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。

[关键词]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
原监控系统是加拿大CAE研制的，CAE的模式与国内的一贯做法有很大差异。比如，开机有九大步，停机也有九大步。对于常规水电厂的机组，而我们的一贯做法是五态转换，所谓五态即停机态、空转态、空载态、发电态、不定态（前四种状态中过渡状态称为不定态）。（对于有调相任务的机组，还有调相态；对于抽水蓄能机组，还有水泵态；但不在讨论的常规机组范围之内。）机组一定处于五种状态之中。机组的开机、停机、解列、解列后并网等操作，不过就是机组在的停机态、空转态、空载态、发电态四种状态间的转换。虽然两种表示方法实质是一致的，但习惯于五态转换的人，要熟悉开机、停机各九大步，需要一定的时间。考虑到电厂从运行人员到检修维护人员都谙熟这开、停机九大步这一因素，虽然编程与调试都需要付出较大的努力去适应，还是采用了原来的开、停机九大步形式，以方便电厂人员的运行与维护。

2．2使用结构化文本语言来编程
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（Shneider）公司的Quantum 系列PLC，编程软件采用Concept2.2。该软件支持国际电工委员会IEEE1131的标准的全部五种语言，即：支持FBD（Function Block Diagram功能块图）、SFC（Sequential Function Chart顺序功能图）、LD（Laddar Diagram梯形图）、ST（Structured Text结构化文本）和IL（Instruction List指令表）五种语言。前三种语言是图形方式，后两种是文本方式。由于指令表IL语言指令的特点，具有可读性差，指令简单，不直观，可移植能力差，非结构化文本（有JUMP指令），数据处理能力不强（无循环FOR语句），只能适合较小规模的控制。ST语言是一种结构化的文本语言。它与C语言很相似。它不仅具有丰富的逻辑处理能力，它还具有IF、CASE、FOR、WHILE、REPEAT、EXIT、EMPTY等语句，数据处理能力非常强，没有GOTO、JUMP或类似的指令。因此，它的移植性很好,有利于程序的标准化。它与FBD、LD、SFC相比，不够直观，与电气二次展开图相去较远。另外，它的不足之处是占用较多内存且扫描周期要长一些（均与FBD、LD、SFC相比）。上面提到了LD语言的一些优点，FBD图与电气二次的原理图更接近。FBD、SFC、LD都不具备IF、CASE、FOR、WHILE、REPEAT、EXIT、EMPTY等语句，数据处理能力不够强。根据我个人使用情况，比较可取的方法有：（1）全部使用ST；（2）使用ST与FBD相结合；（3）使用ST与LD相结合。（2）和（3）两种方法能够将两种语言的特点结合起来，是比较好的方式。因为用数据处理能力强的文本化语言处理数据，用直观性好的LD或FBD编制顺控流程，现场的技术人员能够比较容易接受、容易理解、容易接受。现场的技术人员最关心的是顺控流程。我个人比较倾向于（3）的方式。

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。

2．3 PLC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
1）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。

2）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（ALL IN WORKING）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。

3）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（Remote Input/Output）方式，一种是分布DIO（Distributed  Input/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（Remote  Drop）。

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。

4）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。

6）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线。隔河岩水电厂机组单机容量大，考虑的较完善，因此I/O点数多。开关量输入有320点，开关量输出有128点，温度点数有64点，非电气模拟量输入有32点，模拟量输出8点。共有I/O模块25块，每个模块有40端子需要与端子现联，至少要有1000线需要接。但现场安装改造时间非常有限，必须采取效率更高的方法。采用施耐德的快速接线系统CableFast是一种好的解决方法。CableFast快速配线系统是施耐德公司的标准产品，它将Quantum 接线端子与端子块预先用电缆连接好，端子块可以直接安装在DIN导轨上，外部接线可以直接接在端子块上，这样就减少了配线的工作量，节省了大量时间，是一种比较好的方式。

2．7精心设计认真准备
为了使现场的配线、改造的工作量最小，也为以后的维护方便，需要精心地进行设计。合理布局，合理配置。一般外部端子接线不要改变，这样就可以减少施工时间。另外，要进行充分的准备，各种配件、各种工具等，否则就会影响工期。在隔河岩现场改造过程中，我们较好解决了这个问题，使得现场的改造、装配工作有条不紊地进行，在保障工期地前提下，使装配地工艺操作原进口设备地工艺水平，得到电厂地好评。

3．结语
在清江隔河岩水电厂现地控制单元（LCU）改造中，在结构、技术路线、实现方法上都有所创新。主要体现在水电行业首次使用QUANTUM  PLC 直接上网（取消工控机），体现在采用了双机热备冗余、双网、部分I/O冗余及电源的冗余。

隔河岩水电厂的LCU尤其是机组LCU I/O点数多，是一般同规模机组的3到4倍。而且监控系统的改造要求高，特别是时间短。在不到三周的时间里，要进行现场安装、配线、调试，时间非常紧。经过与电厂等有关方面的积极配合，隔河岩水电厂计算机改造工程已基本完成。目前，设备运行良好，预期的目标基本实现，效果是好的。

刘晓波  王德宽  刘晓鹏 （中国水利水电科学研究院自动化所   北京  100038）