使用LC以太网实现对隔河岩电厂LCU改造

使用PLC以太网实现对隔河岩电厂LCU改造摘要：本文结合清江隔河岩水电厂计算机监控系统现地控制单元改造工程，重点探讨了在国内大型水电厂首次使用施耐德以太网产品实现直接上网LCU的新型结构，讨论了在这种结构下实现输入、输出、电源、CPU、联接等冗余策略，特别是在二元输入情况下，实现开关量输入冗余的方法。分析了国际电工委员会IEEE1131五种语言FBD、LD、SFC、ST、IL各自不同特点，讨论了使用结构化文本（ST）编写PLC程序应采用的策略和方法。分析了使用交流采样装置与变送器的策略。讨论了在水电厂现地进行LCU改造缩短工期的有效途径。

关键字：水电厂现地控制单元改造结构无人值班经过多年努力，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控制流程方式不同饮劲壶原块监伟控摩系握统窑是斤加疗拿慧大亏C段A漠E蔬研释制众的祸，胁C岗A培E竹的违模豪式咱与抬国泊内失的火一途贯柳做蓬法皇有嗽很戒大鱼差湾异走。求比歪如览，毛开续机武有联九抖大赠步早，筒停还机街也迎有座九滑大啊步炭。副对怖于封常狐规姓水里电紫厂铺的殊机偏组扭，尝而仅我斑们予的赢一车贯支做生法快是疲五嫌态奋转弊换偷，溉所英谓强五细态勾即恶停悉机饲态别、竹空数转纤态近、钢空勇载择态闸、坊发考电尖态梅、糕不团定央态吼（坡前抢四结种嚷状章态填中纳过竞渡浸状榴态喂称寺为驰不筝定裤态制）舟。扎（嘉对虫于坚有易调园相益任沟务佩的绩机浴组统，依还宿有百调摩相症态碗；弦对白于绕抽言水巧蓄仇能挑机躬组毫，纤还债有联水激泵联态啦；丙但廊不应在匀讨微论尽的部常浙规柔机亡组酸范齿围生之疗内烧。上）商机激组景一倘定右处还于隐五讲种孙状臣态险之傻中君。粥机服组理的上开浙机浪、单停邪机匙、倡解扇列斤、血解跌列贝后私并否网逝等壮操俯作追，砖不向过宾就棋是明机脱组达在话的谎停脉机蒙态控、傲空畅转氏态壮、翅空容载标态岔、胞发如电吊态柿四郑种线状摩态粮间氧的樱转疲换怕。哲虽边然欢两型种搬表顿示奉方出法剧实烤质慎是趁一地致指的较，款但裹习碎惯字于址五翅态尽转值换袜的哭人亮，迫要恳熟慨悉短开扑机悄、言停藏机压各波九托大辩步仍，葱需跪要从一耐定场的酬时惧间赞。葡考市虑链到睁电难厂氧从蔑运放行晚人叛员拉到衬检满修凭维安护乒人列员搂都堤谙度熟市这扭开梯、起停高机窃九遗大过步赢这滨一劣因臂素王，宗虽寇然蒸编耀程趣与富调妹试晴都四需昆要训付萍出笋较样大耽的口努中力垂去含适摇应揪，饰还洁是篇采喉用涛了哀原见来患的贴开书、饿停飞机少九峡大霉步阳形许式很，币以舱方沉便科电谎厂害人例员沙的以运滋行寒与昨维德护散。思右折2虏．贿2宁使谣用粘结料构盗化领文米本设语傅言散来茄编捷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（蜡S罚h恢n付e竭i绍d旧e浸r俗）们公绿司拣的具Q拖u苹a常n岗t蹄u遥m笋扛系催列央P刊L声C迁，妻编雹程适软预件睬采卡用迟C今o寨n发c辛e茫p读t归2咐.眉2总。育该无软侮件国支忠持矮国遮际谣电迫工护委走员需会槐I晓E街E宪E晓1怨1型3形1区的矩标逼准堡的崖全捧部抄五准种匆语虎言奶，道即什：惊支掀持矮F塔B祸D幕（劲F盛u眼n罗c想t幼i弹o俯n苦遭B既l也o军c讲k破疗D只i障a彻g出r均a军m饿功退能粗块叫图直）绢、咳S膀F旋C仔（借S睁e翁q蛙u鸡e哲n菠t由i番a源l泄肚F拳u斥n阶c伪t做i求o称n健蓝C供h耕a精r俘t广顺漆序架功她能恭图疫）盗、兴L导D司（周L具a纲d蚀d副a总r扫咳D森i芒a存g骆r验a站m洗梯秀形寸图袖）箩、沟S脖T乎（壁S永t舒r角u坊c麦t妖u捷r测e炉d形搜T割e救x蹄t否结冷构诵化团文鸟本涌）酿和牺I滑L扶（葛I沿n愁s羽t岔r逐u炕c锣t芦i勾o灶n寇膨p占s龟t桂指城令从表渐）底五躲种询语谱言贞。纪前旗三疯种菌语铅言拥是贝图京形都方呜式君，蚁后躲两执种恭是吗文唉本宽方伸式效。台由拴于贡指扔令惰表跃I辩L瞒语丈言泡指威令北的鼠特搂点垃，登具剪有乞可宫读卸性菜差闹，孙指寻令吐简讯单宋，建不三直惜观链，叔可俩移善植暮能剃力棵差佣，聋非回结税构脸化最文插本指（括有哥J次U客M恭P煌指泳令凡）敢，点数屯据嘴处露理其能浓力鹊不辉强掩（蛙无次循辟环疫F星O震R雷语姑句效）衫，除只旷能伤适驶合创较寻小哑规料模帆的批控捷制退。鞠S私T卫语陈言雷是盲一坏种溪结幼构堂化心的像文芹本察语疼言榨。求它其与弹C佣语按言夜很坐相搁似搂。滤它版不坏仅苏具润有给丰编富载的太逻吉辑袄处毒理唱能忘力航，著它四还筛具街有刃I辣F英、客C法A睁S张E崖、玉F别O挽R讨、喉W故H义I刚L艺E溪、繁R敲E施P东E释A绒T罚、介E健X洲I什T惩、急E专M鬼P古T芹Y厨等匀语废句奴，孝数索据史处舞理饰能样力贿非辱常孔强吨，拥没挣有欢G民O现T微O围、偏J受U谱M庭P蝇或愈类暑似繁的阅指仿令铜。备因急此作，哑它削的头移务植困性泼很拍好冠,嫩有姑利统于袄程降序滑的短标伍准池化走。研它粗与乏F姜B雾D赤、担L渡D竿、足S熄F炸C日相朱比唉，弱不休够我直呢观译，剃与些电霞气堤二缠次稀展鹿开时图悉相快去更较恶远萄。淡另祖外幼，膏它狼的彩不耍足废之葡处绸是劲占奉用瑞较歼多灵内厦存刚且地扫爪描粘周置期稼要千长蓝一辩些乓（较均排与符F称B何D姥、吩L所D删、荒S备F脾C忘相即比市）庆。选上咐面属提惜到巧了河L衬D嘱语丧言退的殖一焰些右优乡点魔，狭F屠B慕D艺图蚕与捡电肠气执二网次书的榨原拳理第图淡更怎接陷近渣。埋F飘B燃D口、乖S竟F左C候、员L究D愁都斧不啦具驴备词I酸F企、轨C武A踏S厌E陷、过F显O钓R扯、贱W成H不I被L吧E声、馒R段E吐P季E演A会T烦、丙E鉴X乓I坚T悬、渠E卸M钓P诵T忆Y弱等乳语嚷句笨，峰数其据敏处拆理弊能各力女不锐够凳强葛。拜根嚷据脂我龄个厉人蒸使肾用破情院况灰，车比络较歪可狐取荒的京方举法杠有启：叮（铸1传）串全搏部喉使栽用小S盘T洪；停（棚2立）驻使倘用狼S休T轨与友F虑B裕D达相贵结觉合足；栽（泪3煤）船使从用茶S意T幅与璃L的D底相考结迁合趋。滔（谊2晨）拜和世（乎3受）晒两懂种忠方发法修能疏够奏将日两纤种柳语妈言床的炉特倦点堂结还合患起找来鸭，筒是合比雪较单好膨的淡方浪式藏。耐因狸为分用顿数继据奥处涝理安能司力灰强驻的体文文本唱化燕语牺言葱处侨理碌数程据宿，图用改直惕观叼性渗好境的中L殖D旦或竿F说B屠D漠编吓制万顺答控否流热程同，贡现凭场甘的觉技要术译人斩员脸能欢够拜比哗较哑容启易治接稠受牺、座容献易湿理利解熟、碰容泰易齐接预受痰。盈现郑场毒的各技饥术佣人缓员仰最块关症心镜的滴是秤顺酿控下流嗓程滚。具我估个危人赴比玩较尿倾框向交于暮（俭3陕）纲的垮方广式介。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。2．3PLC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（ALLINWORKING）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（RemoteInput/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