使用PLC以太网实现对隔河岩电厂LCU改造

　　经过多年努力，计算机监控系统在水电厂及其它领域的应用越来越广泛。对于水电厂来说，采用一套结构合理、功能完善、可靠性高、人机界面友好的计算机监控系统，是水电厂提高安全生产水平，实现“无人值班（关门运行）”的环节。非常可喜的是，经过国内同行们的努力，国内计算机监控技术的发展很快，已经接近或达到同类产品的国际先进水平。
　　随着近几年计算机硬件、软件的快速发展，国内计算机监控技术不断得到发展。本文作者参加了清江隔河岩水电厂计算机监控系统改造工程，现就该厂LCU改造的特点，改造中所采用的新技术及LCU新型结构，进行初步探索，谈一下个人的看法，不当之处，希望批评指正。
　　1、监控系统改造的目标
　　隔河岩水电厂原采用加拿大的计算机监控系统，已稳定运行多年，为该厂安全生产及创国内一流水电厂作出了应有的贡献。但随着国民经济的发展，对电力系统、对电厂的要求越来越高，向国际的一流水电厂的技术、管理水平看齐，创建国际一流水电厂，从而实现管理水平高、技术先进、人员进一步精练、关门运行的目标，势在必行。一方面，原有的系统功能已不能满足要求，另一方面备品备件订货越来越困难，而且价格非常高，对电厂的安全运行形成隐患。为此对老系统必须进行更新改造，以便为创国际一流水电厂打下坚实的基础。对于LCU，改造的方法是：现地设备仅保留原有的盘柜柜体、自动准同期装置和24V电源、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作为控制器。中国水利水电科学研究院自动化所提供了五套LCU，本文作者参加了LCU的研制、现场安装调试等改造工作，本文是对改造工作的总结和思考。
　　2、LCU改造的特点
　　2.1控制流程方式不同
　　原监控系统是加拿大CAE研制的，CAE的模式与国内的一贯做法有很大差异。比如，开机有九大步，停机也有九大步。对于常规水电厂的机组，而我们的一贯做法是五态转换，所谓五态即停机态、空转态、空载态、发电态、不定态（前四种状态中过渡状态称为不定态）。（对于有调相任务的机组，还有调相态；对于抽水蓄能机组，还有水泵态；但不在讨论的常规机组范围之内。）机组一定处于五种状态之中。机组的开机、停机、解列、解列后并网等操作，不过就是机组在的停机态、空转态、空载态、发电态四种状态间的转换。虽然两种表示方法实质是一致的，但习惯于五态转换的人，要熟悉开机、停机各九大步，需要一定的时间。考虑到电厂从运行人员到检修维护人员都谙熟这开、停机九大步这一因素，虽然编程与调试都需要付出较大的努力去适应，还是采用了原来的开、停机九大步形式，以方便电厂人员的运行与维护。
　　2.2使用结构化文本语言来编程
　　原有计算机监控系统的LCU的程序是使用文本化语言编写的，它的风格与C语言相类似。与机组开停机形式采用各九大步相类似，由于电厂维护人员熟悉文本化语言，要求全部采用文本化的编程语言编写LCU的程序。在使用可编程控制器（以下称为PLC）时，我们通常使用梯形图的语言。它的好处是编程易学、直观、与电气二次展开图极为相似，非常适合电厂人员掌握，可以使现场维护人员方便的进行对程序的维护。在隔河岩计算机监控系统LCU部分改造中，采用了施耐德（Shneider）公司的Quantum 系列PLC，编程软件采用Concept2.2.该软件支持国际电工委员会IEEE1131的标准的全部五种语言，即：支持FBD（Function Block Diagram功能块图）、SFC（Sequential Function Chart顺序功能图）、LD（Laddar Diagram梯形图）、ST（Structured Text结构化文本）和IL（Instruction pst指令表）五种语言。前三种语言是图形方式，后两种是文本方式。由于指令表IL语言指令的特点，具有可读性差，指令简单，不直观，可移植能力差，非结构化文本（有JUMP指令），数据处理能力不强（无循环FOR语句），只能适合较小规模的控制。ST语言是一种结构化的文本语言。它与C语言很相似。它不仅具有丰富的逻辑处理能力，它还具有IF、CASE、FOR、WHILE、REPEAT、EXIT、EMPTY等语句，数据处理能力非常强，没有GOTO、JUMP或类似的指令。因此，它的移植性很好，有利于程序的标准化。它与FBD、LD、SFC相比，不够直观，与电气二次展开图相去较远。另外，它的不足之处是占用较多内存且扫描周期要长一些（均与FBD、LD、SFC相比）。上面提到了LD语言的一些优点，FBD图与电气二次的原理图更接近。FBD、SFC、LD都不具备IF、CASE、FOR、WHILE、REPEAT、EXIT、EMPTY等语句，数据处理能力不够强。根据我个人使用情况，比较可取的方法有：（1）全部使用ST；（2）使用ST与FBD相结合；（3）使用ST与LD相结合。（2）和（3）两种方法能够将两种语言的特点结合起来，是比较好的方式。因为用数据处理能力强的文本化语言处理数据，用直观性好的LD或FBD编制顺控流程，现场的技术人员能够比较容易接受、容易理解、容易接受。现场的技术人员最关心的是顺控流程。我个人比较倾向于（3）的方式。
　　但是对于熟悉使用C语言或类似C语言的其它文本化语言的工程技术人员来说，或者对于特别复杂的顺控流程用LD或FBD实现很困难的情况，使用结构化文本ST语言是一个明智的选择。隔河岩的情况就是这样，他们原来加拿大CAE计算机监控的LCU的全部流程是用类似C语言的文本化的语言编制的，他们的机组顺控流程也很复杂，因此电厂要求所有流程使用ST语言编制。这样，改造后的LCU的程序，与原来的程序风格上接近，电厂的技术人员比较容易理解和维护。实践证明，选择ST语言是正确的。
　　2.3 PLC直接上网
　　经过多年探索和实践，计算机监控系统普遍采用分层、分布的系统结构，也就是按照被控设备分成单元，即LCU.现在较为普遍的LCU一般由工控机、控制器（PLC：用于数据采集和控制）、自动准同期装置、转速装置、变送器、电源等附件组成。工控机作为计算机监控系统内部网上的一个结点，各种数据经过工控机送到网上各个结点，控制命令经工控机下达到控制器等设备。因此工控机的可靠性显得非常重要。虽然工控机是工控产品，由于它的风扇、硬盘驱动器、软驱等旋转部件的存在，可靠性就有所降低。针对这种情况，人们把眼光纷纷投向以太网，考虑PLC的直接上网。现在国际上知名的几大厂家的PLC均能够实现直接上网，如施耐德公司全线的Quantum系列、Premium系列等、通用电气公司GE90-70系列、GE90-30系列、VersaMAX系列等、西门子公司的有关PLC、罗克韦尔PLC的有关系列控制器。
　　在隔河岩计算机监控改造工程中，采用了直接上网的形式。但它的结构还是符合分层分布（单元）式的结构原则。这种结构是符合“无人值班（关门运行）”的目标的。
　　2.4 冗余结构
　　双机热备冗余
　　现在PLC的可靠性是很高的，但为了把大型、特大型机组的可靠性提高到更高的水平，特别是满足隔河岩这种大型骨干电厂“无人值班（关门运行）”对LCU的要求，同时也利于维护（一台运行，另一台可处于编程状态），采用了双机（CPU）热备结构。双机热备的实现有两种放方式，一是硬件方式，一是软件方式。硬件方式如施耐德公司Quantum系列PLC双机热备、通用电气公司GE90-70系列双机热备等；软件方式通用电气公司GE90-30系列双机热备有一般硬件的方式性能比较好。但是不管那种方式，都要达到无扰切换。也就是切换的过程要保证控制连续进行、数据不丢失。这一点是非常重要的。
　　在隔河岩计算机监控改造工程中，采用了施耐德公司Quantum系列PLC双机热备结构。当主控CPU故障或电源失去时，自动切换到备用CPU，备用CPU自动升为主控CPU，实现无扰切换。当进行维护时，可以手动进行主、备单元的切换。这样，可以提高可靠性指标。
　　光纤以太网冗余
　　对于LCU来说，它与系统的其它结点的连接方式，或说组网方式，现在普遍采用以太网，而且采用光纤作为介质。单网的可靠性已经很高，但考虑其它不可预见的机械物理上的等因数，可以考虑采用双光纤以太网。
　　隔河岩计算机监控系统采用了双光纤以太网。从LCU（PLC）而言，它的双光纤以太网工作方式不需要切换，而且是同时工作（ALL IN WORKING）的方式。这样，不需要切换，一旦一号网故障，二号网可以零时间切换过去。由此可以获得很高的性能。这是由Quantum系列PLC的以太网实现的功能。
　　与远程机箱的联结电缆冗余
　　一般情况，一个LCU单元需要几个扩展机箱。如隔河岩项目，它有五个扩展机箱。在Quantum系列PLC上，它有两种连接方式，一种是远程RIO（Remote Input/Output）方式，一种是分布DIO（DistributedInput/Output）方式。隔河岩项目采用的是RIO方式，它的扩展机箱称为远程站（RemoteDrop）。
　　一般情况下，主机箱采用与扩展机箱采用单缆连接已经足够。但采用双缆可以获得更高的可靠性。如在龙羊峡水电厂，单机32万千瓦，PLC的主机箱在上游侧，其中一个远程站在下游侧。在该电站，采用双缆连接主机箱与该远程站，一跟从左侧走线，一跟从右侧走线，这样一旦一侧有火灾、机械损伤等不可预见性的因素，不影响系统的正常运行。
　　在隔河岩计算机监控改造工程中，也采用了双缆的结构。
　　输入冗余
　　一般来说，输入的冗余应该采用三取二的方法，即少数服从多数的方法。通用电气公司GE系列PLC 有这样的硬件结构，从CPU、输入、输出都三重冗余，以满足可靠性极高的情形，如冶金领域的高炉。但是它的投资大，在水电行业实在没有必要。但是，对于少数重要的信号，如用于事故停机、紧急事故停机的信号、重要设备如出口断路器的状态信号有两路信号输入，就存在如何处理的问题。在隔河岩计算机监控改造工程中，就遇到这样的问题。处理的方法是采用安全倾向因子，在不同的状态、过程中，可以采用不同的安全倾向因子，这样用一对冗余信号加一组安全倾向因子，就可以得到在不同的状态、过程中一组信号。一个安全倾向因子可以是几个甚至更多个信号的逻辑运算结果。
　　5）输出冗余
　　对于部分重要设备，如灭磁开关、出口断路器，为保证其在任何情况下的高可靠性动作，需要对每一个这样的设备配置两个开出通道，即配置冗余的通道，已保证其可靠性。有些电厂的出口断路器。如隔河岩的，分闸就是两个线圈，正常工作线圈和后备线圈，任何一个线圈励磁，断路器都会分闸。实际上就是设备的冗余。国电公司在“无人值班（关门运行）征求意见稿”中有过这样的要求。
　　一般，冗余的通道动作策略有两种：
　　一种是采用两个冗余通道同时动作的策略；
　　另一种是采用在第一个通道动作失败后，冗余的第二通道再动做的策略。
　　显然同时动作不是很好，因为正常情况下，设备会正常动作。这种情况下，第二通道动作没有必要，可能造成第一通道动作失败后，第二冗余通道动作不能正常动作。
　　采用后一种办法较好。监视第一个通道动作，在一定时间内，状态没有反馈回来，第二通道动作。这样，第二通道几乎没有“表现的机会”，一旦让他表演，他会“准确而恰如其分地表演”。 在隔河岩计算机监控改造工程中，就是采用这种方案，取得了比较理想的效果。
　　电源的冗余
　　电源的重要性不言而喻。再好的设备，不提供电源，什么都无从谈起。在隔河岩计算机监控改造工程中，采用了电源冗余技术。隔河岩电厂的主电源为DC110V，I/O电源为DC24V.在远程站中，采用两块电源模块相冗余，在CPU机箱采用单电源（每一个CPU机箱占用独立的底板）。电厂提供两路DC110V电源，一路DC110V电源提供给其中一个CPU机箱电源模块和远程站的一个电源模块，另一路DC110V电源提供给另一个CPU机箱电源和远程站的另一个电源模块。两路DC110V各通过DC/DC转换产生DC24V，两路DC24V之间形成冗余。正常情况下，两路DC110V都供电，两个CPU机箱一主一备正常工作，DC24V正常工作，远程站上的两块电源各承担该机箱一半负荷。当一路DC110V故障时，其中一个CPU机箱能够正常工作（当备用CPU机箱上电源失去时，没有什么操作，也没有什么影响。当主用CPU失去电源时，备用CPU无扰动切成主CPU），一路DC24V正常工作，远程站上的其中一块电源承担该机箱全部负荷。这样就实现了电源的冗余。
　　2.5 交流采样与变送器
　　交流采样的使用越来越多，大有代替变送器的趋势。但是，现在对于交流采样的理解不是那么清楚。隔河岩计算机监控改造工程中，关于交流采样与变送器处理与使用是比较恰当的、合适的，是值得其它电站（厂）借鉴的。这里所说的合理与恰当，当然指的是交流量的处理，因为现在对于直流及非电量只能采用变送器进行采集处理。具体处理方法是：对于机组同期、机组有功功率、机组电压（无功功率）、导叶开限等实时性、可靠性要求高的控制环节，采用变送器。而采用交流采样装置采集发电机的三相电流、三相电压（相、线）、有功功率、无功功率、功率因数等电气参数。
　　2.6采用CableFast快速配线系统
　　按照常规的接线方式，各种I/O模块到盘柜端子需要配线。隔河岩水电厂机组单机容量大，考虑的较完善，因此I/O点数多。开关量输入有320点，开关量输出有128点，温度点数有64点，非电气模拟量输入有32点，模拟量输出8点。共有I/O模块25块，每个模块有40端子需要与端子现联，至少要有1000线需要接。但现场安装改造时间非常有限，必须采取效率更高的方法。采用施耐德的快速接线系统CableFast是一种好的解决方法。CableFast快速配线系统是施耐德公司的标准产品，它将Quantum 接线端子与端子块预先用电缆连接好，端子块可以直接安装在DIN导轨上，外部接线可以直接接在端子块上，这样就减少了配线的工作量，节省了大量时间，是一种比较好的方式。
　　2.7精心设计认真准备
　　为了使现场的配线、改造的工作量最小，也为以后的维护方便，需要精心地进行设计。合理布局，合理配置。一般外部端子接线不要改变，这样就可以减少施工时间。另外，要进行充分的准备，各种配件、各种工具等，否则就会影响工期。在隔河岩现场改造过程中，我们较好解决了这个问题，使得现场的改造、装配工作有条不紊地进行，在保障工期地前提下，使装配地工艺操作原进口设备地工艺水平，得到电厂地好评。
　　3、结语
　　在清江隔河岩水电厂现地控制单元（LCU）改造中，在结构、技术路线、实现方法上都有所创新。主要体现在水电行业首次使用QUANTUM PLC 直接上网（取消工控机），体现在采用了双机热备冗余、双网、部分I/O冗余及电源的冗余。
　　隔河岩水电厂的LCU尤其是机组LCU I/O点数多，是一般同规模机组的3到4倍。而且监控系统的改造要求高，特别是时间短。在不到三周的时间里，要进行现场安装、配线、调试，时间非常紧。经过与电厂等有关方面的积极配合，隔河岩水电厂计算机改造工程已基本完成。目前，设备运行良好，预期的目标基本实现，效果是好的。
　　作者简介：
　　刘晓波，男，中国水利水电科学研究院自动化所监控工程一部经理，高级工程师，从事计算机监控系统研制、开发、设计工作。
　　王德宽，男，中国水利水电科学研究院自动化所所长，教授级高级工程师，从事计算机监控系统研制、开发、设计工作。
　　刘晓鹏，男，中国水利水电科学研究院自动化所监控工程一部，工程师，从事计算机监控系统研制、开发、设计工作。