工業(yè)以太網(wǎng)在電廠輔控系統(tǒng)中的應用

工業(yè)以太網(wǎng)在電廠輔控系統(tǒng)中的應用發(fā)表時間:2003-7-25何葉青摘要：1

概述：

進入90年代，隨著進口機組在國內(nèi)的成功運行，在火力發(fā)電廠中對鍋爐、汽機的控制已完全實現(xiàn)了分散控制、集中管理，即采用分散控制系統(tǒng)(DCS)實現(xiàn)。隨著電力體制改革的不斷進行，實行“廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)〞，實行現(xiàn)代化電廠的管理模式已經(jīng)普遍被接受，電廠人員的配備也要求按照新廠新方法實施，這就要求在輔助生產(chǎn)車間取消值班點，盡可能也減少運行及管理人員。

目前新建的大型火力發(fā)電廠的輔助生產(chǎn)車間的控制都采用PLC+上位機的程序控制方式，在PLC與上位機之間必須有一級控制網(wǎng)，這級網(wǎng)是實現(xiàn)監(jiān)控的重要通訊網(wǎng)絡。由于電廠的輔助生產(chǎn)車間設備眾多，分布廣泛，采用的PLC型號也眾多，各種PLC廠家網(wǎng)絡結構也多種多樣，怎樣實現(xiàn)全廠的網(wǎng)絡的統(tǒng)一性，是電廠輔控水平上臺階的關鍵。工業(yè)以太網(wǎng)就很好的解決了這個問題。

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輔控系統(tǒng)的控制方式：

按照2000年燃煤示范電廠的要求，大型火力發(fā)電廠的輔助生產(chǎn)車間均是按“水〞、“煤〞、“灰〞三個網(wǎng)來設置的，每一網(wǎng)都獨立成一個系統(tǒng)，以益陽電廠為例，“水〞網(wǎng)主要以化學補給水處理為主，涵蓋全廠與水系統(tǒng)處理有關的輔助車間。包括化學補給水處理、化學廢水處理、灰水回收處理、生活污水處理等控制系統(tǒng)?！懊酣暰W(wǎng)是以輸煤程控為主，涵蓋全廠與燃煤／燃油有關的輔助車間，包括輸煤程控、燃油泵房、含油污水處理、含煤廢水處理等控制系統(tǒng)。“灰〞網(wǎng)包括除灰渣、電除塵等控制系統(tǒng)。三個系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構采用MODICON公司的ModbusPlus專用網(wǎng)。但在調(diào)試和運行的期間，我們發(fā)現(xiàn)專用網(wǎng)還是有一些缺乏，如開發(fā)性、冗余性以及通訊速率均受到影響。特別是在上位機上網(wǎng)必須采用SA85卡，所以，無法采用筆記本電腦上進行調(diào)試。采用工業(yè)以態(tài)網(wǎng)就可以解決這個問題。

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控制網(wǎng)絡的結構形式：

輔控系統(tǒng)采用程序控制系統(tǒng)的PLC有很多產(chǎn)品，在電力系統(tǒng)使用比擬多的有施耐德公司的ModiconTSXQuantum系列產(chǎn)品；AB公司生產(chǎn)的ControlLogix，西門子公司的S7系列產(chǎn)品；GE公司Fanuc系列產(chǎn)品90PLC等。每一種PLC產(chǎn)品都有自己的專用網(wǎng)絡結構形式，如Modicon公司推出的Modbus和ModbusPLUS網(wǎng)；AB公司的Controlnet專用網(wǎng)；西門子公司推出的SINECHl單元網(wǎng)；以及GE公司推出的Genius網(wǎng)，所有這些專用網(wǎng)都與該公司推出的PLC很匹配，并且都具有較好的平安性。但同時這些專用網(wǎng)絡也具有很多缺乏，如通訊速率、系統(tǒng)的開放性、擴展性等都存在一定的問題。如果采用工業(yè)以太網(wǎng)，許多問題都得到了解決。

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工業(yè)以太網(wǎng)的特點：

工業(yè)以太網(wǎng)具有以下特點：

1)冗于性：在程序控制系統(tǒng)中，PLC系統(tǒng)的專用通訊網(wǎng)絡的冗于一直是一個比擬難解決的問題，包括硬件方面的通訊網(wǎng)和通訊模塊，以及軟件方面的通訊問題都不能實現(xiàn)，如果一旦通訊網(wǎng)和通訊模塊出現(xiàn)問題，整個通訊網(wǎng)絡就會癱瘓。工業(yè)以太網(wǎng)就很好地解決了這個問題，因為如果通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)，通過工業(yè)效勞器和數(shù)據(jù)交換機，就能采用冗于配置，通過交換機，可以任一擴展通訊模

塊，這就可以采用多層的通訊結構。

2)開放性：在控制系統(tǒng)中，一般有兩級網(wǎng)絡，過程控制網(wǎng)和實時監(jiān)控網(wǎng)。在過程控制網(wǎng)種，專用網(wǎng)絡的開放性是制約PLC開展的一個重要原因，一個生產(chǎn)廠商的PLC不能兼容別的生產(chǎn)廠商的PLC，而在一個大型火力發(fā)電廠，PLC型號統(tǒng)一到一種型號幾乎不可能的，這就使得全廠控制系統(tǒng)不能聯(lián)成網(wǎng)。而如果均采用工業(yè)以態(tài)網(wǎng)，就很好地解決了這個問題，因為目前幾種PLC廠家，就已經(jīng)推出了工業(yè)以太網(wǎng)的通訊模塊，軟件方面也有適用工業(yè)以太網(wǎng)的通訊協(xié)議，這是過程控制網(wǎng)采用以太網(wǎng)的開放性的優(yōu)點。在監(jiān)控網(wǎng)中，采用工業(yè)以太網(wǎng)，既可以與下一級過程控制網(wǎng)統(tǒng)一通訊，又可以與廠級通訊網(wǎng)實現(xiàn)通訊，如MIS系統(tǒng)等，使輔助車間的信息，如燃油量、燃煤量等均可在廠級通訊系統(tǒng)中監(jiān)控。

3)擴展性。系統(tǒng)的擴展性可表達在系統(tǒng)的靈活性，由于電廠的輔助生產(chǎn)車間比擬多，而且投運有先后，有時需要將一些小的車間納入控制系統(tǒng)中，統(tǒng)一實行監(jiān)控，工業(yè)以太網(wǎng)是一個很靈活的網(wǎng)絡，只需將控制子系統(tǒng)中增加以太網(wǎng)卡和在上位機監(jiān)控系統(tǒng)中增加以太網(wǎng)模塊，以及一些編程，即可實現(xiàn)監(jiān)控。一般的專用網(wǎng)的總長度一般不能超過3公里，而采用工業(yè)以太網(wǎng)的總長度可到達30公里以上。

4)可靠性。以太網(wǎng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用之所以一直沒有大范圍的推廣，一個重要的原因是認為以太網(wǎng)可靠性不高，實際上，以太網(wǎng)具有更高的可靠性。如在網(wǎng)絡的通訊數(shù)據(jù)量相同時，工業(yè)以太網(wǎng)的負荷率比令牌網(wǎng)的負荷率降低50％。一般的專用網(wǎng)的通訊速率是10M，而工業(yè)以太網(wǎng)可到達100M，甚至1000M，所以這大大提高了系統(tǒng)監(jiān)控的實時性。

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工業(yè)以太網(wǎng)在電廠輔控的應用：

以株洲電廠二期技改工程為例，簡單介紹工業(yè)以太網(wǎng)在輔助生產(chǎn)車間的應用。

輔助車間控制網(wǎng)絡通過網(wǎng)絡中心交換機與其它站點交換機(或集線器)連接，構成網(wǎng)絡的主干。此網(wǎng)絡采用100Mbps的光纖以太網(wǎng)(快速以太網(wǎng))作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿襟w；而控制層采用以太網(wǎng)連接。網(wǎng)絡拓撲結構采用可靠性高的雙冗余的星型結構，將遠方1號／2號熱工電子設備間的網(wǎng)絡中心交換機與各站交換機(或集線器)用光纖連接，構成100Mbps快速以太網(wǎng)主干。

雙冗余星形結構有以下特點：

．網(wǎng)絡結構靈活、便于網(wǎng)絡擴展和維護、適合輔助車間系統(tǒng)控制應用。

．星形網(wǎng)絡結構中各通訊點均為獨立通道、某一段通訊線故障不會影響其它通訊節(jié)點的正常工作、對現(xiàn)場故障查除也很方便。

．雙冗余星形結構較單一星形結構網(wǎng)絡可靠性更高。

總個輔控車間的控制采用“水〞“煤〞“灰〞三個網(wǎng)絡控制來實現(xiàn)控制。

“水〞網(wǎng)：在化補水處理車間設置水網(wǎng)集中控制室，在該集中控制室內(nèi)對化補水處理、凈水站、化學廢水處理、生活污水和灰水回收、啟動鍋爐、制氫站等實行統(tǒng)一監(jiān)控。作臨時值班調(diào)試用的2套水網(wǎng)上位機及水網(wǎng)交換機等網(wǎng)絡設備布置在該集中控制室內(nèi)，PLC柜及遠程I/O布置在各車間內(nèi)。其中制氫站設置1臺移動式調(diào)試上位機。

“煤〞網(wǎng)：在輸煤綜合樓設置煤網(wǎng)集中控制室，在該集中控制室內(nèi)對輸煤配煤系統(tǒng)、燃油泵房、含煤廢水、含油污水等實行統(tǒng)一監(jiān)控。作臨時值班調(diào)試用的2套煤網(wǎng)上位機及煤網(wǎng)交換機等網(wǎng)絡設備布置在該集中控制室內(nèi)，PLC柜及遠程I/O布置在各車間內(nèi)。其中燃油泵房設置1臺移動式調(diào)試上位機。

“灰〞網(wǎng)：主要將水力除灰、干除灰以及除渣系統(tǒng)作為一個控制網(wǎng)，將電除塵設備的控制也納入灰網(wǎng)的控制，在除灰車間設立上位機，統(tǒng)一實現(xiàn)監(jiān)控。

以下以“水〞網(wǎng)絡結構圖為例加以說明：

根本配置是：PLC采用SCHNEIDER公司MODICONQUANTUM(昆騰)系列。CPU的為140CPU43412。各站(包括本地站和遠程站)耗電均不得超過所配電源容量的60％，數(shù)字量輸入模板(D1)采用24VDC32點模板140DDl35300，數(shù)字量輸出模板(D0)采用16點繼電器輸出模板140DRA84000，模擬量輸入模板(AI)4～20mA信號采用16點模板140ACI04000，熱電阻RTD信號采用8點模板140ARI03010。

執(zhí)行機構、電動頭反應信號以及電動機電流信號等4—20mA模擬量輸入信號采用進口隔離器進行隔離，減小電氣干擾，模擬量輸出模板(A0)采用4點模板140ACO02000，并采用進口隔離器進行隔離，減小電氣干擾，本地站必須配置MODBUSPLUS通信模板140NOM21200，遠程I/O方案各站點必須配置適配模板，主站采用140CRP93200，遠程站采用140CRA93200，為保證PLC系統(tǒng)的完整性，配備了系統(tǒng)所需的各種接頭、分支器、終端器、電纜，各車間PLC配置時I/O點裕量不小于10％，機架槽位裕量不小于10％；

上位機采用原裝進口德國西門子或美國APPRO工控機，并提供交貨最新和最高檔次的產(chǎn)品。要求最低配置不低于PentiumIll700MHz，256M內(nèi)存，20G(SCSI總線)硬盤，聲卡，配48倍速光驅(qū)，3．5時軟驅(qū)，標準鍵盤，鼠標器，多媒體音箱一對，一塊工業(yè)級PCI100M以太網(wǎng)卡，兩個RS232串口、一個并口和兩個USB口，顯示器采用DELL21時純平顯示器，分辨率1600X1280。配置兩臺打印機，一臺惠普公司的A3彩噴打印機，一臺惠普公司的A4激光打印機。配置一臺可寫光盤機，一臺便攜式編程器。便攜式編程器選用IBM筆記本電腦，最低配置不低于PentiumIII933MHz，128M內(nèi)存，20G硬盤，14時液晶屏，配16倍速DVD，3．5軟驅(qū)，鼠標器，一塊10／100M以太網(wǎng)卡，內(nèi)置MODEM。

上位機監(jiān)控軟件可以基于簡體中文版WINDOWS2000及以上版本環(huán)境下運行，使系統(tǒng)既有較好的運行實時性和多任務性，又有良好的開放性和穩(wěn)定性。每個PLC控制網(wǎng)應至少配給