NA400可編程控制器在水電自動化中的應用

　　本文首先介紹了國產(chǎn)NA400可編程控制器的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及配置，重點從編程與調(diào)試環(huán)境、系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)可靠性設(shè)計、針對水電廠的設(shè)計、性能價格比等方面介紹了NA400可編程控制器的技術(shù)特點，最后介紹了以NA400可編程控制器為核心控制平臺的工程應用實例。NA400可編程控制器與傳統(tǒng)PLC相比在順序控制圖編程、特色功能塊、系統(tǒng)的開放性和可靠性等方面具有明顯的特點。

　　1、引言

　　可編程控制器作為一種通用工業(yè)控制器，廣泛應用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域。目前中國PLC市場主要廠商為Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、GE-Fanuc等國際大公司，歐美公司在大、中型PLC領(lǐng)域占有絕對優(yōu)勢，日本公司在小型PLC領(lǐng)域占據(jù)十分重要的位置，韓國和中國臺灣的公司在小型PLC領(lǐng)域也有一定市場份額，大陸國產(chǎn)PLC的市場份額幾乎可以忽略。國內(nèi)曾有研究單位開發(fā)PLC產(chǎn)品，后因種種原因沒有發(fā)展起來。值得欣慰的是，國內(nèi)已有公司開始拓展PLC業(yè)務，并在中國PLC市場有了一定聲音。但其產(chǎn)品主要集中在低端小型PLC上，在大中型PLC研究上國內(nèi)尚無具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。

　　南大傲拓科技多年來一直致力于可編程控制器的研究，產(chǎn)品涵蓋從小型一體化PLC到大型PLC的全系列產(chǎn)品，公司在水利、水電、水處理、重型裝備業(yè)、物流等等控制領(lǐng)域得到廣泛應用。NA400可編程控制器由南大傲拓科技江蘇有限公司自主設(shè)計與研發(fā)，本產(chǎn)品已獲得CE認證，并將進行FC認證和船級社認證，已獲得專利和軟件著作權(quán)多項。NA400可編程控制器和同類產(chǎn)品相比具有明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)先進，模塊安裝位置靈活，內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)場總線，打破國外同檔次PLC采用多總線的模式，大大提高了PLC的抗干擾能力和環(huán)境適應能力。國內(nèi)唯一一套自主開發(fā)的全面支持IEC61131-3國際標準的軟件系統(tǒng)，并具有獨創(chuàng)的順序控制圖編程語言。該PLC具有在線監(jiān)視、在線修改、在線調(diào)試、在線仿真等功能，方便用戶的開發(fā)與調(diào)試。

　　NA400可編程控制器采用了嵌入式軟件、硬件技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)等技術(shù)開發(fā)的。針對不同的應用開發(fā)了NA600大型PLC、NA400中大型PLC、NA200小型PLC等多種不同類型的PLC，分別應用于大型水電站、中小型水電站及輔機、閘門等不同的應用場合。本文將從NA400可編程控制器體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)配置、技術(shù)特點、工程應用實例等幾方面介紹NA-PLC及水電廠的應用。

　　2、NA400可編程控制器體系結(jié)構(gòu)與特點

　　2.1 體系結(jié)構(gòu)：

　　NA400可編程控制器采用LAN/FieldBud系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，提供標準的以太網(wǎng)接口完成與上微機系統(tǒng)的通信，通信規(guī)約采用開放的、標準ModBus TCP規(guī)約。CPU模件和I/O模件之間采用現(xiàn)場總線作為內(nèi)部總線及擴展總線，現(xiàn)場總線特有的高可靠性和對現(xiàn)場環(huán)境的適應能力，使得NA400可編程控制器系列PLC系統(tǒng)配置的靈活性和可靠性也大大提高。圖1以雙CPU雙以太網(wǎng)熱備冗余、單CPU雙以太網(wǎng)和單CPU雙以太網(wǎng)三種典型的應用。為水電廠的應用提供靈活的系統(tǒng)配置方式，適用于更加廣泛的現(xiàn)場應用。

　　2.2 系統(tǒng)配置：

　　NA400可編程控制器提供三種系統(tǒng)配置，包括單CPU單以太網(wǎng)模式、單CPU雙以太網(wǎng)冗余模式、雙CPU冗余模式，多種靈活的系統(tǒng)配置模式可以更好地適用多種不同的實際應用。提供了多種類型模件包括電源模件、三種不同類型的CPU模件、串口通信模件(提供8個標準的RS232/RS485)、開關(guān)量輸入模件、SOE模件、開關(guān)量輸出模件、模擬量輸入模件(電流型和電壓型)、溫度量模件等。

NA400控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　2.3 技術(shù)特點

　　2.3.1 通信網(wǎng)絡(luò)

　　(1) 以太網(wǎng)通訊接口

　　CPU模件集成10M/100M以太網(wǎng)接口，支持Modbus/TCP規(guī)約，支持雙以太網(wǎng)冗余配置。

　　(2) 串口通訊功能

　　NA400可編程控制器提供了串口通訊模塊，并可自由配置模塊的數(shù)量。每個串口通訊模塊提供4個串口，每個串口均支持RS-232/RS-485接口標準，并且全部支持編程。

　　(3) 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)

　　NA400可編程控制器采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，具有通訊速率快、抗干擾能力強、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、實時性好等特點，并且具有很好的擴展性，易于實現(xiàn)模塊的靈活配置，且對于現(xiàn)場環(huán)境及安裝要求都不是很高，同時為系統(tǒng)擴展及遠程控制都提供了方便。NA400可編程控制器支持ProfiBus-DP、CANOpen、ModBus等不同類型的現(xiàn)場總線接口，可以方便地與其他系統(tǒng)連接。

　　2.3.2 高可靠性設(shè)計

　　(1) 全智能I/O設(shè)計和一系列安全性、可靠性設(shè)計為系統(tǒng)的安全可靠運行提供了保障

　　¨ 開入模件的光電隔離和軟件濾波功能;

　　¨ 開出回路密碼鎖設(shè)計，開出模件的反讀、校核及執(zhí)行繼電器的聯(lián)合控制保證在任何情況下不會發(fā)生誤動;

　　¨ 溫度量模件先進的每路獨立橫流源設(shè)計大大提高了采集速度和抗干擾性;

　　¨ 模擬量模件飛度電容的設(shè)計方法保證了內(nèi)部電路和外界干擾的絕對隔離，大大提高了采集精度，最大限度地降低了模擬量漂移。

　　(2) 雙機熱備冗余設(shè)計

　　NA400可編程控制器提供了雙機熱備冗余方案。無需用戶編程，監(jiān)控模塊之間實時自動備份數(shù)據(jù)，一旦一個監(jiān)控模塊癱瘓，另一個監(jiān)控模塊可單獨運行，不會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

　　(3) 滿足一系列電磁兼容性國際標準

　　為了提高PLC系統(tǒng)的可靠性、在設(shè)計過程中遵循了電磁兼容性國際標準，通過設(shè)計開發(fā)中的針對性的設(shè)計。NA400可編程控制器的電氣技術(shù)指標及電磁兼容性如下：

　　¨ 環(huán)境溫度：-10℃~60℃;

　　¨ 浪涌抗擾度：4kV(共模)/2kV(差模)，4級(IEC61000-4-5);

　　¨ 振蕩及抗擾度：2.5kV(共模)/1kV(差模)，3級(IEC61000-4-12);

　　¨ 快速瞬變：±4kV(電源)/±2kV(I/O)，4級(IEC61000-4-4);

　　¨ 靜電放電：±15kV(空氣)/±8kV(接觸)，4級(IEC61000-4-2);

　　¨ 輻射電磁場抗干擾：10V/m，頻率80MHz~1GHz，3級(IEC61000-4-3)。

　　2.3.3 針對水電廠的設(shè)計

　　¨ 方便的可視化流程圖編程語言，使復雜控制流程的實現(xiàn)變得非常簡單;

　　¨ 全漢化的梯形圖設(shè)計大大提高了梯形圖程序的可讀性;

　　¨ 針對水電廠的專用功能塊設(shè)計使其更適宜于水電廠(脈沖型開出、SOE);

　　¨ 獨有的SOE模件大大提高了事件分辨率(<1ms)

　　¨ 多串口模件設(shè)計，大大提高了與其它智能設(shè)備的通信能力。

　　¨ 方便的現(xiàn)地人機接口，提供了與觸摸屏的串行通訊接口，支持Modbus通訊協(xié)議。可與多種觸摸屏直接連接，無需增加輔助設(shè)備，也無需編寫通訊驅(qū)動程序。

　　2.4 更高的性價比

　　¨ CPU模件集成以太網(wǎng)接口(節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)模件)

　　¨ 串口通信模件提供的豐富通信接口;

　　¨ 擴展無需擴展模件(節(jié)省了擴展模件);

　　¨ 雙機熱備冗余僅靠一條冗余電纜即可完成(節(jié)省了熱備模件)。

　　3. NAPro編程軟件

　　NA-PLC編程與調(diào)試開發(fā)工具——NAPro軟件，支持符合IEC61131-3國際標準的編程語言及獨創(chuàng)的順序控制圖語言，并提供收費合理的軟件定制化服務。NAPro不但支持在線調(diào)試、在線下載，還將支持數(shù)據(jù)以曲線形式顯示。該軟件系統(tǒng)配置簡單、編程易學，并提供斷點、單步執(zhí)行、監(jiān)視執(zhí)行和調(diào)試執(zhí)行等調(diào)試手段，適合國內(nèi)的思維習慣，其方便性大大優(yōu)于國外PLC編程軟件。

　　3.1支持IEC61131-3國際標準的編程語言

　　支持全部5種IEC61131-3編程語言，同一項目中的任一代碼段均可選擇不同的語言編程，且可相互調(diào)用。這5種編程語言包括：LD：梯形圖、ST：結(jié)構(gòu)文本、IL：指令表、FBD：功能塊圖、SFC：順序功能圖。

　　3.2 獨創(chuàng)的順序控制圖(SCC)編程語言

　　在控制領(lǐng)域中，大量使用的控制操作為順序控制方式，為此NAPro提供了獨創(chuàng)的順序控制圖，它是一種簡單的圖形化過程描述，非常直觀方便。

　　3.3 多任務

　　NAPro支持多達64個任務(優(yōu)先級0~63)，優(yōu)先級0為主任務，循環(huán)執(zhí)行，其它任務均為周期執(zhí)行，可設(shè)置任務周期。此外，還支持定時器中斷任務和外部硬件中斷任務。

　　3.4 事故追憶功能

　　NAPro具有事故追憶功能，對事故發(fā)生前后的重要參數(shù)進行追憶記錄，以供運行人員分析事故。一張追憶表中可以有多個啟動源，可以追憶多個測點。最大存儲數(shù)據(jù)可達128Mbytes。

　　除上述特色功能外，NAPro軟件具有豐富的運算控制功能、實時的在線監(jiān)測功能、完備的在線修改功能、強大的在線調(diào)試功能、完善的仿真功能、友好的軟件設(shè)計界面、有效的診斷工具等特色設(shè)計。

　　4. 工程應用實例

　　多年來NA系列可編程控制器已在水利、水電自動化、煤炭自動化、物流、重型裝備業(yè)等行業(yè)。NA400可編程控制器在中小型水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)中得到了大量應用，下面介紹NA400可編程控制器在某中型水電廠的典型應用。

　　4.1工程概述

　　老虎山電站總裝機為2*12500kW，發(fā)電機額定電壓6.3kV。沖擊式立式機組。

　　電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)分為主控級和現(xiàn)地控制單元級，主控級和現(xiàn)地控制單元級采用100Mbps光纖相連。

　　監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

　　(1) 主機/操作員工作站 2套

　　配置兩臺主機/操作員工作站，安裝于老虎山電站控制室。

　　主機的功能包括對整個電廠的運行管理、數(shù)據(jù)庫管理、綜合計算、AGC及AVC計算和處理、事故和故障的分析處理等。兩臺主機采用冗余工作方式，任何一臺主機故障，系統(tǒng)仍可正常運行，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。

　　主機同時供運行值班人員使用，具有圖形顯示、全廠運行監(jiān)視和控制功能、發(fā)操作控制命令、作定值修改、設(shè)定與變更工作方式等功能。

　　全廠所有的操作控制都可以通過鼠標器及鍵盤而實現(xiàn);通過彩色顯示器可以對全廠的生產(chǎn)、設(shè)備運行作實時監(jiān)視，并取得所需的各種信息;主機同時兼工程師工作站的功能，供工程師維護系統(tǒng)及參數(shù)修改;采用雙機，互為冗余熱備，切換無擾動;配置聲卡、音箱和語言軟件，設(shè)置語音報警系統(tǒng)作為電站監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，對電站故障和事故發(fā)語音報警，提醒運行人員;具有語音報警、測試等功能。

　　操作員工作站是高性能、多任務、多用戶型通用型工作站，配有足夠的通信接口，各種存儲器帶保護裝置，防止和避免因電源或不正確操作造成信息丟失和改變。

　　(2) 通信工作站 1套

　　設(shè)一套通信工作站，該機完成與全站電子電能表、消防報警裝置、取水口閘門控制系統(tǒng)及其它裝置的接口，該機完成與上級調(diào)度系統(tǒng)的通訊。

　　(3) 打印機 1臺

　　配1臺A3黑白激光打印機用于操作及報警記錄(主要為報警記錄)等打印，另電站已配一臺針式打印機用于報表的打印，兩臺工作打印機可互為備用。

　　(4) GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng) 1套

　　采用GPS衛(wèi)星時鐘系統(tǒng)對監(jiān)控系統(tǒng)的主控級計算機和各現(xiàn)地控制單元(LCU)進行時鐘同步。

　　(5) 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 1套

　　一電站配3COM的10/100Mbps以太網(wǎng)交換機3C16470一臺，網(wǎng)絡(luò)符合工業(yè)通用的國際標準IEEE802.3以及TCP/IP規(guī)約。

　　主計算機、通信服務器和各LCU通過10/100M網(wǎng)絡(luò)交換機聯(lián)結(jié)成快速以太網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)主要為光纖電纜，單網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)速率為100Mbps;

　　(6) 現(xiàn)地控制單元(LCU)

　　LCU共4套，老虎山站：機組LCU 2套、公用開關(guān)站LCU 1套、開關(guān)站LCU 1套，實現(xiàn)對各生產(chǎn)對象的監(jiān)控。

　　LCU向上直接通過100Mbps快速以太網(wǎng)與上位機通信;PLC和觸摸屏通過串行口相互通信;

　　每套機組LCU配一臺通信管理機通過串行口與本單元的PLC通信;通信管理機負責微機轉(zhuǎn)速裝置、微機溫度巡檢裝置、交流采樣裝置、微機保護及其他智能裝置與PLC進行通信。

　　LCU主要完成數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)預處理功能，同時也具有控制操作和監(jiān)視功能。其設(shè)計能保證當它與主機系統(tǒng)脫離后仍然能實現(xiàn)對機組進行必要的監(jiān)視和控制功能，這些功能包括機組的開、停操作;有功、無功負荷增、減;機組運行狀態(tài)及參數(shù)的監(jiān)視，而當其與主機恢復聯(lián)系后又能自動地服從上位機系統(tǒng)的控制和管理。

　　4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　4.3 系統(tǒng)優(yōu)勢

　　NA400 PLC針對電力行業(yè)具有獨特的功能特點，其中SOE模塊分辨率為1ms，時間記錄精確，性能可靠;背板自帶GPS對時接口，無需軟件、硬件配置，系統(tǒng)自動完成對時功能，操作簡單實用;CMM401串口通訊模塊，可以擴展4或8個RS232串口，每個串口支持C語言自定義編程，使用方便，與CPU交換數(shù)據(jù)采用現(xiàn)場總線，數(shù)據(jù)交換速率快，操作簡單。其他廠家PLC沒有針對電力行業(yè)特有功能進行開發(fā)，系統(tǒng)實現(xiàn)上存在一定的缺陷，同時價格成本比較高。

　　5. 結(jié)語

　　NA-PLC具有傳統(tǒng)通用PLC的所有特點，是通用的工業(yè)控制平臺，可以廣泛地應用于多種工業(yè)控制。同時NA400可編程控制器又具有顯著的特點使在應用中更靈活、更方便。為適用順序控制的特點、解決傳統(tǒng)PLC調(diào)試困難、不直觀的缺點，NA400可編程控制器開發(fā)了順序控制圖語言，使順序控制過程的實現(xiàn)簡單、調(diào)試直觀;為提高在電力系統(tǒng)應用的方便性對傳統(tǒng)梯形圖語言功能塊進行了擴充，增加了SOE功能塊、脈沖型開出等獨具特色的功能塊使用戶編程更加方便;NA400可編程控制器所具有的以太網(wǎng)遠程編程與調(diào)試功能可以方便地解決遠方(如遠程控制中心等)對現(xiàn)地LCU的編程與維護，為電廠實現(xiàn)“無人值班”(少人值守)、甚至關(guān)門運行提供了技術(shù)基礎(chǔ)。