华北电力大学分散控制系统课程设计报告

1、0引言随着自动化技术的发展和电力改革的深入以及厂网分开、竞价上网的政策实施,各电厂为实现降低成本、减少设备维护成本和缩短维护周期的目标要求,现代电力系统对自动化及工通讯的需求也日益提高。另一方面,在火电厂,随着电力现场设备的增多及其自动化过程的复杂化,对辅控设备的数据采集与监控的要求也日益严格。大型火力发电厂的辅助生产车间一般均是由水网、煤网、灰网组成,每一网都可独立成一个系统,每个控制点相对分散,不利于生产数据上传到网络。随着企业对自动化要求的进一步提高,为便于生产管理者远方监控、调度、干预整个电厂的辅控车间运行的需要,达到减人增效之目的,使企业的经济效益最大化。本文介绍了华电国际邹县发电厂

2、(以下简称邹县电厂)四期工程2X1000MW机组用工业以太网实现的辅助车间控制网络系统的应用实例。工业以太网的发展状况以太网及TCP/IP通信技术在IT行业获得了很大的成功，成为IT行业应用中首选的网络通信技术,近年来已逐步向自动化行业发展,形成与现场总线技术竞争的局面,其发展状况可以归结如下2点：自动化技术从单机控制发展到工厂自动化和系统自动化。近年来,自动化技术发展使人们认识到,单纯提高生产设备单机自动化水平,并不一定能给整个企业带来好的效益;因此,对企业自动化技术提出的进一步要求是将整个工厂作为一个系统实现其自动化,其目标是实现企业的最佳经济效益。工厂底层设备状态及生产信息集成、车间底层

3、数字通信网络是信息集成系统的基础为满足工厂上层管理对底层设备信息的要求,工厂车间底层设备状态及生产信息集成是实现全厂MIS/SIS的基础。这就决定了生产信息的实时性、可靠性以及兼容性,它必将成为现代电力产业工业通讯网络的发展目标。工业以太网的特点2.1冗余性在程序控制系统中,PLC系统的专用通讯网络的冗余一直是一个比较难解决的问题，硬件方面如通讯网和通讯模块以及软件方面的通讯问题都不能解决,一旦通讯网和通讯块出现问题,整个通讯网络就会瘫痪。若通讯网络系统采用工业以太网,通过工业服务器和数据交换机,就能采用冗余配置,通过交换机,可以任意扩展通讯模块且可采用多层通讯结构。2.2开放性在控制系统中,

4、一般有2级网络,过程控制网和实时监控网。在过程控制网中,专用网络的开放性是制约PLC发展的一个重要原因，一个生产厂商的PLC不能兼容别的生产厂商的PLC,而在一个大型火力发电厂,若要统一PLC型号几乎是不可能的。采用工业以太网,就很好地解决了联网问题。目前,已经推出了工业以太网的通讯模块,也有了适用工业以太网的通讯协议,这是过程控制网采用以太网的开放性的优点。在监控网中,采用工业以太网既可以与下一级过程控制网统一通讯，又可以与厂级通讯网实现通讯（如SIS和MIS等系统），使辅助车间的信息均可在厂级通讯系统中进行监控。3扩展性系统的扩展性可体现在系统的灵活性中,而工业以太网是一个很灵活的网络,只

5、需在控制子系统中增加以太网卡和在上位机监控系统中增加以太网模块,并进行一些编程,即可实现监控。专用网的总长度一般不超过3km,而采用工业以太网的总长度可达到30km以上。2.4可靠性实际上,以太网具有更高的可靠性。在网络的通讯数据量相同时,工业以太网的负荷率比令牌网的负荷率降低50%。一般来说,专用网的通讯速率是10Mbit/s，而工业以太网速率可达到100Mbit/s,甚至1000Mbit/s,大大提高了系统监控的实时性。工业以太网在邹县电厂四期工程中的应用1系统结构邹县电厂四期工程辅助车间主要有输煤、除灰渣、中水、反渗透、化水处理、制氢站、综合水泵房、暖通等系统,输煤还包括翻车机、斗轮机及

6、煤水处理等系统。整个辅控车间系统的网络结构采用可靠性高的双冗余星型结构。双冗余星形结构较单一星形结构网络可靠性更高。辅助车间控制网络通过网络中心交换机与其他站点交换机连接,构成网络的主干。该网络采用1000Mbit/s的光纤以太网作为数据传输的媒体;而控制层采用以太网连接。网络拓扑结构采用可靠性高的双冗余的星型结构,将网络中心交换机与各站交换机用光纤连接,构成1000Mbit/s快速以太网主干，其结构如图1所示。各个辅助车间控制系统配置了2台美国Nematron上位机（小系统配置1台上位机），操作系统为Windows2000,分别作为操作管理、维护分析用途的人机界面设备,在以太网上它们是独立对

7、等节点。PLC采用法国施耐德公司昆腾系列产品,CPU为140CPU53414A。本地站必须配置ModbusPlus通信模板140NOM21200,远程I/O方案各站点必须配置适配模板，主站采用140CRP93200。远程站采用140CRA9-3200。为保证PLC系统的完整性，配备了系统所需的各种接头、分支器、终端器、电缆各车间PLC配置时I/O点裕量不小于10%,机架槽位裕量不小于10%。上位机监控软件为Intellution公司的IFIX最新3.5版本，开发版及运行版1套,使系统既有较好的运行实时性和多任务性,又有良好的开放性和稳定性。上位机监控软件应支持分布式Client/Server结

8、构，并支持冗余以太网，各辅助车间PLC结构图如图2所示。3.3网络系统各辅助车间均采用可编程序控制器（PLC）实现控制功能,并对这些车间采用联网集中监控方式，辅助车间监控网采用速率为1000Mbit/s工业以太网（光纤），网络通讯介质冗余配置，监控点设在主厂房集中控制室,即在辅助车间监控网的操作员站上完成对邹县电厂三期化学水除盐处理、邹县电厂四期化学水超滤反渗透处理、中水处理、除灰渣、制氢站、综合水泵房、空调采暖加热站等系统的监视与控制,并能对输煤程控系统进行远方监视。为在系统调试、启动初期以及生产巡检时方便运行操作,各辅助车间程控系统还设有各自的监控上位机。各辅助车间程控PLC系统与其车间监

9、控上位机的组网方式采用网速为100Mbit/s以太网。在集控室操作员站可以对所有辅助系统进行监视操作,就地操作员站只能对本系统操作进行操作。集控室操作员站与就地操作员站相互闭锁,同一时间只能由一个站操作。网络控制站点配置见表1。辅助车间网络结构图配置如图3所示。3.4网络系统技术功能介绍辅助车间控制网络采用网速为1000Mbit/s工业以太网（光纤），网络通讯介质冗余配置,控制系统网络易于组态、易于使用、易于扩展。网络系统采取有效措施以防止各类计算机病毒的侵害和数据丢失。全厂辅助车间控制网络设计按站点数不小于20个、I/O点容量不小于8000点、标签量点不小于20000点来配置。3.4.1硬件

10、所有硬件都是制造厂的标准产品或标准配置。所有功能相同的硬件设备统一型号,利于减少备品备件的型号和数量。所有设备能在强电场、强磁场和振动环境中连续稳定运行,能在环境温度050和相对湿度10%95%（不结露）的环境中连续运行。网络配备2台独立的上位监控机做为操作员站,2台上位机之间有操作上的互相闭锁功能,另外配1台工程师站以便于软件的开发、组态工作。操作员站运行监视具有数据采集、LCD画面显示、参数处理、越限报警、制表打印以及各系统PLC参数设置、控制逻辑的修改、系统的调试等功能。对控制系统的组态不能影响系统的正常运行。辅助车PLC网络控制系统中的主干网络采用网速为1000Mbit/s工业以太网光

11、缆,采用双缆冗余结构。表1网络控制站点配置站点站点勒称操作员站FL配置监控点1除灰迺2双机热备脱硫2化水处理2双机热备化水3反渗透2双机热备反渗透4中水系统2双机热备中水5制氢站2双机热备制氯站6卩爰通系统1双机热备集控室7综合水泵屈1双机热备综介水泵8输煤系统2双机热备输煤92服务器集控室眦psiidii11一tsBr一gHEEBs81.E吕onEglgliiiliii営一辰UPONB-keEBg一00一曇=罩二一laEK:wl.二BB!rmeiBsBE.MKE戈lwebeEL_feLUEEEm空一三量一=EEE-E兰eeAHuainBmnoLEEglErMHKB.wnE團2毎控制点卩.控制

12、系统第构IE*01”一空？ML三刚补蛤水韋it班叫射星JSW播违来堆兀朗叩术ftPfS*I图J辘助车间控制闹络结掏图EV网络保证各站点的信息在网络上正确传递,并满足实时控制的需要。网络通讯负荷最繁忙时不大于20%。在整个网络不能正常工作时,各系统车间PLC能独立工作以保证各系统车间和设备的安全性。网络配备1台容错服务器,CPU互为热备用,做为上位机与PLC之间的通讯通道，配置有独立的数据库，并作为网关计算机负责与厂级监控信息系统（SIS）的接口（网速为1000Mbit/光口）。辅网电源柜布置在集控楼电子设备间,并设双路电源自动切换开关,任一路电源断电不影响系统正常工作,以保证系统上位机、服务器

13、、交换机的供电。系统提供UPS装置1套，以保证工业电源失去时系统柜、上位机、服务器、交换机的供电。3.4.2软件软件部分主要由监控软件、编程软件以及实时数据库组成,它们分别实现全厂辅助车间网络上位机的监控、各车间PLC逻辑控制功能以及系统内部、外部的数据接口。软件功能主要指监控软件的要求,它是基于多任务、多平台、实时性好、开放性好的集成软件包,标准画面和用户组态画面均汉化。上位机在中文版Windows2000环境下运行,监控软件采用Intllution公司的IFIX最新版本;服务器采用Server版,操作员站采用Client版，确保系统既有较好的运行实时性，又有良好的开放性。编程软件基于Win

14、dows2000环境下运行，能对各系统PLC进行控制算法和逻辑组态的软件。编程软件支持功能块图、梯形图、顺序功能流程图、指令表、结构化文本等多种方法编程,既可离线又可在线进行组态。实时数据库安装于系统的容错服务器内,提供操作员站和厂级监控信息系统(SIS)的数据接口。对系统组态的修改在工程师工作站上进行。不论该系统是在线或离线都能对系统的组态进行修改。系统内增加或变换一个测点,不必重新编译整个系统的程序。软件功能主要指监控软件的要求,它是基于多任务、多平台、实时性好、开放性好的集成软件包,主要具有以下功能:显示功能;安全功能;历史数据管理;打印报表;事件记录;监控TAG及调试;数据库接口与数据

15、通讯;控制操作功能。3.4.3画面设计规则按照各系统工艺流程图设计LCD画面,设有足够的幅数以保证各工艺系统和控制对象的完整性及所控系统的运行和控制状况。各系统的监控画面统一,使各系统具有统一的风格,统一的操作方式,并能合理、灵活地进行切换和调用。可显示系统内所有的过程点,包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出、中间变量和计算值。3.4.4网络系统分配方案华电国际邹县发电厂辅助车间控制网络系统在设计时已经考虑到方便实用、易于维护的原则,对系统硬件大部分都做了明确要求,即是大厂家的一线产品,做到硬件品种单一化,以利于人员培训和降低维护费用。辅助车间控制网络系统从根本上来说也是一个完整

16、的PLC系统，唯一的区别之处在于它包含整个电厂辅助车间的PLC控制系统，是各个车间PLC控制的整合。例如公用系统的综合水泵房控制，只要控制1套PLC，仅在它的MBE里面配置了综合水泵房的PLC地址即可。而辅网的MBE驱动里面配置了全厂辅控车间的PLC地址，故在辅助车间控制网络的操作站上可以操作全厂辅控车间的设备,看到全厂辅控车间的过程数据。对于辅助车间控制网络来说,就是通过光纤把各个辅控系统所包含的PLC程控系统连接起来，然后在辅网的服务器上装一套IFIX软件，配置一个包含所有子系统PLC的MBE文件。首先，服务器通过MBE将下面各子系统的PLC数据读上来，工程师站和操作员站会和服务97.器进

17、行握手连接。连接后自己就会去寻找服务器上收集上来的数据,然后,反映到画面上来,呈现各种不同的状态。和下面子系统所看到的一致,当在操作员站或者是工程师站上进行启动/停止的操作时,可将数据先发到服务器,由服务器来将指令通过配置好的MBE发给相对的PLC以实现控制。辅助车间控制网络系统覆盖了输煤系统、除灰渣系统、化水处理、超滤反渗透、中水处理系统、制氢站、空调采暖加热、综合水泵房等系统。另外,还设有和厂级监控信息系统(SIS)接口。4结论目前,工业以太网在火力发电厂中的应用,主要体现在辅助车间的控制系统中,它大大提高了全厂的自动化生产水平,为电厂的减员增效及降低成本起到了很好的作用。同时,为电厂的辅控车间最后取消运行生产人员,为达到无人值班提