施耐德PLC在發(fā)電輔助系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

寶二電廠(4x300mw機組)外圍輔助系統(tǒng)，包括除灰系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)、化水系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)等都采用的是相互獨立、分散的常規(guī)plc控制系統(tǒng)，由于各輔助系統(tǒng)工藝有其不同的特性，所以采用的控制系統(tǒng)配置不同、技術(shù)水平、監(jiān)控方式各異。在寶二電廠的外圍輔助plc控制系統(tǒng)中全部采用上位機——法國施耐德 modicon quantum系列plc組成集成監(jiān)控系統(tǒng)。plc組態(tài)軟件modsoft2.6，監(jiān)控軟件采用美國wonderware公司的intouch(運行版和開發(fā)版)。

2 plc控制系統(tǒng)配置組態(tài)方式

modiconquantum系列plc提供高度靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從集中控制到高級分布系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)的分布控制系統(tǒng)，靈活組合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最大程度滿足控制需要。plc控制系統(tǒng)配置組態(tài)方式有多種，在寶二公司輔助系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)設(shè)備運行重要性不同，對plc控制系統(tǒng)配置分為三種情況：①雙cpu熱備雙i/o網(wǎng)冗余單路mb+配置；②雙cpu熱備雙i/o網(wǎng)雙路mb+配置；③單cpu單i/o網(wǎng)單路mb+配置。其中②性能最可靠，工程造價也最高；③性能較差，工程造價也低。

　　2.1 雙cpu熱備雙i/o網(wǎng)冗余單路mb+配置

雙cpu熱備雙i/o網(wǎng)冗余單路mb+配置參見圖1所示。寶二公司的除灰網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、輸煤程控系統(tǒng)采用這種配置。plc系統(tǒng)采用雙機熱備配置可以提高控制系統(tǒng)可靠性。雙機熱備系統(tǒng)必須包括兩個機架配置組態(tài)完全相同，每個機架上分別裝有一塊140cps電源模塊、一塊cpu模塊、一塊140crp遠程通訊處理器及一塊140chs11000熱備通訊模塊，組成了雙機熱備冗余系統(tǒng)配置。兩塊熱備模塊通過兩芯光纜彼此相連，每個掃描周期，主cpu都要根據(jù)自身的i/o狀態(tài)表，通過熱備模塊間的通訊來更新備用cpu的i/o狀態(tài)表，使備用cpu始終與主cpu保持同步，從而當(dāng)主cpu模塊或系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過熱備通訊模塊及熱備通訊組件，可以完全同步地、無擾動地進行cpu模塊的切換，此時輔助(熱備)cpu模塊支持系統(tǒng)不間斷地繼續(xù)工作。程控系統(tǒng)主機采用2臺研華工控機，組成一套完整的雙機熱備系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。其中，一臺為運行主控器，另一臺為工程師開發(fā)機。當(dāng)一臺出現(xiàn)故障時，另一臺依然保證運行人員操作，保證系統(tǒng)可靠連續(xù)運行，工控機監(jiān)控軟件采用wonderware的intouch軟件，plc開發(fā)組態(tài)軟件是modsoft 2.6，操作系統(tǒng)是windows 98/95，采用modbus plus通訊協(xié)議，以sa85卡提供的rs485電氣接口連接plc的控制器cpu卡件，另配打印機組成一個監(jiān)控系統(tǒng)，作為運行人員監(jiān)控之用。

圖1 cpu熱備雙i/o網(wǎng)單路mb+通訊

　　熱備雙i/o網(wǎng)通信介質(zhì)為雙路同軸電纜，遠程通訊卡140cra與本地站通訊卡140crp之間采用了與modbus plus相同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(稱為quantuam分布式i/o通信技術(shù))雙路同軸電纜連接，傳輸距離最長為4.5km，傳輸速率為1.5mhz。本系統(tǒng)設(shè)計傳輸距離為300m。傳輸速率為1.5mhz。遠程站有雙接口的140cra與本地站有雙接口140crp之間用雙路同軸電纜連接。

2.2 雙cpu熱備雙i/o網(wǎng)雙路mb+配置

雙cpu熱備雙i/o網(wǎng)雙路mb+配置參見圖2所示。寶二公司的化學(xué)循環(huán)水處理控制系統(tǒng)采用這種配置。該項工程建設(shè)于2004年，plc技術(shù)水平比97年有很大發(fā)展，由于其經(jīng)濟成本下降和該工程的環(huán)保節(jié)約型重要性，并且plc控制柜與上位機相距50多米，所以采用了雙cpu熱備雙i/o網(wǎng)雙路mb+配置。雙路mb+保證了遠距離監(jiān)控可靠性。

圖2 cpu熱備雙i/o網(wǎng)冗余mb+通訊

　　plc系統(tǒng)配置同第1種基本一致。雙機熱備系統(tǒng)必須包括兩個機架配置組態(tài)完全相同，每個機架上分別裝有一塊140cps電源模塊、一塊cpu模塊、一塊140crp遠程通訊處理器及一塊140chs11000熱備通訊模塊，另外還有一塊雙mb+口的140nom2120網(wǎng)絡(luò)模塊，組成了雙機熱備冗余系統(tǒng)配置。兩塊熱備模塊通過兩芯光纜彼此相連，使備用cpu始終與主cpu保持同步，從而當(dāng)主cpu模塊或系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過熱備通訊模塊及熱備通訊組件，可以完全同步地、無擾動地進行cpu模塊的切換，此時輔助(熱備)cpu模塊支持系統(tǒng)不間斷地繼續(xù)工作。

程控系統(tǒng)主機采用2臺研華610工控機，組成一套完整的雙機熱備雙網(wǎng)絡(luò)冗余系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。其中，一臺為運行主控器，另一臺為工程師開發(fā)機。當(dāng)一臺出現(xiàn)故障時，另一臺依然保證運行人員操作，一條通訊線路故障時、另一條通訊線路依然保證系統(tǒng)可靠連續(xù)運行，工控機監(jiān)控軟件采用wonderware的intouch軟件，plc開發(fā)組態(tài)軟件是 concept2.6，操作系統(tǒng)是windows 2000/nt，采用modbus plus通訊協(xié)議，以nhm30032卡提供的雙rs485電氣接口連接plc系統(tǒng)的兩塊雙mb+口的 140nom2120網(wǎng)絡(luò)模塊，另配打印機組成一個監(jiān)控系統(tǒng)，作為運行人員監(jiān)控之用。其i/o網(wǎng)通信方式和協(xié)議，配置與第①方式完全一樣。

　　2.3 單cpu單i/o網(wǎng)單路mb+配置

　　單cpu單i/o網(wǎng)單路mb+配置參見圖3所示。寶二公司的除渣控制系統(tǒng)、化學(xué)補給水處理控制系統(tǒng)、凝結(jié)水處理控制系統(tǒng)采用這種配置。plc系統(tǒng)采用單機cpu配置，一般分成一本地站和幾個遠程站，本地站機架上分別裝有一塊140cps電源模塊、一塊cpu模塊、一塊140crp遠程通訊處理器及幾塊i/o模塊，遠程站組成一塊140cps電源模塊、一塊140cra本地通訊模塊和幾塊i/o模塊。

圖3 單cpu單i/o網(wǎng)mb+通訊

　　程控系統(tǒng)主機采用1臺或2臺研華工控機，對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。1臺工控機時安裝的開發(fā)狗，它既是工程師站又是操作站，機組除渣控制系統(tǒng)采用該模式；2臺工控機其中一臺為運行主控器，另一臺為工程師開發(fā)機。當(dāng)一臺出現(xiàn)故障時，另一臺依然保證運行人員操作，保證系統(tǒng)可靠連續(xù)運行，工控機監(jiān)控軟件采用wonderware的intouch軟件，plc開發(fā)組態(tài)軟件是modsoft2.6，操作系統(tǒng)是windows 98/95，采用modbus plus通訊協(xié)議，以rs485電氣接口連接plc的控制器cpu卡件，另配打印機組成一個監(jiān)控系統(tǒng)，作為運行人員監(jiān)控之用。

　　遠程站與本地站之間采用與modbus plus相同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，稱為quantuam分布式i/o通信技術(shù)，單介質(zhì)為單路同軸電纜，即140crp與140cra之間只有一路通訊線。當(dāng)該通訊線路故障時，控制系統(tǒng)將失去監(jiān)控功能。所以保證該系統(tǒng)i/o網(wǎng)通信功能顯得尤為重要。
3 應(yīng)用軟件

　　3.1 監(jiān)控軟件intouch

　　寶二公司的輔助系統(tǒng)plc控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用wonderware公司的intouch軟件，早期的intouch5.x軟件是非漢化版本，只能在win 95/98及以下系統(tǒng)安裝，其軟件包帶的軟件狗具有通用性?，F(xiàn)在的intouch8.x軟件是漢化版本，安裝于win2000/nt以上系統(tǒng)，主其軟件包帶的軟件狗不具有通用性，只能一狗對應(yīng)一套軟件。intouch主要特性：它是基于多任務(wù)，多平臺，實時性好，開放性好的集成軟件包。軟件中包含了大量強大的圖形化工具允許用戶能夠快速直觀地建立面向過程的實時窗口，使用戶能夠快速簡單地開啟系統(tǒng)，而且提供了工業(yè)界強大的功能，包括實時過程的監(jiān)視和監(jiān)督控制，報警和報警管理，歷史趨勢，統(tǒng)計過程控制，基于用戶的安全系統(tǒng)，方便的系統(tǒng)擴展，網(wǎng)絡(luò)通訊等。而且數(shù)據(jù)可以很方便地在網(wǎng)絡(luò)上共享。intouch提供了數(shù)據(jù)管理庫的輸入、輸出功能，可以把tag信息輸出到excel工具中，可以在excel中方便地完成繁瑣的tag點定義設(shè)置工作，再從excel回輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中來等等intouch包括兩個全集成的環(huán)境，組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境，它提供了開發(fā)和顯示的畫面，生成報表和vba語言程序，并與實時數(shù)據(jù)交互工作，組態(tài)不僅提供了所有圖形，文本，數(shù)據(jù)。動態(tài)和趨勢圖形工具，通過這些工具生成容易操作和理解的畫面，在運行和組態(tài)環(huán)境之間可快速完成測試對畫面的修改，同時保持實時報警和數(shù)據(jù)采集。

　　在當(dāng)時windows98環(huán)境條件下，為了確保intouch的正常運行，在安裝windows98后必須從軟驅(qū)中安裝modsoft2.6和intouch5.0的版本的文件。如果現(xiàn)在恢復(fù)win98下的控制系統(tǒng)也必須依靠軟驅(qū)中安裝。intouch在用戶新建工程必須作以下步驟：

　　(1)數(shù)據(jù)庫及設(shè)備驅(qū)動的配置：intouch軟件提供與plc等硬件設(shè)備的接口協(xié)議，可將數(shù)據(jù)從寄存器中讀出(tag名對應(yīng)plc硬件地址)。modicon的sa85卡設(shè)備驅(qū)動程序采用modiconmodbusplus技術(shù)(實質(zhì)是rs485串口驅(qū)動程序)。數(shù)據(jù)庫可從驅(qū)動程序映射表中檢索數(shù)據(jù)，處理過程數(shù)據(jù)(包括指令)等。

　　(2) 應(yīng)用程序的配置：intouch最重要的功能是為用戶提供了可視化的窗口進行過程信息處理。intouch在用戶屏幕上提供的圖形化過程信息，包括原始數(shù)據(jù)、計算數(shù)據(jù)、報警、變量字符串、點信息、趨勢報警或變量狀態(tài)。圖形應(yīng)用程序的核心是從數(shù)據(jù)庫訪問信息。為了直接顯示數(shù)據(jù)，圖形應(yīng)用程序提供了多樣性的鏈接方式，鏈接可以有多種格式及配置的靈活選擇，對系統(tǒng)或過程數(shù)據(jù)進行顯示。操作人員使用鏈接也能向數(shù)據(jù)庫寫數(shù)據(jù)。

　　(3) 報警的配置：本系統(tǒng)默認可容納的最多報警數(shù)為200條。

　　(4) 聲音報警的實現(xiàn)：

　　intouch系統(tǒng)本身系統(tǒng)的聲音報警設(shè)置，在系統(tǒng)組態(tài)環(huán)境中選擇enablehotn啟動報警功能，當(dāng)有報警產(chǎn)生時系統(tǒng)發(fā)出報警聲音。

　　語音提示報警的設(shè)計：因為intouch沒有播放聲音的函數(shù)，必須引用winapi函數(shù)，播放3d.wav文件。

　　兩種類型的報警實現(xiàn)：

　　一是用基于事件的調(diào)度來實現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)沒有確認報警數(shù)增加時則設(shè)置進行長聲音報警。二是語音報警：對于極其重要的點采用語音提示，采用逐點檢測的方式，用基于事件的調(diào)度來實現(xiàn)，若當(dāng)該點報警狀態(tài)變?yōu)閔ihi、lolo或comm這三種類型時，則播放相對應(yīng)的語音文件進行提示。

　　(5)建立報表及打印功能：根據(jù)電廠提供的報表首先用excel建立樣板文件，按各報表和具體情況，用基于時間的調(diào)度程序來實現(xiàn)報表的自動抄表功能。

　　(6) 趨勢圖：系統(tǒng)中共有兩種形式的趨勢圖：

　　總趨勢圖：可以在一下拉列表柜中選擇本系統(tǒng)中想要查看的點，同時進行和歷史趨勢的查看，并能對實時趨勢的時間間隔，歷史趨勢的起止時間和時間間隔分別進行調(diào)整，在同一圖表中可能同時查看多個點的趨勢曲線，能方便地進行增點與減點的操作。

　　實時彈出趨勢圖：在圖片的初始化時，我們將作為參數(shù)帶入的節(jié)點設(shè)置為當(dāng)前節(jié)點，以便顯示其趨勢曲線，在監(jiān)控流程畫面上點擊相應(yīng)設(shè)備時彈出的當(dāng)前點的實時趨勢圖。

　　(7)報警一覽表：在報警一覽表中可進行確認單個報警、刪除單個報警，確認所有報警、刪除所有報警的功能，當(dāng)從某一畫面打開報警一覽表時，只顯示與本畫面有關(guān)的報警，實現(xiàn)方式：在配置模式下，雙擊報警一覽表中的報警匯總控件，在filter表單中設(shè)置過濾條件，即需查看的相應(yīng)報警區(qū)，為了實現(xiàn)顯示報警的監(jiān)控流程圖畫面的功能，在添加數(shù)據(jù)點時，須在報警擴展字段中填寫相應(yīng)的監(jiān)控畫面圖的圖形名稱，此功能才能實現(xiàn)。

　　3.2 編程軟件modsoft/concept

　　modicon公司早期的plc編程軟件是modsoft2.x系列，是非漢化版，必須用軟驅(qū)安裝，安裝于win98以下系統(tǒng)，其實質(zhì)運行環(huán)境就是dos6.x系列操作系統(tǒng)，對于現(xiàn)在恢復(fù)系統(tǒng)工作比較困難。

　　在dos6.x系列操作系統(tǒng)下編程和組態(tài)很不方便?，F(xiàn)在modicon公司推出了plc編程軟件是concept系列，完全用圖形化界面進行各項組態(tài)和編程工作。寶二發(fā)電公司現(xiàn)化學(xué)處理控制系統(tǒng)應(yīng)用concept系列，其余部分都用modsoft2.x系列。無論是concept或者modsoft2.x其基本功能是一致的，核心部分相同。

　　concept和modsoft2.x的指導(dǎo)原則基本一樣，此處主要以concept介紹功能。plc系統(tǒng)配置程序以及所有編輯器都具有相同的外觀和感覺。配置的大多數(shù)步驟，尤其是程序創(chuàng)建，都是在不依賴于要編程的plc的情況下設(shè)計的。整個程序被分成與邏輯結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的若干區(qū)段。配置工具允許對象( 例如功能塊、步以及轉(zhuǎn)移)被輕易地以圖形形式選定、放置或移動。在對象放置過程中，可行性測試已經(jīng)在sfc(順序功能圖/順序語言)編輯器中發(fā)生，因為對象之間的大部分連接都是在放置的過程中自動生成的。硬件組態(tài)(例如cpu、程序內(nèi)存、輸入/輸出單元等)可以在程序創(chuàng)建之前、之中或之后進行。配置任務(wù)可以以在線(連接到plc)和本地(只在pc上)兩種方式進行。配置接受concept檢測，并且只使用有效的組合。這樣就避免了配置錯誤。在在線模式中，配置好的硬件會立即測試有效性，而輸入錯誤將被排除。

　　在concept中項目的創(chuàng)建有7 個主要步驟：

　　(1) 啟動concept并開始一個新的項目；

　　(2) 配置 plc，設(shè)定硬件配置；

　　(3) 創(chuàng)建用戶程序，創(chuàng)建程序新的區(qū)段。

　　(4) 保存項目。

　　(5) 載入并測試項目，在pc和plc之間創(chuàng)建鏈接。將項目下載到plc中并啟動。用在線測試功能來測試程序。現(xiàn)在修改刪除程序中的任何錯誤，將修改過的部分下載到plc 中。

　　(6) 優(yōu)化及分離，建議優(yōu)化程序存儲容量并將優(yōu)化過的程序重新加載到plc中。在成功的加載、測試和優(yōu)化以后，您可以將pc從plc上斷線。程序?qū)㈦x線運行。

　　(7) 創(chuàng)建一套所建項目的完整文檔，為工程項目日后維護、修改提供資料。

4 應(yīng)用中出現(xiàn)的問題及解決

　　通過8年連續(xù)運行，plc控制系統(tǒng)工作一直比較穩(wěn)定。據(jù)統(tǒng)計，在plc控制系統(tǒng)的故障中，cpu的故障率0%，網(wǎng)絡(luò)通訊故障率2%，plc底板故障率1%，i/o板故障率15%，傳感器及開關(guān)故障率占45%，執(zhí)行裝置占30%，接地方面故障占3%，工控機故障率5%。運行中出現(xiàn)問題就地設(shè)備故障率98%，軟件出現(xiàn)問題故障率2%。根據(jù)上述故障分析，我們針對性對執(zhí)行設(shè)備(在溫度高的石子煤系統(tǒng)氣動執(zhí)行器，在濕度較大的精處理系統(tǒng)電動執(zhí)行器)進行治理改造；對一些性能較差的閥門開關(guān)、操作按鈕、傳感器改型改造，減少了傳感元件故障對程序控制的正常運行，對控制系統(tǒng)線路核查整理減少線路接地現(xiàn)象，對除灰除渣等室外設(shè)備進行加裝防雨措施，減少了接地或短路而使卡件損壞故障；利用停機時間對工控機進行清灰，更換工控機風(fēng)扇，減少了工控機的故障，現(xiàn)在plc控制系統(tǒng)整體工作狀況良好。系統(tǒng)經(jīng)過一段時間運行后，發(fā)現(xiàn)了一些軟件編程缺陷：比如部分“成組、連鎖”運行條件與現(xiàn)場設(shè)備條件不一致，使得運行人員操作總是用“單步”操作；也有些監(jiān)控畫面顯示出現(xiàn)問題：

　　如就地設(shè)備與crt設(shè)備不對應(yīng)；

　　就地設(shè)備運行狀態(tài)與crt顯示設(shè)備狀態(tài)不對應(yīng)；

　　部分“步序”畫面不刷新。經(jīng)過對這些問題分析，分別對modsoft中邏輯、intouch中設(shè)置和mbplus組態(tài)設(shè)置重新處理，現(xiàn)在軟件出現(xiàn)問題基本都已經(jīng)處理正常。

5 控制系統(tǒng)改進

　　隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，人們對工業(yè)自動化的要求也越來越高。過去由于控制系統(tǒng)的硬件的限制，人們首先考慮的是實現(xiàn)過程控制中的控制策略，現(xiàn)今控制系統(tǒng)的前端控制器已經(jīng)基本達到各種生產(chǎn)場合下的控制需要。用戶的注意力也轉(zhuǎn)移到了如何更有效的管理生產(chǎn)現(xiàn)場控制系統(tǒng)，尤其是在工廠生產(chǎn)控制系統(tǒng)，在使用先進的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進一步提高生產(chǎn)效率，因此控制系統(tǒng)的可靠性已經(jīng)成為衡量控制系統(tǒng)的重要指標。在主機控制系統(tǒng)上重視促進了dcs發(fā)展迅速。由于人們對輔助系統(tǒng)長期認識重要性不夠，無論在設(shè)計、安裝上明顯與主控系統(tǒng)相差很大，這給投產(chǎn)后運行維護檢修帶來了不少困難，大量資金投入而且效果不顯著。結(jié)合現(xiàn)場實際對輔助系統(tǒng)提出以下幾點建議。

　　5.1 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

　　對電廠輔助系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，就能實現(xiàn)相對的集中控制，減少值班點，提高輔機設(shè)備的自動化的監(jiān)控水平，解決以往電廠中輔助系統(tǒng)控制技術(shù)落后于主系統(tǒng)的現(xiàn)象和實現(xiàn)設(shè)計時提出無人值班要求。全廠建立基于quantum系列plc控制結(jié)構(gòu)的輔助系統(tǒng)集中控制網(wǎng)，采用網(wǎng)絡(luò)控制范圍：

　　(1) 化學(xué)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)： 在化學(xué)補給水處理控制室設(shè)置二臺工控制機，相互備用，主干mb+網(wǎng)絡(luò)上共設(shè)置了7個plc分站。

　　把#1～2機組凝結(jié)水水精處理與#1～2機組汽水取樣采集系統(tǒng)及其加藥控制作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一個分布式i/o分站；

　　把#3、4機組的組凝結(jié)水水精處理、再生系統(tǒng)和汽水取樣采集系統(tǒng)及其加藥控制作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一個分布式i/o分站；

　　把制氫站作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一個分布式i/o分站，可以設(shè)置一臺本地監(jiān)控工控機和雙cpu熱備；

　　把化學(xué)補給水處理為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一個分布式i/o分站；

　　循環(huán)水處理plc系統(tǒng)統(tǒng)分布式i/o分站；

　　化學(xué)廢水處理控制系統(tǒng)分布式i/o分站；

　　生活污水處理控制系統(tǒng)分布式i/o分站。

　　(2)在#1、2和#3、4除灰渣控制室各設(shè)置二臺工控機，主干mb+網(wǎng)絡(luò)上各設(shè)置二個plc控制分站，除灰除渣系統(tǒng)采用雙機熱備的遠程i/or控制方式。把#1、2除灰、除渣、電除塵系統(tǒng)同一一體作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一個分布式i/o分站，把#3、4除灰、除渣、電除塵系統(tǒng)統(tǒng)一一體作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一個分布式i/o分站。

　　(3)輸煤網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)：在輸煤控制室設(shè)置二臺工控機，設(shè)置四個plc控制分站。其中輸煤控制系統(tǒng)是采用雙機熱備遠程i/o控制系統(tǒng)方式，包含了四個輔助工藝系統(tǒng)：