(xiàn)場程控控制系統(tǒng)采用QUANTUM PLC和上位機(jī)的兩級控制結(jié)構(gòu)方式，利用PLC對現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，一般情況下由中央控制室的輔控網(wǎng)操作員站完成對各個子系統(tǒng)的監(jiān)控與操作，現(xiàn)場各系統(tǒng)調(diào)試或輔控網(wǎng)絡(luò)故障時由現(xiàn)場輔助監(jiān)控工作臨時接替監(jiān)控功能。 控制系統(tǒng)由上位機(jī)和QUANTUM PLC構(gòu)成，上位機(jī)和PLC之間通過MB+進(jìn)行通訊。控制主機(jī)型號為140CPU43412或140CPU53414。CPU采用雙機(jī)熱備。在本地站與遠(yuǎn)程I/O分站均采用雙纜冗余結(jié)構(gòu)通訊，以提高整個系統(tǒng)的可靠性。控制系統(tǒng)的PLC配置如圖2所示。 [align=center] 圖2： 現(xiàn)場控制層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D[/align] 所有現(xiàn)場傳感器信號及控制信號（輸入/輸出）均通過OMRON繼電器隔離后再與QUANTUM PLC的I/O模塊連接。控制柜內(nèi)電源為DC24V，現(xiàn)場和控制室傳送信號采用AC220V。 　　 以前的輔控網(wǎng)設(shè)計(jì)中,子網(wǎng)系統(tǒng)中的上位機(jī)和PLC之間一般采用以太網(wǎng)通訊,即上位機(jī)和PLC系統(tǒng)中的以太網(wǎng)通訊模塊連接在位于子網(wǎng)控制室的交換機(jī)上,以完成對PLC系統(tǒng)CPU的訪問.而輔控網(wǎng)的服務(wù)器也是通過光纖訪問子系統(tǒng)的以太網(wǎng)模塊.這樣,系統(tǒng)很容易造成擁塞。 　　 沁北電廠輔控網(wǎng)創(chuàng)造性地采用了雙層的通訊模式.即子系統(tǒng)的本地上位機(jī)通過安裝在上位機(jī)內(nèi)的SA85卡連接到CPU的MB+ 口上組成現(xiàn)場控制層的MB+網(wǎng), 而輔控網(wǎng)核心的服務(wù)器通過100M光纖以太網(wǎng)訪問現(xiàn)場QUANTUM PLC的CPU。 　　 MB+網(wǎng)是Modbus plus網(wǎng)絡(luò)的簡稱，它是由Modicon公司開發(fā)的為工業(yè)控制應(yīng)用的令牌總線型以太網(wǎng)。同時，MB+網(wǎng)又是一個本地網(wǎng)絡(luò)，它允許主計(jì)算機(jī)、可編程控制器和其他數(shù)據(jù)源以對等方式進(jìn)行通信，適用于工業(yè)控制領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)總線采用單/ 雙電纜布局，可連接至多64 個可尋址節(jié)點(diǎn)，傳輸速率達(dá)1Mbps。ＭＢ＋網(wǎng)具有高速、對等通信結(jié)構(gòu)簡單、安裝費(fèi)用低等特點(diǎn)。將現(xiàn)場控制層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為MB+網(wǎng)，具有以下的優(yōu)點(diǎn)： 　　■網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)簡單明了，易于安裝，費(fèi)用低廉。 　　■網(wǎng)絡(luò)中各PLC系統(tǒng)是對等的MB+網(wǎng)絡(luò)從站，是提供被監(jiān)控參數(shù)的站點(diǎn)；各監(jiān)控計(jì)算機(jī)是對等的MB+網(wǎng)絡(luò)主站，是網(wǎng)絡(luò)通信中令牌的占用者、控制者。各監(jiān)控計(jì)算機(jī)可對MB+網(wǎng)絡(luò)中的任意QUANTUM PLC系統(tǒng)所控制的生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。 　　■因其對等性，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各監(jiān)控系統(tǒng)對各PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的任意性，使得各監(jiān)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)際可互為備用，且網(wǎng)絡(luò)設(shè)備易于擴(kuò)展、更換。 　　■網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信速率高，控制實(shí)時性能力強(qiáng)，不會導(dǎo)致控制滯后。 　　 MB+網(wǎng)不僅硬件配置方便、軟件編程簡單，而且SA85卡和QUANTUM PLC上的MB+網(wǎng)的接口還提供了錯誤指示燈，根據(jù)燈閃爍的頻率和和次數(shù)的不同還可以方便地判斷出問題的根源，這樣就保證了維護(hù)人員在較短的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障、解決問題。從現(xiàn)場的綜合使用情況來看，由QUANTUM PLC和上位機(jī)組成的現(xiàn)場MB+網(wǎng)不僅調(diào)試方便、維護(hù)簡單而且可靠性高。 　　 輔控網(wǎng)監(jiān)控層是基于TCP/IP的以太網(wǎng)技術(shù)。該層中通過各個子網(wǎng)系統(tǒng)的交換機(jī)或冗余機(jī)架上的NOE模塊上的光纖接口連接到輔控網(wǎng)的核心交換機(jī)上組成快速百兆以太網(wǎng)。當(dāng)運(yùn)行人員發(fā)出操作指令時，系統(tǒng)通過服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫迅速定位到相應(yīng)子網(wǎng)系統(tǒng)的CPU上，通過QUANTUM PLC中的程序控制現(xiàn)場相應(yīng)設(shè)備的啟動和停止。 　　 總之，在沁北輔控網(wǎng)中，通過把現(xiàn)場監(jiān)控層和輔控網(wǎng)控制層中的上位機(jī)和QUANTUM PLC設(shè)置為不同的通訊方式，使得輔控網(wǎng)的擁塞和碰撞大大地減少，這樣就減輕了輔控網(wǎng)控制層的負(fù)擔(dān)，完全避免了以往輔控網(wǎng)系統(tǒng)中現(xiàn)場監(jiān)控層和輔控網(wǎng)控制層的擁塞和網(wǎng)絡(luò)碰撞,同時由于現(xiàn)場分系統(tǒng)的上位機(jī)完全隔離,不能互相訪問也大大增強(qiáng)了各個子系統(tǒng)的安全性。由于輔控網(wǎng)和就地控制網(wǎng)之間采用了不同的通訊方式,最大限度的保證了系統(tǒng)可靠性：即如果就地監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)崩潰，輔網(wǎng)完全可以進(jìn)行監(jiān)控，反之，輔網(wǎng)崩潰，就地監(jiān)控上位機(jī)也可以正常工作。 　　 應(yīng)用總結(jié) 　　 作為華能沁北輔控網(wǎng)的現(xiàn)場控制設(shè)備，施耐德QUANTUM PLC以其優(yōu)越的性能在數(shù)據(jù)采集和控制方面發(fā)揮著積極的作用。其中CPU 53414更是單機(jī)支持超過300個回路和高達(dá)65000點(diǎn)I/O，背板總線速率更是高達(dá)80M。同時QUANTUM系統(tǒng)提供了IEC要求的全部五種編程方式：LD、FBD、SFC、ST和IL，完全滿足了現(xiàn)場用戶的各種需求。現(xiàn)場控制層的MB+總線型網(wǎng)絡(luò)和核心控制層的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)避免了傳統(tǒng)輔控網(wǎng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)擁塞、減輕了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)、隔離了各個輔控網(wǎng)的子系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的安全性和可靠性大大提升。 　　 本項(xiàng)目合同額為335萬，經(jīng)輔控網(wǎng)整合后，所有輔機(jī)子系統(tǒng)現(xiàn)場達(dá)到無人職守，每個值僅有監(jiān)控主值2人，現(xiàn)場巡檢3人，電廠用五班制，加上管理人員，不到30名工作人員就可以監(jiān)控所有的系統(tǒng)。而過去每個子系統(tǒng)至少每值需要1-2人或是更多人值班、巡檢，每值至少20人以上，工作人員達(dá)100多人以上。總共可節(jié)省人員70-90人，每人每年5萬元，企業(yè)每年可直接減少開支近400萬元。由于安全性以及管理決策便利間接帶來的經(jīng)濟(jì)效益更是巨大的。同時輔控網(wǎng)系統(tǒng)從根本上改變了傳統(tǒng)電廠輔機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行模式，為電力系統(tǒng)的自動化打開了一個新的領(lǐng)域。