基于PLC的火力發(fā)電廠(chǎng)現地控制單元的研究

1引言
為使火力發(fā)電廠(chǎng)的發(fā)電機組的可靠性達到更高水平，特別是滿(mǎn)足大型骨干火力發(fā)電廠(chǎng)“無(wú)人值班”(少人值守)對監控系統的要求控制工程網(wǎng)版權所有，機組現地控制單元(LCU)應有較高的冗余度?；诖?，本文設計了一種基于西門(mén)子s7—400系列可編程邏輯控制器(PLC)的機組LCU雙冗余控制?？刂破鞯娜哂嗍怯嬎銠C監控系統現地控制的一大優(yōu)點(diǎn)，根據各控制系統和設計方案的不同，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)作為主控制器承擔全部監視控制任務(wù)，另一個(gè)備用。在主控制器故障情況下www.cechina.cn，無(wú)須人工干預即可自動(dòng)切換至備用控制器工作，使整個(gè)系統不會(huì )發(fā)生停滯。
(2)N+I冗余方式：在一個(gè)計算機監控系統中，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)出報警信號。
(3)多控制系統的冗余方式：把重要控制回路的軟件組態(tài)分別存放在2個(gè)完全獨立的控制系統中，每個(gè)控制器的CPU可接管其他系統的i/o信號。多控制系統互為冗余方式，使得每個(gè)重要的控制對象都有2個(gè)互為冗余的控制系統進(jìn)行控制，大大提高了系統的可靠性。
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(mǎn)足所有主控制器的要求，方式3成本較低。本文以方式3說(shuō)明LCU的冗余設計。
2 LCU的冗余結構
雙機熱備的實(shí)現包括硬件方式和軟件方式。硬件方式如西門(mén)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)現雙機熱備等：軟件方式如西門(mén)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(guò)程中控制連續進(jìn)行、數據不丟失，這一點(diǎn)非常重要。本設計中采用了西門(mén)子s7 412系列PLC軟件雙機熱備結構。當1號機LCU主控CPU故障或電源失去時(shí)，2號機主控CPU自動(dòng)接管l號機LCU分布式遠程I/O模塊，從而大大提高了監控系統的可靠性。
LCU交換數據的設備通過(guò)PROFIBUS總線(xiàn)橋連接到LCU的PROFIBUS總線(xiàn)上，2臺機組LCU采用西門(mén)子s7—412作為CPU模塊，一個(gè)IMl53分布式遠程i/o接口模塊連接本機LCU的PLC—cPU的DP模塊，另一個(gè)IMl53分布式遠程I/O接口模塊連接相鄰機組LCU的PLC—CPU的DP模塊，通過(guò)PROFIBUS總線(xiàn)構成多控制器冗余結構。
LCU與監控系統上位機采用光纖以太網(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見(jiàn)的因素，本系統采用雙光纖以太網(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號網(wǎng)故障，2號網(wǎng)可以零時(shí)間切換過(guò)去控制工程網(wǎng)版權所有，從而獲得很高的性能。這由PLC的以太網(wǎng)模塊來(lái)實(shí)現。
3 PLC系統軟件冗余的說(shuō)明與實(shí)現
為實(shí)現LCU的冗余，PLC冗余系統需包括：
(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：
(3)3條通信鏈路，即主系統與從站通信鏈路(PROFIBUS 1)、備用系統與從站通信鏈路(PROFIBUS 2)、主系統與備用系統的數據同步通信鏈路(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(xiàn)鏈接器等。
系統由2套獨立的s7—412PLC系統組成www.cechina.cn，實(shí)現以下功能：主機架電源、背板總線(xiàn)等冗余：PLC處理器冗余：PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )冗余(包括通信接口、總線(xiàn)接頭、總線(xiàn)電纜的冗余)：ET200從站的通信接口模塊IMl53—2冗余。
軟冗余系統由A和B這2套PLC控制系統組成。開(kāi)始時(shí)，A系統為主，B系統備用：當主系統A中的任何一個(gè)組件出錯，控制任務(wù)會(huì )自動(dòng)切換到備用系統B中執行，這時(shí)，B系統為主，A系統備用。這種切換過(guò)程是包括電源、CPU、通信電纜和IMl53接口模塊的整體切換。系統運行過(guò)程中，即使沒(méi)有任何組件出錯，操作人員也可以通過(guò)設定控制字，實(shí)現手動(dòng)的主、備系統切換，這對于控制系統的軟硬件調整、更換和擴容非常有用。
4冗余系統的工作原理
在軟冗余系統工作時(shí)，A、B控制系統(處理器、通信、I/o)獨立運行，由主系統的PLC掌握對ET200從站中I/O的控制權。A、B系統中的PLC程序由非冗余用戶(hù)程序段和冗余用戶(hù)程序段組成，主系統PLC執行全部用戶(hù)程序，備用系統PLC只執行非冗余用戶(hù)程序段，跳過(guò)冗余用戶(hù)程序段。其中主系統的CPU將數據同步到備用系統的CPU需要幾個(gè)程序掃描循環(huán)。
數據同步所需要的時(shí)間取決于同步數據量的大小和同步所采用的網(wǎng)絡(luò )方式，MPI方式周期最長(cháng)，PROFIBUS方式適中，以太網(wǎng)方式最快。本文設計中采用以太網(wǎng)同步方式，PLC需要在初始化程序中定義冗余部分的數據區，該數據區可以包括：一個(gè)過(guò)程映像區、一個(gè)定時(shí)器區、一個(gè)計數器區、一個(gè)位地址區和‘個(gè)數據塊區。s7—412PLC同步的最大數據量為64kB。若主系統出現故障，則主系統向備用系統的切換時(shí)間為：故障檢測診斷時(shí)間+同步數據傳輸時(shí)間+DP從站切換時(shí)間。如果CPU發(fā)生停機或斷電故障，則故障診斷時(shí)間約為lOOms～500ins，s7—412PLc同步lkB數據所需時(shí)間約為200ms～300ms，8個(gè)DP從站的切換時(shí)間約為lOOms。無(wú)論控制程序循環(huán)掃描到哪里，當前激活的系統(即主系統)會(huì )隨時(shí)接收并處理報警，而主系統A與備用系統B切換過(guò)程中產(chǎn)生的報警信息存在被丟失的可能。
5電源冗余
電源是計算機監控系統的關(guān)鍵部分，通常包括主機及網(wǎng)絡(luò )電源、LCU控制器電源和I/o模塊工作電源。這些電源主要對監控系統設備、各控制模塊、I/0模塊和現場(chǎng)設備(如變送器、信號反饋、控制操作等)供電，一旦發(fā)生故障，會(huì )使整個(gè)控制系統癱瘓，造成重大損失。所以，在監控系統設計時(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版權所有，部分環(huán)節還采用了雙路電源自動(dòng)切換回路，以保證系統電源正常工作。
結語(yǔ)
計算機監控系統LCU的冗余方式是多種多樣的，可選擇的硬件設備也較多，這給系統設計帶來(lái)了許多方便和選擇余地。本文介紹了一種火力發(fā)電廠(chǎng)計算機監控系統LCU的冗余實(shí)現方式，可以大大提高系統運行的可靠性。系統設計時(shí)，一定要根據生產(chǎn)過(guò)程和控制對象的實(shí)際情況，在保證系統應有的可靠性的前提下，充分合理地考慮系統的性?xún)r(jià)比，選取合適的冗余方式和硬件產(chǎn)品。