水工业使用PLC以太网实现对隔河岩电厂LCU改造

国际金属加工网 2015年03月17日

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。

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。

LCU改造的特点

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。

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(FunctionBlockDiagram功能块图)、SFC(SequentialFunctionChart顺序功能图)、LD(LaddarDiagram梯形图)、ST(StructuredText结构化文本)和IL(Instructionpst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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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QUANTUMPLC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LCUI/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。


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