基于PLC的火力發(fā)電廠現(xiàn)地控制單元的研究

1引言
為使火力發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組的可靠性達(dá)到更高水平，特別是滿足大型骨干火力發(fā)電廠“無人值班”(少人值守)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的要求控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，機(jī)組現(xiàn)地控制單元(LCU)應(yīng)有較高的冗余度?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種基于西門子s7—400系列可編程邏輯控制器(PLC)的機(jī)組LCU雙冗余控制?？刂破鞯娜哂嗍怯?jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制的一大優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)各控制系統(tǒng)和設(shè)計(jì)方案的不同，控制器的冗余主要有以下方式：
(1)1：1冗余方式：即用2個(gè)完全相同的控制器，其中一個(gè)作為主控制器承擔(dān)全部監(jiān)視控制任務(wù)，另一個(gè)備用。在主控制器故障情況下www.cechina.cn，無須人工干預(yù)即可自動(dòng)切換至備用控制器工作，使整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生停滯。
(2)N+I冗余方式：在一個(gè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，包含N+1個(gè)控制器，其中N個(gè)為主控制器，1個(gè)為備用控制器。不論N個(gè)主控制器中哪一個(gè)出現(xiàn)故障，均能立即切換到備用控制器，使故障的主控制器自動(dòng)退出并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
(3)多控制系統(tǒng)的冗余方式：把重要控制回路的軟件組態(tài)分別存放在2個(gè)完全獨(dú)立的控制系統(tǒng)中，每個(gè)控制器的CPU可接管其他系統(tǒng)的i/o信號(hào)。多控制系統(tǒng)互為冗余方式，使得每個(gè)重要的控制對(duì)象都有2個(gè)互為冗余的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
上述3種方式中，方式1成本最高，方式2要求備用控制器能滿足所有主控制器的要求，方式3成本較低。本文以方式3說明LCU的冗余設(shè)計(jì)。
2 LCU的冗余結(jié)構(gòu)
雙機(jī)熱備的實(shí)現(xiàn)包括硬件方式和軟件方式。硬件方式如西門子S 7—417H系列、旖耐德公司Ouantum系列、通用電氣公司GE90—70系列可實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備等：軟件方式如西門子s7—3152DP以上系列PLC、通用電氣公司GE90—30系列PLC等。不管哪種方式，都要保證切換過程中控制連續(xù)進(jìn)行、數(shù)據(jù)不丟失，這一點(diǎn)非常重要。本設(shè)計(jì)中采用了西門子s7 412系列PLC軟件雙機(jī)熱備結(jié)構(gòu)。當(dāng)1號(hào)機(jī)LCU主控CPU故障或電源失去時(shí)，2號(hào)機(jī)主控CPU自動(dòng)接管l號(hào)機(jī)LCU分布式遠(yuǎn)程I/O模塊，從而大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。
LCU交換數(shù)據(jù)的設(shè)備通過PROFIBUS總線橋連接到LCU的PROFIBUS總線上，2臺(tái)機(jī)組LCU采用西門子s7—412作為CPU模塊，一個(gè)IMl53分布式遠(yuǎn)程i/o接口模塊連接本機(jī)LCU的PLC—cPU的DP模塊，另一個(gè)IMl53分布式遠(yuǎn)程I/O接口模塊連接相鄰機(jī)組LCU的PLC—CPU的DP模塊，通過PROFIBUS總線構(gòu)成多控制器冗余結(jié)構(gòu)。
LCU與監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)采用光纖以太網(wǎng)方式連接，雖然單網(wǎng)的可靠性已經(jīng)很高，但考慮到其他不可預(yù)見的因素，本系統(tǒng)采用雙光纖以太網(wǎng)。從LCU(PLC)而言，它的雙光纖以太網(wǎng)工作方式不需要切換，而且是同時(shí)工作的方式，一旦1號(hào)網(wǎng)故障，2號(hào)網(wǎng)可以零時(shí)間切換過去控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，從而獲得很高的性能。這由PLC的以太網(wǎng)模塊來實(shí)現(xiàn)。
3 PLC系統(tǒng)軟件冗余的說明與實(shí)現(xiàn)
為實(shí)現(xiàn)LCU的冗余，PLC冗余系統(tǒng)需包括：
(1)1套STEP7編程軟件(V5.X)加軟冗余軟件包(V1.x)：
(2)2套PLC及I/0模塊，可以是s7—300或s7—400系統(tǒng)：
(3)3條通信鏈路，即主系統(tǒng)與從站通信鏈路(PROFIBUS 1)、備用系統(tǒng)與從站通信鏈路(PROFIBUS 2)、主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步通信鏈路(MPI，PROFIBUS或以太網(wǎng))：
(4)若干個(gè)ET200從站，每個(gè)從站包括2個(gè)IMl53—2接口模塊和若干個(gè)I/0模塊：
電纜、PROFIBUS總線鏈接器等。
系統(tǒng)由2套獨(dú)立的s7—412PLC系統(tǒng)組成www.cechina.cn，實(shí)現(xiàn)以下功能：主機(jī)架電源、背板總線等冗余：PLC處理器冗余：PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)冗余(包括通信接口、總線接頭、總線電纜的冗余)：ET200從站的通信接口模塊IMl53—2冗余。
軟冗余系統(tǒng)由A和B這2套PLC控制系統(tǒng)組成。開始時(shí)，A系統(tǒng)為主，B系統(tǒng)備用：當(dāng)主系統(tǒng)A中的任何一個(gè)組件出錯(cuò)，控制任務(wù)會(huì)自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)B中執(zhí)行，這時(shí)，B系統(tǒng)為主，A系統(tǒng)備用。這種切換過程是包括電源、CPU、通信電纜和IMl53接口模塊的整體切換。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，即使沒有任何組件出錯(cuò)，操作人員也可以通過設(shè)定控制字，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的主、備系統(tǒng)切換，這對(duì)于控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)整、更換和擴(kuò)容非常有用。
4冗余系統(tǒng)的工作原理
在軟冗余系統(tǒng)工作時(shí)，A、B控制系統(tǒng)(處理器、通信、I/o)獨(dú)立運(yùn)行，由主系統(tǒng)的PLC掌握對(duì)ET200從站中I/O的控制權(quán)。A、B系統(tǒng)中的PLC程序由非冗余用戶程序段和冗余用戶程序段組成，主系統(tǒng)PLC執(zhí)行全部用戶程序，備用系統(tǒng)PLC只執(zhí)行非冗余用戶程序段，跳過冗余用戶程序段。其中主系統(tǒng)的CPU將數(shù)據(jù)同步到備用系統(tǒng)的CPU需要幾個(gè)程序掃描循環(huán)。
數(shù)據(jù)同步所需要的時(shí)間取決于同步數(shù)據(jù)量的大小和同步所采用的網(wǎng)絡(luò)方式，MPI方式周期最長(zhǎng)，PROFIBUS方式適中，以太網(wǎng)方式最快。本文設(shè)計(jì)中采用以太網(wǎng)同步方式，PLC需要在初始化程序中定義冗余部分的數(shù)據(jù)區(qū)，該數(shù)據(jù)區(qū)可以包括：一個(gè)過程映像區(qū)、一個(gè)定時(shí)器區(qū)、一個(gè)計(jì)數(shù)器區(qū)、一個(gè)位地址區(qū)和‘個(gè)數(shù)據(jù)塊區(qū)。s7—412PLC同步的最大數(shù)據(jù)量為64kB。若主系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則主系統(tǒng)向備用系統(tǒng)的切換時(shí)間為：故障檢測(cè)診斷時(shí)間+同步數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間+DP從站切換時(shí)間。如果CPU發(fā)生停機(jī)或斷電故障，則故障診斷時(shí)間約為lOOms～500ins，s7—412PLc同步lkB數(shù)據(jù)所需時(shí)間約為200ms～300ms，8個(gè)DP從站的切換時(shí)間約為lOOms。無論控制程序循環(huán)掃描到哪里，當(dāng)前激活的系統(tǒng)(即主系統(tǒng))會(huì)隨時(shí)接收并處理報(bào)警，而主系統(tǒng)A與備用系統(tǒng)B切換過程中產(chǎn)生的報(bào)警信息存在被丟失的可能。
5電源冗余
電源是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，通常包括主機(jī)及網(wǎng)絡(luò)電源、LCU控制器電源和I/o模塊工作電源。這些電源主要對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、各控制模塊、I/0模塊和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如變送器、信號(hào)反饋、控制操作等)供電，一旦發(fā)生故障，會(huì)使整個(gè)控制系統(tǒng)癱瘓，造成重大損失。所以，在監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要慎重考慮每個(gè)電源的容量，使其具有一定的裕度，而且要考慮各個(gè)電源單元的可靠性。為此，在LCU各個(gè)部分均采用雙回路冗余電源供電方式CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，部分環(huán)節(jié)還采用了雙路電源自動(dòng)切換回路，以保證系統(tǒng)電源正常工作。
結(jié)語
計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU的冗余方式是多種多樣的，可選擇的硬件設(shè)備也較多，這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了許多方便和選擇余地。本文介紹了一種火力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU的冗余實(shí)現(xiàn)方式，可以大大提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要根據(jù)生產(chǎn)過程和控制對(duì)象的實(shí)際情況，在保證系統(tǒng)應(yīng)有的可靠性的前提下，充分合理地考慮系統(tǒng)的性價(jià)比，選取合適的冗余方式和硬件產(chǎn)品。