華北電力大學(xué)分散控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、0引言隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和電力改革的深入以及廠網(wǎng)分開、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的政策實(shí)施,各電廠為實(shí)現(xiàn)降低成本、減少設(shè)備維護(hù)成本和縮短維護(hù)周期的目標(biāo)要求,現(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化及工通訊的需求也日益提高。另一方面,在火電廠,隨著電力現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的增多及其自動(dòng)化過程的復(fù)雜化,對(duì)輔控設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控的要求也日益嚴(yán)格。大型火力發(fā)電廠的輔助生產(chǎn)車間一般均是由水網(wǎng)、煤網(wǎng)、灰網(wǎng)組成,每一網(wǎng)都可獨(dú)立成一個(gè)系統(tǒng),每個(gè)控制點(diǎn)相對(duì)分散,不利于生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)。隨著企業(yè)對(duì)自動(dòng)化要求的進(jìn)一步提高,為便于生產(chǎn)管理者遠(yuǎn)方監(jiān)控、調(diào)度、干預(yù)整個(gè)電廠的輔控車間運(yùn)行的需要,達(dá)到減人增效之目的,使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。本文介紹了華電國(guó)際鄒縣發(fā)電廠

2、(以下簡(jiǎn)稱鄒縣電廠)四期工程2X1000MW機(jī)組用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的輔助車間控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展?fàn)顩r以太網(wǎng)及TCP/IP通信技術(shù)在IT行業(yè)獲得了很大的成功，成為IT行業(yè)應(yīng)用中首選的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),近年來已逐步向自動(dòng)化行業(yè)發(fā)展,形成與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的局面,其發(fā)展?fàn)顩r可以歸結(jié)如下2點(diǎn)：自動(dòng)化技術(shù)從單機(jī)控制發(fā)展到工廠自動(dòng)化和系統(tǒng)自動(dòng)化。近年來,自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展使人們認(rèn)識(shí)到,單純提高生產(chǎn)設(shè)備單機(jī)自動(dòng)化水平,并不一定能給整個(gè)企業(yè)帶來好的效益;因此,對(duì)企業(yè)自動(dòng)化技術(shù)提出的進(jìn)一步要求是將整個(gè)工廠作為一個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化,其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)企業(yè)的最佳經(jīng)濟(jì)效益。工廠底層設(shè)備狀態(tài)及生產(chǎn)信息集成、車間底層

3、數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)是信息集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)為滿足工廠上層管理對(duì)底層設(shè)備信息的要求,工廠車間底層設(shè)備狀態(tài)及生產(chǎn)信息集成是實(shí)現(xiàn)全廠MIS/SIS的基礎(chǔ)。這就決定了生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)性、可靠性以及兼容性,它必將成為現(xiàn)代電力產(chǎn)業(yè)工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展目標(biāo)。工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)2.1冗余性在程序控制系統(tǒng)中,PLC系統(tǒng)的專用通訊網(wǎng)絡(luò)的冗余一直是一個(gè)比較難解決的問題，硬件方面如通訊網(wǎng)和通訊模塊以及軟件方面的通訊問題都不能解決,一旦通訊網(wǎng)和通訊塊出現(xiàn)問題,整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)就會(huì)癱瘓。若通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng),通過工業(yè)服務(wù)器和數(shù)據(jù)交換機(jī),就能采用冗余配置,通過交換機(jī),可以任意擴(kuò)展通訊模塊且可采用多層通訊結(jié)構(gòu)。2.2開放性在控制系統(tǒng)中,

4、一般有2級(jí)網(wǎng)絡(luò),過程控制網(wǎng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)。在過程控制網(wǎng)中,專用網(wǎng)絡(luò)的開放性是制約PLC發(fā)展的一個(gè)重要原因，一個(gè)生產(chǎn)廠商的PLC不能兼容別的生產(chǎn)廠商的PLC,而在一個(gè)大型火力發(fā)電廠,若要統(tǒng)一PLC型號(hào)幾乎是不可能的。采用工業(yè)以太網(wǎng),就很好地解決了聯(lián)網(wǎng)問題。目前,已經(jīng)推出了工業(yè)以太網(wǎng)的通訊模塊,也有了適用工業(yè)以太網(wǎng)的通訊協(xié)議,這是過程控制網(wǎng)采用以太網(wǎng)的開放性的優(yōu)點(diǎn)。在監(jiān)控網(wǎng)中,采用工業(yè)以太網(wǎng)既可以與下一級(jí)過程控制網(wǎng)統(tǒng)一通訊，又可以與廠級(jí)通訊網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通訊（如SIS和MIS等系統(tǒng)），使輔助車間的信息均可在廠級(jí)通訊系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)控。3擴(kuò)展性系統(tǒng)的擴(kuò)展性可體現(xiàn)在系統(tǒng)的靈活性中,而工業(yè)以太網(wǎng)是一個(gè)很靈活的網(wǎng)絡(luò),只

5、需在控制子系統(tǒng)中增加以太網(wǎng)卡和在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中增加以太網(wǎng)模塊,并進(jìn)行一些編程,即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。專用網(wǎng)的總長(zhǎng)度一般不超過3km,而采用工業(yè)以太網(wǎng)的總長(zhǎng)度可達(dá)到30km以上。2.4可靠性實(shí)際上,以太網(wǎng)具有更高的可靠性。在網(wǎng)絡(luò)的通訊數(shù)據(jù)量相同時(shí),工業(yè)以太網(wǎng)的負(fù)荷率比令牌網(wǎng)的負(fù)荷率降低50%。一般來說,專用網(wǎng)的通訊速率是10Mbit/s，而工業(yè)以太網(wǎng)速率可達(dá)到100Mbit/s,甚至1000Mbit/s,大大提高了系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性。工業(yè)以太網(wǎng)在鄒縣電廠四期工程中的應(yīng)用1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)鄒縣電廠四期工程輔助車間主要有輸煤、除灰渣、中水、反滲透、化水處理、制氫站、綜合水泵房、暖通等系統(tǒng),輸煤還包括翻車機(jī)、斗輪機(jī)及

6、煤水處理等系統(tǒng)。整個(gè)輔控車間系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用可靠性高的雙冗余星型結(jié)構(gòu)。雙冗余星形結(jié)構(gòu)較單一星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可靠性更高。輔助車間控制網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)中心交換機(jī)與其他站點(diǎn)交換機(jī)連接,構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的主干。該網(wǎng)絡(luò)采用1000Mbit/s的光纖以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿襟w;而控制層采用以太網(wǎng)連接。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用可靠性高的雙冗余的星型結(jié)構(gòu),將網(wǎng)絡(luò)中心交換機(jī)與各站交換機(jī)用光纖連接,構(gòu)成1000Mbit/s快速以太網(wǎng)主干，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。各個(gè)輔助車間控制系統(tǒng)配置了2臺(tái)美國(guó)Nematron上位機(jī)（小系統(tǒng)配置1臺(tái)上位機(jī)），操作系統(tǒng)為Windows2000,分別作為操作管理、維護(hù)分析用途的人機(jī)界面設(shè)備,在以太網(wǎng)上它們是獨(dú)立對(duì)

7、等節(jié)點(diǎn)。PLC采用法國(guó)施耐德公司昆騰系列產(chǎn)品,CPU為140CPU53414A。本地站必須配置ModbusPlus通信模板140NOM21200,遠(yuǎn)程I/O方案各站點(diǎn)必須配置適配模板，主站采用140CRP93200。遠(yuǎn)程站采用140CRA9-3200。為保證PLC系統(tǒng)的完整性，配備了系統(tǒng)所需的各種接頭、分支器、終端器、電纜各車間PLC配置時(shí)I/O點(diǎn)裕量不小于10%,機(jī)架槽位裕量不小于10%。上位機(jī)監(jiān)控軟件為Intellution公司的IFIX最新3.5版本，開發(fā)版及運(yùn)行版1套,使系統(tǒng)既有較好的運(yùn)行實(shí)時(shí)性和多任務(wù)性,又有良好的開放性和穩(wěn)定性。上位機(jī)監(jiān)控軟件應(yīng)支持分布式Client/Server結(jié)

8、構(gòu)，并支持冗余以太網(wǎng)，各輔助車間PLC結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。3.3網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各輔助車間均采用可編程序控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)控制功能,并對(duì)這些車間采用聯(lián)網(wǎng)集中監(jiān)控方式，輔助車間監(jiān)控網(wǎng)采用速率為1000Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)（光纖），網(wǎng)絡(luò)通訊介質(zhì)冗余配置，監(jiān)控點(diǎn)設(shè)在主廠房集中控制室,即在輔助車間監(jiān)控網(wǎng)的操作員站上完成對(duì)鄒縣電廠三期化學(xué)水除鹽處理、鄒縣電廠四期化學(xué)水超濾反滲透處理、中水處理、除灰渣、制氫站、綜合水泵房、空調(diào)采暖加熱站等系統(tǒng)的監(jiān)視與控制,并能對(duì)輸煤程控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)視。為在系統(tǒng)調(diào)試、啟動(dòng)初期以及生產(chǎn)巡檢時(shí)方便運(yùn)行操作,各輔助車間程控系統(tǒng)還設(shè)有各自的監(jiān)控上位機(jī)。各輔助車間程控PLC系統(tǒng)與其車間監(jiān)

9、控上位機(jī)的組網(wǎng)方式采用網(wǎng)速為100Mbit/s以太網(wǎng)。在集控室操作員站可以對(duì)所有輔助系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視操作,就地操作員站只能對(duì)本系統(tǒng)操作進(jìn)行操作。集控室操作員站與就地操作員站相互閉鎖,同一時(shí)間只能由一個(gè)站操作。網(wǎng)絡(luò)控制站點(diǎn)配置見表1。輔助車間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖配置如圖3所示。3.4網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)功能介紹輔助車間控制網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)速為1000Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)（光纖），網(wǎng)絡(luò)通訊介質(zhì)冗余配置,控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)易于組態(tài)、易于使用、易于擴(kuò)展。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采取有效措施以防止各類計(jì)算機(jī)病毒的侵害和數(shù)據(jù)丟失。全廠輔助車間控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)按站點(diǎn)數(shù)不小于20個(gè)、I/O點(diǎn)容量不小于8000點(diǎn)、標(biāo)簽量點(diǎn)不小于20000點(diǎn)來配置。3.4.1硬件

10、所有硬件都是制造廠的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品或標(biāo)準(zhǔn)配置。所有功能相同的硬件設(shè)備統(tǒng)一型號(hào),利于減少備品備件的型號(hào)和數(shù)量。所有設(shè)備能在強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)和振動(dòng)環(huán)境中連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,能在環(huán)境溫度050和相對(duì)濕度10%95%（不結(jié)露）的環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)配備2臺(tái)獨(dú)立的上位監(jiān)控機(jī)做為操作員站,2臺(tái)上位機(jī)之間有操作上的互相閉鎖功能,另外配1臺(tái)工程師站以便于軟件的開發(fā)、組態(tài)工作。操作員站運(yùn)行監(jiān)視具有數(shù)據(jù)采集、LCD畫面顯示、參數(shù)處理、越限報(bào)警、制表打印以及各系統(tǒng)PLC參數(shù)設(shè)置、控制邏輯的修改、系統(tǒng)的調(diào)試等功能。對(duì)控制系統(tǒng)的組態(tài)不能影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。輔助車PLC網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的主干網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)速為1000Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)光

11、纜,采用雙纜冗余結(jié)構(gòu)。表1網(wǎng)絡(luò)控制站點(diǎn)配置站點(diǎn)站點(diǎn)勒稱操作員站FL配置監(jiān)控點(diǎn)1除灰迺2雙機(jī)熱備脫硫2化水處理2雙機(jī)熱備化水3反滲透2雙機(jī)熱備反滲透4中水系統(tǒng)2雙機(jī)熱備中水5制氫站2雙機(jī)熱備制氯站6卩爰通系統(tǒng)1雙機(jī)熱備集控室7綜合水泵屈1雙機(jī)熱備綜介水泵8輸煤系統(tǒng)2雙機(jī)熱備輸煤92服務(wù)器集控室眥psiidii11一tsBr一gHEEBs81.E呂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蘭eeAHuainBmnoLEEglErMHKB.wnE團(tuán)2毎控制點(diǎn)卩.控制

12、系統(tǒng)第構(gòu)IE*01”一空？ML三剛補(bǔ)蛤水韋it班叫射星JSW播違來堆兀朗叩術(shù)ftPfS*I圖J轆助車間控制鬧絡(luò)結(jié)掏圖EV網(wǎng)絡(luò)保證各站點(diǎn)的信息在網(wǎng)絡(luò)上正確傳遞,并滿足實(shí)時(shí)控制的需要。網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)荷最繁忙時(shí)不大于20%。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不能正常工作時(shí),各系統(tǒng)車間PLC能獨(dú)立工作以保證各系統(tǒng)車間和設(shè)備的安全性。網(wǎng)絡(luò)配備1臺(tái)容錯(cuò)服務(wù)器,CPU互為熱備用,做為上位機(jī)與PLC之間的通訊通道，配置有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)，并作為網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)與廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）的接口（網(wǎng)速為1000Mbit/光口）。輔網(wǎng)電源柜布置在集控樓電子設(shè)備間,并設(shè)雙路電源自動(dòng)切換開關(guān),任一路電源斷電不影響系統(tǒng)正常工作,以保證系統(tǒng)上位機(jī)、服務(wù)器

13、、交換機(jī)的供電。系統(tǒng)提供UPS裝置1套，以保證工業(yè)電源失去時(shí)系統(tǒng)柜、上位機(jī)、服務(wù)器、交換機(jī)的供電。3.4.2軟件軟件部分主要由監(jiān)控軟件、編程軟件以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組成,它們分別實(shí)現(xiàn)全廠輔助車間網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)的監(jiān)控、各車間PLC邏輯控制功能以及系統(tǒng)內(nèi)部、外部的數(shù)據(jù)接口。軟件功能主要指監(jiān)控軟件的要求,它是基于多任務(wù)、多平臺(tái)、實(shí)時(shí)性好、開放性好的集成軟件包,標(biāo)準(zhǔn)畫面和用戶組態(tài)畫面均漢化。上位機(jī)在中文版Windows2000環(huán)境下運(yùn)行,監(jiān)控軟件采用Intllution公司的IFIX最新版本;服務(wù)器采用Server版,操作員站采用Client版，確保系統(tǒng)既有較好的運(yùn)行實(shí)時(shí)性，又有良好的開放性。編程軟件基于Win

14、dows2000環(huán)境下運(yùn)行，能對(duì)各系統(tǒng)PLC進(jìn)行控制算法和邏輯組態(tài)的軟件。編程軟件支持功能塊圖、梯形圖、順序功能流程圖、指令表、結(jié)構(gòu)化文本等多種方法編程,既可離線又可在線進(jìn)行組態(tài)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)安裝于系統(tǒng)的容錯(cuò)服務(wù)器內(nèi),提供操作員站和廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)的數(shù)據(jù)接口。對(duì)系統(tǒng)組態(tài)的修改在工程師工作站上進(jìn)行。不論該系統(tǒng)是在線或離線都能對(duì)系統(tǒng)的組態(tài)進(jìn)行修改。系統(tǒng)內(nèi)增加或變換一個(gè)測(cè)點(diǎn),不必重新編譯整個(gè)系統(tǒng)的程序。軟件功能主要指監(jiān)控軟件的要求,它是基于多任務(wù)、多平臺(tái)、實(shí)時(shí)性好、開放性好的集成軟件包,主要具有以下功能:顯示功能;安全功能;歷史數(shù)據(jù)管理;打印報(bào)表;事件記錄;監(jiān)控TAG及調(diào)試;數(shù)據(jù)庫(kù)接口與數(shù)據(jù)

15、通訊;控制操作功能。3.4.3畫面設(shè)計(jì)規(guī)則按照各系統(tǒng)工藝流程圖設(shè)計(jì)LCD畫面,設(shè)有足夠的幅數(shù)以保證各工藝系統(tǒng)和控制對(duì)象的完整性及所控系統(tǒng)的運(yùn)行和控制狀況。各系統(tǒng)的監(jiān)控畫面統(tǒng)一,使各系統(tǒng)具有統(tǒng)一的風(fēng)格,統(tǒng)一的操作方式,并能合理、靈活地進(jìn)行切換和調(diào)用?？娠@示系統(tǒng)內(nèi)所有的過程點(diǎn),包括模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、中間變量和計(jì)算值。3.4.4網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分配方案華電國(guó)際鄒縣發(fā)電廠輔助車間控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到方便實(shí)用、易于維護(hù)的原則,對(duì)系統(tǒng)硬件大部分都做了明確要求,即是大廠家的一線產(chǎn)品,做到硬件品種單一化,以利于人員培訓(xùn)和降低維護(hù)費(fèi)用。輔助車間控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從根本上來說也是一個(gè)完整

16、的PLC系統(tǒng)，唯一的區(qū)別之處在于它包含整個(gè)電廠輔助車間的PLC控制系統(tǒng)，是各個(gè)車間PLC控制的整合。例如公用系統(tǒng)的綜合水泵房控制，只要控制1套PLC，僅在它的MBE里面配置了綜合水泵房的PLC地址即可。而輔網(wǎng)的MBE驅(qū)動(dòng)里面配置了全廠輔控車間的PLC地址，故在輔助車間控制網(wǎng)絡(luò)的操作站上可以操作全廠輔控車間的設(shè)備,看到全廠輔控車間的過程數(shù)據(jù)。對(duì)于輔助車間控制網(wǎng)絡(luò)來說,就是通過光纖把各個(gè)輔控系統(tǒng)所包含的PLC程控系統(tǒng)連接起來，然后在輔網(wǎng)的服務(wù)器上裝一套IFIX軟件，配置一個(gè)包含所有子系統(tǒng)PLC的MBE文件。首先，服務(wù)器通過MBE將下面各子系統(tǒng)的PLC數(shù)據(jù)讀上來，工程師站和操作員站會(huì)和服務(wù)97.器進(jìn)

17、行握手連接。連接后自己就會(huì)去尋找服務(wù)器上收集上來的數(shù)據(jù),然后,反映到畫面上來,呈現(xiàn)各種不同的狀態(tài)。和下面子系統(tǒng)所看到的一致,當(dāng)在操作員站或者是工程師站上進(jìn)行啟動(dòng)/停止的操作時(shí),可將數(shù)據(jù)先發(fā)到服務(wù)器,由服務(wù)器來將指令通過配置好的MBE發(fā)給相對(duì)的PLC以實(shí)現(xiàn)控制。輔助車間控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)覆蓋了輸煤系統(tǒng)、除灰渣系統(tǒng)、化水處理、超濾反滲透、中水處理系統(tǒng)、制氫站、空調(diào)采暖加熱、綜合水泵房等系統(tǒng)。另外,還設(shè)有和廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)接口。4結(jié)論目前,工業(yè)以太網(wǎng)在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用,主要體現(xiàn)在輔助車間的控制系統(tǒng)中,它大大提高了全廠的自動(dòng)化生產(chǎn)水平,為電廠的減員增效及降低成本起到了很好的作用。同時(shí),為電廠的輔控車間最后取消運(yùn)行生產(chǎn)人員,為達(dá)到無人值班提