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施耐德PLC在发电辅助系统中的应用 |
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1 引言
宝二电厂(4x300mw机组)外围辅助系统，包括除灰系统、除渣系统、化水系统、输煤系统等都采用的是相互独立、分散的常规plc控制系统，由于各辅助系统工艺有其不同的特性，所以采用的控制系统配置不同、技术水平、监控方式各异。在宝二电厂的外围辅助plc控制系统中全部采用上位机——法国施耐德 modicon quantum系列plc组成集成监控系统。plc组态软件modsoft2.6，监控软件采用美国wonderware公司的intouch(运行版和开发版)。
2 plc控制系统配置组态方式
modiconquantum系列plc提供高度灵活的系统结构，从集中控制到高级分布系统及联网的分布控制系统，灵活组合系统结构最大程度满足控制需要。plc控制系统配置组态方式有多种，在宝二公司辅助系统设计时，根据设备运行重要性不同，对plc控制系统配置分为三种情况：①双cpu热备双i/o网冗余单路mb+配置；②双cpu热备双i/o网双路mb+配置；③单cpu单i/o网单路mb+配置。其中②性能最可靠，工程造价也最高；③性能较差，工程造价也低。
2.1 双cpu热备双i/o网冗余单路mb+配置
双cpu热备双i/o网冗余单路mb+配置参见图1所示。宝二公司的除灰网络控制系统、输煤程控系统采用这种配置。plc系统采用双机热备配置可以提高控制系统可靠性。双机热备系统必须包括两个机架配置组态完全相同，每个机架上分别装有一块140cps电源模块、一块cpu模块、一块140crp远程通讯处理器及一块140chs11000热备通讯模块，组成了双机热备冗余系统配置。两块热备模块通过两芯光缆彼此相连，每个扫描周期，主cpu都要根据自身的i/o状态表，通过热备模块间的通讯来更新备用cpu的i/o状态表，使备用cpu始终与主cpu保持同步，从而当主cpu模块或系统发生故障时，通过热备通讯模块及热备通讯组件，可以完全同步地、无扰动地进行cpu模块的切换，此时辅助(热备)cpu模块支持系统不间断地继续工作。程控系统主机采用2台研华工控机，组成一套完整的双机热备系统，对系统进行实时监控。其中，一台为运行主控器，另一台为工程师开发机。当一台出现故障时，另一台依然保证运行人员操作，保证系统可靠连续运行，工控机监控软件采用wonderware的intouch软件，plc开发组态软件是modsoft 2.6，操作系统是windows 98/95，采用modbus plus通讯协议，以sa85卡提供的rs485电气接口连接plc的控制器cpu卡件，另配打印机组成一个监控系统，作为运行人员监控之用。
图1 cpu热备双i/o网单路mb+通讯
热备双i/o网通信介质为双路同轴电缆，远程通讯卡140cra与本地站通讯卡140crp之间采用了与modbus plus相同网络技术(称为quantuam分布式i/o通信技术)双路同轴电缆连接，传输距离最长为4.5km，传输速率为1.5mhz。本系统设计传输距离为300m。传输速率为1.5mhz。远程站有双接口的140cra与本地站有双接口140crp之间用双路同轴电缆连接。
2.2 双cpu热备双i/o网双路mb+配置
双cpu热备双i/o网双路mb+配置参见图2所示。宝二公司的化学循环水处理控制系统采用这种配置。该项工程建设于2004年，plc技术水平比97年有很大发展，由于其经济成本下降和该工程的环保节约型重要性，并且plc控制柜与上位机相距50多米，所以采用了双cpu热备双i/o网双路mb+配置。双路mb+保证了远距离监控可靠性。
图2 cpu热备双i/o网冗余mb+通讯
plc系统配置同第1种基本一致。双机热备系统必须包括两个机架配置组态完全相同，每个机架上分别装有一块140cps电源模块、一块cpu模块、一块140crp远程通讯处理器及一块140chs11000热备通讯模块，另外还有一块双mb+口的140nom2120网络模块，组成了双机热备冗余系统配置。两块热备模块通过两芯光缆彼此相连，使备用cpu始终与主cpu保持同步，从而当主cpu模块或系统发生故障时，通过热备通讯模块及热备通讯组件，可以完全同步地、无扰动地进行cpu模块的切换，此时辅助(热备)cpu模块支持系统不间断地继续工作。
程控系统主机采用2台研华610工控机，组成一套完整的双机热备双网络冗余系统，对系统进行实时监控。其中，一台为运行主控器，另一台为工程师开发机。当一台出现故障时，另一台依然保证运行人员操作，一条通讯线路故障时、另一条通讯线路依然保证系统可靠连续运行，工控机监控软件采用wonderware的intouch软件，plc开发组态软件是 concept2.6，操作系统是windows 2000/nt，采用modbus plus通讯协议，以nhm30032卡提供的双rs485电气接口连接plc系统的两块双mb+口的 140nom2120网络模块，另配打印机组成一个监控系统，作为运行人员监控之用。其i/o网通信方式和协议，配置与第①方式完全一样。
2.3 单cpu单i/o网单路mb+配置
单cpu单i/o网单路mb+配置参见图3所示。宝二公司的除渣控制系统、化学补给水处理控制系统、凝结水处理控制系统采用这种配置。plc系统采用单机cpu配置，一般分成一本地站和几个远程站，本地站机架上分别装有一块140cps电源模块、一块cpu模块、一块140crp远程通讯处理器及几块i/o模块，远程站组成一块140cps电源模块、一块140cra本地通讯模块和几块i/o模块。
图3 单cpu单i/o网mb+通讯
程控系统主机采用1台或2台研华工控机，对系统进行实时监控。1台工控机时安装的开发狗，它既是工程师站又是操作站，机组除渣控制系统采用该模式；2台工控机其中一台为运行主控器，另一台为工程师开发机。当一台出现故障时，另一台依然保证运行人员操作，保证系统可靠连续运行，工控机监控软件采用wonderware的intouch软件，plc开发组态软件是modsoft2.6，操作系统是windows 98/95，采用modbus plus通讯协议，以rs485电气接口连接plc的控制器cpu卡件，另配打印机组成一个监控系统，作为运行人员监控之用。
远程站与本地站之间采用与modbus plus相同网络技术，称为quantuam分布式i/o通信技术，单介质为单路同轴电缆，即140crp与140cra之间只有一路通讯线。当该通讯线路故障时，控制系统将失去监控功能。所以保证该系统i/o网通信功能显得尤为重要。
3 应用软件
3.1 监控软件intouch
宝二公司的辅助系统plc控制系统监控软件采用wonderware公司的intouch软件，早期的intouch5.x软件是非汉化版本，只能在win 95/98及以下系统安装，其软件包带的软件狗具有通用性。现在的intouch8.x软件是汉化版本，安装于win2000/nt以上系统，主其软件包带的软件狗不具有通用性，只能一狗对应一套软件。intouch主要特性：它是基于多任务，多平台，实时性好，开放性好的集成软件包。软件中包含了大量强大的图形化工具允许用户能够快速直观地建立面向过程的实时窗口，使用户能够快速简单地开启系统，而且提供了工业界强大的功能，包括实时过程的监视和监督控制，报警和报警管理，历史趋势，统计过程控制，基于用户的安全系统，方便的系统扩展，网络通讯等。而且数据可以很方便地在网络上共享。intouch提供了数据管理库的输入、输出功能，可以把tag信息输出到excel工具中，可以在excel中方便地完成繁琐的tag点定义设置工作，再从excel回输到数据库中来等等intouch包括两个全集成的环境，组态环境和运行环境，它提供了开发和显示的画面，生成报表和vba语言程序，并与实时数据交互工作，组态不仅提供了所有图形，文本，数据。动态和趋势图形工具，通过这些工具生成容易操作和理解的画面，在运行和组态环境之间可快速完成测试对画面的修改，同时保持实时报警和数据采集。
在当时windows98环境条件下，为了确保intouch的正常运行，在安装windows98后必须从软驱中安装modsoft2.6和intouch5.0的版本的文件。如果现在恢复win98下的控制系统也必须依靠软驱中安装。intouch在用户新建工程必须作以下步骤：
(1)数据库及设备驱动的配置：intouch软件提供与plc等硬件设备的接口协议，可将数据从寄存器中读出(tag名对应plc硬件地址)。modicon的sa85卡设备驱动程序采用modiconmodbusplus技术(实质是rs485串口驱动程序)。数据库可从驱动程序映射表中检索数据，处理过程数据(包括指令)等。
(2) 应用程序的配置：intouch最重要的功能是为用户提供了可视化的窗口进行过程信息处理。intouch在用户屏幕上提供的图形化过程信息，包括原始数据、计算数据、报警、变量字符串、点信息、趋势报警或变量状态。图形应用程序的核心是从数据库访问信息。为了直接显示数据，图形应用程序提供了多样性的链接方式，链接可以有多种格式及配置的灵活选择，对系统或过程数据进行显示。操作人员使用链接也能向数据库写数据。
(3) 报警的配置：本系统默认可容纳的最多报警数为200条。
(4) 声音报警的实现：
intouch系统本身系统的声音报警设置，在系统组态环境中选择enablehotn启动报警功能，当有报警产生时系统发出报警声音。
语音提示报警的设计：因为intouch没有播放声音的函数，必须引用winapi函数，播放3d.wav文件。
两种类型的报警实现：
一是用基于事件的调度来实现，当系统没有确认报警数增加时则设置进行长声音报警。二是语音报警：对于极其重要的点采用语音提示，采用逐点检测的方式，用基于事件的调度来实现，若当该点报警状态变为hihi、lolo或comm这三种类型时，则播放相对应的语音文件进行提示。
(5)建立报表及打印功能：根据电厂提供的报表首先用excel建立样板文件，按各报表和具体情况，用基于时间的调度程序来实现报表的自动抄表功能。
(6) 趋势图：系统中共有两种形式的趋势图：
总趋势图：可以在一下拉列表柜中选择本系统中想要查看的点，同时进行和历史趋势的查看，并能对实时趋势的时间间隔，历史趋势的起止时间和时间间隔分别进行调整，在同一图表中可能同时查看多个点的趋势曲线，能方便地进行增点与减点的操作。
实时弹出趋势图：在图片的初始化时，我们将作为参数带入的节点设置为当前节点，以便显示其趋势曲线，在监控流程画面上点击相应设备时弹出的当前点的实时趋势图。
(7)报警一览表：在报警一览表中可进行确认单个报警、删除单个报警，确认所有报警、删除所有报警的功能，当从某一画面打开报警一览表时，只显示与本画面有关的报警，实现方式：在配置模式下，双击报警一览表中的报警汇总控件，在filter表单中设置过滤条件，即需查看的相应报警区，为了实现显示报警的监控流程图画面的功能，在添加数据点时，须在报警扩展字段中填写相应的监控画面图的图形名称，此功能才能实现。
3.2 编程软件modsoft/concept
modicon公司早期的plc编程软件是modsoft2.x系列，是非汉化版，必须用软驱安装，安装于win98以下系统，其实质运行环境就是dos6.x系列操作系统，对于现在恢复系统工作比较困难。
在dos6.x系列操作系统下编程和组态很不方便。现在modicon公司推出了plc编程软件是concept系列，完全用图形化界面进行各项组态和编程工作。宝二发电公司现化学处理控制系统应用concept系列，其余部分都用modsoft2.x系列。无论是concept或者modsoft2.x其基本功能是一致的，核心部分相同。
concept和modsoft2.x的指导原则基本一样，此处主要以concept介绍功能。plc系统配置程序以及所有编辑器都具有相同的外观和感觉。配置的大多数步骤，尤其是程序创建，都是在不依赖于要编程的plc的情况下设计的。整个程序被分成与逻辑结构相对应的若干区段。配置工具允许对象( 例如功能块、步以及转移)被轻易地以图形形式选定、放置或移动。在对象放置过程中，可行性测试已经在sfc(顺序功能图/顺序语言)编辑器中发生，因为对象之间的大部分连接都是在放置的过程中自动生成的。硬件组态(例如cpu、程序内存、输入/输出单元等)可以在程序创建之前、之中或之后进行。配置任务可以以在线(连接到plc)和本地(只在pc上)两种方式进行。配置接受concept检测，并且只使用有效的组合。这样就避免了配置错误。在在线模式中，配置好的硬件会立即测试有效性，而输入错误将被排除。
在concept中项目的创建有7 个主要步骤：
(1) 启动concept并开始一个新的项目；
(2) 配置 plc，设定硬件配置；
(3) 创建用户程序，创建程序新的区段。
(4) 保存项目。
(5) 载入并测试项目，在pc和plc之间创建链接。将项目下载到plc中并启动。用在线测试功能来测试程序。现在修改删除程序中的任何错误，将修改过的部分下载到plc 中。
(6) 优化及分离，建议优化程序存储容量并将优化过的程序重新加载到plc中。在成功的加载、测试和优化以后，您可以将pc从plc上断线。程序将离线运行。
(7) 创建一套所建项目的完整文档，为工程项目日后维护、修改提供资料。
4 应用中出现的问题及解决
通过8年连续运行，plc控制系统工作一直比较稳定。据统计，在plc控制系统的故障中，cpu的故障率0%，网络通讯故障率2%，plc底板故障率1%，i/o板故障率15%，传感器及开关故障率占45%，执行装置占30%，接地方面故障占3%，工控机故障率5%。运行中出现问题就地设备故障率98%，软件出现问题故障率2%。根据上述故障分析，我们针对性对执行设备(在温度高的石子煤系统气动执行器，在湿度较大的精处理系统电动执行器)进行治理改造；对一些性能较差的阀门开关、操作按钮、传感器改型改造，减少了传感元件故障对程序控制的正常运行，对控制系统线路核查整理减少线路接地现象，对除灰除渣等室外设备进行加装防雨措施，减少了接地或短路而使卡件损坏故障；利用停机时间对工控机进行清灰，更换工控机风扇，减少了工控机的故障，现在plc控制系统整体工作状况良好。系统经过一段时间运行后，发现了一些软件编程缺陷：比如部分“成组、连锁”运行条件与现场设备条件不一致，使得运行人员操作总是用“单步”操作；也有些监控画面显示出现问题：
如就地设备与crt设备不对应；
就地设备运行状态与crt显示设备状态不对应；
部分“步序”画面不刷新。经过对这些问题分析，分别对modsoft中逻辑、intouch中设置和mbplus组态设置重新处理，现在软件出现问题基本都已经处理正常。
5 控制系统改进
随着计算机软硬件技术的发展，人们对工业自动化的要求也越来越高。过去由于控制系统的硬件的限制，人们首先考虑的是实现过程控制中的控制策略，现今控制系统的前端控制器已经基本达到各种生产场合下的控制需要。用户的注意力也转移到了如何更有效的管理生产现场控制系统，尤其是在工厂生产控制系统，在使用先进的控制系统的基础上进一步提高生产效率，因此控制系统的可靠性已经成为衡量控制系统的重要指标。在主机控制系统上重视促进了dcs发展迅速。由于人们对辅助系统长期认识重要性不够，无论在设计、安装上明显与主控系统相差很大，这给投产后运行维护检修带来了不少困难，大量资金投入而且效果不显著。结合现场实际对辅助系统提出以下几点建议。
5.1 网络控制技术
对电厂辅助系统采用网络控制技术，就能实现相对的集中控制，减少值班点，提高辅机设备的自动化的监控水平，解决以往电厂中辅助系统控制技术落后于主系统的现象和实现设计时提出无人值班要求。全厂建立基于quantum系列plc控制结构的辅助系统集中控制网，采用网络控制范围：
(1) 化学监控网络控制系统： 在化学补给水处理控制室设置二台工控制机，相互备用，主干mb+网络上共设置了7个plc分站。
把#1～2机组凝结水水精处理与#1～2机组汽水取样采集系统及其加药控制作为系统网络一个分布式i/o分站；
把#3、4机组的组凝结水水精处理、再生系统和汽水取样采集系统及其加药控制作为系统网络一个分布式i/o分站；
把制氢站作为系统网络一个分布式i/o分站，可以设置一台本地监控工控机和双cpu热备；
把化学补给水处理为系统网络一个分布式i/o分站；
循环水处理plc系统统分布式i/o分站；
化学废水处理控制系统分布式i/o分站；
生活污水处理控制系统分布式i/o分站。
(2)在#1、2和#3、4除灰渣控制室各设置二台工控机，主干mb+网络上各设置二个plc控制分站，除灰除渣系统采用双机热备的远程i/or控制方式。把#1、2除灰、除渣、电除尘系统同一一体作为系统网络一个分布式i/o分站，把#3、4除灰、除渣、电除尘系统统一一体作为系统网络一个分布式i/o分站。
(3)输煤网络控制系统：在输煤控制室设置二台工控机，设置四个plc控制分站。其中输煤控制系统是采用双机热备远程i/o控制系统方式，包含了四个辅助工艺系统：
输煤控制系统；
油污水处理控制系统；
煤废水处理控制系统；
燃油泵房控制系统。
系统结构图见图4。
图4 辅助系统plc网络控制图
5.2 中继器提高网络性能
辅助系统环境差，通讯网络采用抗干扰能力强通讯线路比如带屏蔽的rj45双绞线或光缆，采用中继器提高网络性能，一般不采用淘汰的同轴电缆。rj45双绞线或光缆通讯速率快、故障率低，也比工业串口rs485性能好、通讯速率快。
5.3 执行机构
辅助系统室外部分应采用性能好的执行机构、各传感元件设备，同时配置防风吹、日晒、冷热、雨雪等设施，减少环境因素影响，提高控制系统工况。
5.4 控制系统电源
重视辅助系统控制系统电源，应采用性能好、容量至少有30％余量的ups供电，同时其双路电源接在不同母线上。防止因电源系统影响plc控制稳定。
6 结束语
目前宝二发电公司4×300mw机组辅助系统投入运行以来，plc控制系统运行正常、功能稳定，完全满足工艺控制过程的要求，达到了预期设计的功能。对电厂辅助系统采用网络控制技术，就将来能实现相对的集中控制，这将是今后火电厂辅助系统控制技术发展的一个方向。(end)
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(10/19/2011) |
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