水工業(yè)使用PLC以太網(wǎng)實(shí)現對隔河巖電廠(chǎng)LCU改造

經(jīng)過(guò)多年努力，計算機監控系統在水電廠(chǎng)及其它領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛。對于水電廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，采用一套結構合理、功能完善、可靠性高、人機界面友好的計算機監控系統，是水電廠(chǎng)提高安全生產(chǎn)水平，實(shí)現“無(wú)人值班（關(guān)門(mén)運行）”的環(huán)節。非?？上驳氖?，經(jīng)過(guò)國內同行們的努力，國內計算機監控技術(shù)的發(fā)展很快，已經(jīng)接近或達到同類(lèi)產(chǎn)品的國際先進(jìn)水平。

隨著(zhù)近幾年計算機硬件、軟件的快速發(fā)展，國內計算機監控技術(shù)不斷得到發(fā)展。本文作者參加了清江隔河巖水電廠(chǎng)計算機監控系統改造工程，現就該廠(chǎng)LCU改造的特點(diǎn)，改造中所采用的新技術(shù)及LCU新型結構，進(jìn)行初步探索，談一下個(gè)人的看法，不當之處，希望批評指正。

1.監控系統改造的目標

隔河巖水電廠(chǎng)原采用加拿大的計算機監控系統，已穩定運行多年，為該廠(chǎng)安全生產(chǎn)及創(chuàng )國內一流水電廠(chǎng)作出了應有的貢獻。但隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展，對電力系統、對電廠(chǎng)的要求越來(lái)越高，向國際的一流水電廠(chǎng)的技術(shù)、管理水平看齊，創(chuàng )建國際一流水電廠(chǎng)，從而實(shí)現管理水平高、技術(shù)先進(jìn)、人員進(jìn)一步精練、關(guān)門(mén)運行的目標，勢在必行。一方面，原有的系統功能已不能滿(mǎn)足要求，另一方面備品備件訂貨越來(lái)越困難，而且價(jià)格非常高，對電廠(chǎng)的安全運行形成隱患。為此對老系統必須進(jìn)行更新改造，以便為創(chuàng )國際一流水電廠(chǎng)打下堅實(shí)的基礎。對于LCU，改造的方法是：現地設備僅保留原有的盤(pán)柜柜體、自動(dòng)準同期裝置和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、現場(chǎng)安裝調試等改造工作，本文是對改造工作的總結和思考。

2.LCU改造的特點(diǎn)

2.1控制流程方式不同

原監控系統是加拿大CAE研制的，CAE的模式與國內的一貫做法有很大差異。比如，開(kāi)機有九大步，停機也有九大步。對于常規水電廠(chǎng)的機組，而我們的一貫做法是五態(tài)轉換，所謂五態(tài)即停機態(tài)、空轉態(tài)、空載態(tài)、發(fā)電態(tài)、不定態(tài)（前四種狀態(tài)中過(guò)渡狀態(tài)稱(chēng)為不定態(tài)）。（對于有調相任務(wù)的機組，還有調相態(tài);對于抽水蓄能機組，還有水泵態(tài);但不在討論的常規機組范圍之內。）機組一定處于五種狀態(tài)之中。機組的開(kāi)機、停機、解列、解列后并網(wǎng)等操作，不過(guò)就是機組在的停機態(tài)、空轉態(tài)、空載態(tài)、發(fā)電態(tài)四種狀態(tài)間的轉換。雖然兩種表示方法實(shí)質(zhì)是一致的，但習慣于五態(tài)轉換的人，要熟悉開(kāi)機、停機各九大步，需要一定的時(shí)間?？紤]到電廠(chǎng)從運行人員到檢修維護人員都諳熟這開(kāi)、停機九大步這一因素，雖然編程與調試都需要付出較大的努力去適應，還是采用了原來(lái)的開(kāi)、停機九大步形式，以方便電廠(chǎng)人員的運行與維護。

2.2使用結構化文本語(yǔ)言來(lái)編程

原有計算機監控系統的LCU的程序是使用文本化語(yǔ)言編寫(xiě)的，它的風(fēng)格與C語(yǔ)言相類(lèi)似。與機組開(kāi)停機形式采用各九大步相類(lèi)似，由于電廠(chǎng)維護人員熟悉文本化語(yǔ)言，要求全部采用文本化的編程語(yǔ)言編寫(xiě)LCU的程序。在使用可編程控制器（以下稱(chēng)為PLC）時(shí)，我們通常使用梯形圖的語(yǔ)言。它的好處是編程易學(xué)、直觀(guān)、與電氣二次展開(kāi)圖極為相似，非常適合電廠(chǎng)人員掌握，可以使現場(chǎng)維護人員方便的進(jìn)行對程序的維護。在隔河巖計算機監控系統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。該軟件支持國際電工委員會(huì )IEEE1131的標準的全部五種語(yǔ)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結構化文本）和IL（Instruction pst指令表）五種語(yǔ)言。前三種語(yǔ)言是圖形方式，后兩種是文本方式。由于指令表IL語(yǔ)言指令的特點(diǎn)，具有可讀性差，指令簡(jiǎn)單，不直觀(guān)，可移植能力差，非結構化文本（有JUMP指令），數據處理能力不強（無(wú)循環(huán)FOR語(yǔ)句），只能適合較小規模的控制。ST語(yǔ)言是一種結構化的文本語(yǔ)言。它與C語(yǔ)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(yǔ)句，數據處理能力非常強，沒(méi)有GOTO、 JUMP或類(lèi)似的指令。因此，它的移植性很好,有利于程序的標準化。它與FBD、LD、SFC相比，不夠直觀(guān)，與電氣二次展開(kāi)圖相去較遠。另外，它的不足之處是占用較多內存且掃描周期要長(cháng)一些（均與FBD、LD、SFC相比）。上面提到了LD語(yǔ)言的一些優(yōu)點(diǎn)，FBD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(yǔ)句，數據處理能力不夠強。根據我個(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相結合;（3）使用ST與LD相結合。（2）和（3）兩種方法能夠將兩種語(yǔ)言的特點(diǎn)結合起來(lái)，是比較好的方式。因為用數據處理能力強的文本化語(yǔ)言處理數據，用直觀(guān)性好的LD或FBD編制順控流程，現場(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。

但是對于熟悉使用C語(yǔ)言或類(lèi)似C語(yǔ)言的其它文本化語(yǔ)言的工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，或者對于特別復雜的順控流程用LD或FBD實(shí)現很困難的情況，使用結構化文本ST語(yǔ)言是一個(gè)明智的選擇。隔河巖的情況就是這樣，他們原來(lái)加拿大CAE計算機監控的LCU的全部流程是用類(lèi)似C語(yǔ)言的文本化的語(yǔ)言編制的，他們的機組順控流程也很復雜，因此電廠(chǎng)要求所有流程使用ST語(yǔ)言編制。這樣，改造后的LCU的程序，與原來(lái)的程序風(fēng)格上接近，電廠(chǎng)的技術(shù)人員比較容易理解和維護。實(shí)踐證明，選擇ST語(yǔ)言是正確的。

2.3 PLC直接上網(wǎng)

經(jīng)過(guò)多年探索和實(shí)踐，計算機監控系統普遍采用分層、分布的系統結構，也就是按照被控設備分成單元，即LCU?，F在較為普遍的LCU一般由工控機、控制器（PLC：用于數據采集和控制）、自動(dòng)準同期裝置、轉速裝置、變送器、電源等附件組成。工控機作為計算機監控系統內部網(wǎng)上的一個(gè)結點(diǎn)，各種數據經(jīng)過(guò)工控機送到網(wǎng)上各個(gè)結點(diǎn)，控制命令經(jīng)工控機下達到控制器等設備。因此工控機的可靠性顯得非常重要。雖然工控機是工控產(chǎn)品，由于它的風(fēng)扇、硬盤(pán)驅動(dòng)器、軟驅等旋轉部件的存在，可靠性就有所降低。針對這種情況，人們把眼光紛紛投向以太網(wǎng)，考慮PLC的直接上網(wǎng)。

現在國際上知名的幾大廠(chǎng)家的PLC均能夠實(shí)現直接上網(wǎng)，如施耐德公司全線(xiàn)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(mén)子公司的有關(guān)PLC、羅克韋爾PLC的有關(guān)系列控制器。

在隔河巖計算機監控改造工程中，采用了直接上網(wǎng)的形式。但它的結構還是符合分層分布（單元）式的結構原則。這種結構是符合“無(wú)人值班（關(guān)門(mén)運行）”的目標的。

2.4 冗余結構

雙機熱備冗余

現在PLC的可靠性是很高的，但為了把大型、特大型機組的可靠性提高到更高的水平，特別是滿(mǎn)足隔河巖這種大型骨干電廠(chǎng)“無(wú)人值班（關(guān)門(mén)運行）”對 LCU的要求，同時(shí)也利于維護（一臺運行，另一臺可處于編程狀態(tài)），采用了雙機（CPU）熱備結構。雙機熱備的實(shí)現有兩種放方式，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雙機熱備、通用電氣公司GE90-70系列雙機熱備等;軟件方式通用電氣公司GE90-30系列雙機熱備有一般硬件的方式性能比較好。但是不管那種方式，都要達到無(wú)擾切換

也就是切換的過(guò)程要保證控制連續進(jìn)行、數據不丟失。這一點(diǎn)是非常重要的。

在隔河巖計算機監控改造工程中，采用了施耐德公司Quantum系列PLC雙機熱備結構。當主控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)現無(wú)擾切換。當進(jìn)行維護時(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。