施耐德PLC在發電輔助系統中的應用

1 引言

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

2 plc控制系統配置組態方式

modiconquantum系列plc提供高度靈活的系統結構，從集中控制到高級分布系統及聯網的分布控制系統，靈活組合系統結構最大程度滿足控制需要。plc控制系統配置組態方式有多種，在寶二公司輔助系統設計時，根據設備運行重要性不同，對plc控制系統配置分為三種情況：①雙cpu熱備雙i/o網冗余單路mb+配置；②雙cpu熱備雙i/o網雙路mb+配置；③單cpu單i/o網單路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網冗余單路mb+配置

雙cpu熱備雙i/o網冗余單路mb+配置參見圖1所示。寶二公司的除灰網絡控制系統、輸煤程控系統采用這種配置。plc系統采用雙機熱備配置可以提高控制系統可靠性。雙機熱備系統必須包括兩個機架配置組態完全相同，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都要根據自身的i/o狀態表，通過熱備模塊間的通訊來更新備用cpu的i/o狀態表，使備用cpu始終與主cpu保持同步，從而當主cpu模塊或系統發生故障時，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模塊支持系統不間斷地繼續工作。程控系統主機采用2臺研華工控機，組成一套完整的雙機熱備系統，對系統進行實時監控。其中，一臺為運行主控器，另一臺為工程師開發機。當一臺出現故障時，另一臺依然保證運行人員操作，保證系統可靠連續運行，工控機監控軟件采用wonderware的intouch軟件，plc開發組態軟件是modsoft 2.6，操作系統是windows 98/95，采用modbus plus通訊協議，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控系統，作為運行人員監控之用。

圖1 cpu熱備雙i/o網單路mb+通訊

　　熱備雙i/o網通信介質為雙路同軸電纜，遠程通訊卡140cra與本地站通訊卡140crp之間采用了與modbus plus相同網絡技術(稱為quantuam分布式i/o通信技術)雙路同軸電纜連接，傳輸距離最長為4.5km，傳輸速率為1.5mhz。本系統設計傳輸距離為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網雙路mb+配置

雙cpu熱備雙i/o網雙路mb+配置參見圖2所示。寶二公司的化學循環水處理控制系統采用這種配置。該項工程建設于2004年，plc技術水平比97年有很大發展，由于其經濟成本下降和該工程的環保節約型重要性，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網雙路mb+配置。雙路mb+保證了遠距離監控可靠性。

圖2 cpu熱備雙i/o網冗余mb+通訊

　　plc系統配置同第1種基本一致。雙機熱備系統必須包括兩個機架配置組態完全相同，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網絡模塊，組成了雙機熱備冗余系統配置。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，從而當主cpu模塊或系統發生故障時，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模塊支持系統不間斷地繼續工作。

程控系統主機采用2臺研華610工控機，組成一套完整的雙機熱備雙網絡冗余系統，對系統進行實時監控。其中，一臺為運行主控器，另一臺為工程師開發機。當一臺出現故障時，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可靠連續運行，工控機監控軟件采用wonderware的intouch軟件，plc開發組態軟件是 concept2.6，操作系統是windows 2000/nt，采用modbus plus通訊協議，以nhm30032卡提供的雙rs485電氣接口連接plc系統的兩塊雙mb+口的 140nom2120網絡模塊，另配打印機組成一個監控系統，作為運行人員監控之用。其i/o網通信方式和協議，配置與第①方式完全一樣。

　　2.3 單cpu單i/o網單路mb+配置

　　單cpu單i/o網單路mb+配置參見圖3所示。寶二公司的除渣控制系統、化學補給水處理控制系統、凝結水處理控制系統采用這種配置。plc系統采用單機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mb+通訊

　　程控系統主機采用1臺或2臺研華工控機，對系統進行實時監控。1臺工控機時安裝的開發狗，它既是工程師站又是操作站，機組除渣控制系統采用該模式；2臺工控機其中一臺為運行主控器，另一臺為工程師開發機。當一臺出現故障時，另一臺依然保證運行人員操作，保證系統可靠連續運行，工控機監控軟件采用wonderware的intouch軟件，plc開發組態軟件是modsoft2.6，操作系統是windows 98/95，采用modbus plus通訊協議，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控系統，作為運行人員監控之用。

　　遠程站與本地站之間采用與modbus plus相同網絡技術，稱為quantuam分布式i/o通信技術，單介質為單路同軸電纜，即140crp與140cra之間只有一路通訊線。當該通訊線路故障時，控制系統將失去監控功能。所以保證該系統i/o網通信功能顯得尤為重要。
3 應用軟件

　　3.1 監控軟件intouch

　　寶二公司的輔助系統plc控制系統監控軟件采用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及以下系統安裝，其軟件包帶的軟件狗具有通用性。現在的intouch8.x軟件是漢化版本，安裝于win2000/nt以上系統，主其軟件包帶的軟件狗不具有通用性，只能一狗對應一套軟件。intouch主要特性：它是基于多任務，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，而且提供了工業界強大的功能，包括實時過程的監視和監督控制，報警和報警管理，歷史趨勢，統計過程控制，基于用戶的安全系統，方便的系統擴展，網絡通訊等。而且數據可以很方便地在網絡上共享。intouch提供了數據管理庫的輸入、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點定義設置工作，再從excel回輸到數據庫中來等等intouch包括兩個全集成的環境，組態環境和運行環境，它提供了開發和顯示的畫面，生成報表和vba語言程序，并與實時數據交互工作，組態不僅提供了所有圖形，文本，數據。動態和趨勢圖形工具，通過這些工具生成容易操作和理解的畫面，在運行和組態環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據采集。

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

　　(1)數據庫及設備驅動的配置：intouch軟件提供與plc等硬件設備的接口協議，可將數據從寄存器中讀出(tag名對應plc硬件地址)。modicon的sa85卡設備驅動程序采用modiconmodbusplus技術(實質是rs485串口驅動程序)。數據庫可從驅動程序映射表中檢索數據，處理過程數據(包括指令)等。

　　(2) 應用程序的配置：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，包括原始數據、計算數據、報警、變量字符串、點信息、趨勢報警或變量狀態。圖形應用程序的核心是從數據庫訪問信息。為了直接顯示數據，圖形應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，對系統或過程數據進行顯示。操作人員使用鏈接也能向數據庫寫數據。

　　(3) 報警的配置：本系統默認可容納的最多報警數為200條。

　　(4) 聲音報警的實現：

　　intouch系統本身系統的聲音報警設置，在系統組態環境中選擇enablehotn啟動報警功能，當有報警產生時系統發出報警聲音。

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

　　兩種類型的報警實現：

　　一是用基于事件的調度來實現，當系統沒有確認報警數增加時則設置進行長聲音報警。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，用基于事件的調度來實現，若當該點報警狀態變為hihi、lolo或comm這三種類型時，則播放相對應的語音文件進行提示。

　　(5)建立報表及打印功能：根據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，用基于時間的調度程序來實現報表的自動抄表功能。

　　(6) 趨勢圖：系統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，我們將作為參數帶入的節點設置為當前節點，以便顯示其趨勢曲線，在監控流程畫面上點擊相應設備時彈出的當前點的實時趨勢圖。

　　(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，當從某一畫面打開報警一覽表時，只顯示與本畫面有關的報警，實現方式：在配置模式下，雙擊報警一覽表中的報警匯總控件，在filter表單中設置過濾條件，即需查看的相應報警區，為了實現顯示報警的監控流程圖畫面的功能，在添加數據點時，須在報警擴展字段中填寫相應的監控畫面圖的圖形名稱，此功能才能實現。

　　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，必須用軟驅安裝，安裝于win98以下系統，其實質運行環境就是dos6.x系列操作系統，對于現在恢復系統工作比較困難。

　　在dos6.x系列操作系統下編程和組態很不方便。現在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和編程工作。寶二發電公司現化學處理控制系統應用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的指導原則基本一樣，此處主要以concept介紹功能。plc系統配置程序以及所有編輯器都具有相同的外觀和感覺。配置的大多數步驟，尤其是程序創建，都是在不依賴于要編程的plc的情況下設計的。整個程序被分成與邏輯結構相對應的若干區段。配置工具允許對象( 例如功能塊、步以及轉移)被輕易地以圖形形式選定、放置或移動。在對象放置過程中，可行性測試已經在sfc(順序功能圖/順序語言)編輯器中發生，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(例如cpu、程序內存、輸入/輸出單元等)可以在程序創建之前、之中或之后進行。配置任務可以以在線(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，設定硬件配置；

　　(3) 創建用戶程序，創建程序新的區段。

　　(4) 保存項目。

　　(5) 載入并測試項目，在pc和plc之間創建鏈接。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) 優化及分離，建議優化程序存儲容量并將優化過的程序重新加載到plc中。在成功的加載、測試和優化以后，您可以將pc從plc上斷線。程序將離線運行。

　　(7) 創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 應用中出現的問題及解決

　　通過8年連續運行，plc控制系統工作一直比較穩定。據統計，在plc控制系統的故障中，cpu的故障率0%，網絡通訊故障率2%，plc底板故障率1%，i/o板故障率15%，傳感器及開關故障率占45%，執行裝置占30%，接地方面故障占3%，工控機故障率5%。運行中出現問題就地設備故障率98%，軟件出現問題故障率2%。根據上述故障分析，我們針對性對執行設備(在溫度高的石子煤系統氣動執行器，在濕度較大的精處理系統電動執行器)進行治理改造；對一些性能較差的閥門開關、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，對控制系統線路核查整理減少線路接地現象，對除灰除渣等室外設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，更換工控機風扇，減少了工控機的故障，現在plc控制系統整體工作狀況良好。系統經過一段時間運行后，發現了一些軟件編程缺陷：比如部分“成組、連鎖”運行條件與現場設備條件不一致，使得運行人員操作總是用“單步”操作；也有些監控畫面顯示出現問題：

　　如就地設備與crt設備不對應；

　　就地設備運行狀態與crt顯示設備狀態不對應；

　　部分“步序”畫面不刷新。經過對這些問題分析，分別對modsoft中邏輯、intouch中設置和mbplus組態設置重新處理，現在軟件出現問題基本都已經處理正常。

5 控制系統改進

　　隨著計算機軟硬件技術的發展，人們對工業自動化的要求也越來越高。過去由于控制系統的硬件的限制，人們首先考慮的是實現過程控制中的控制策略，現今控制系統的前端控制器已經基本達到各種生產場合下的控制需要。用戶的注意力也轉移到了如何更有效的管理生產現場控制系統，尤其是在工廠生產控制系統，在使用先進的控制系統的基礎上進一步提高生產效率，因此控制系統的可靠性已經成為衡量控制系統的重要指標。在主機控制系統上重視促進了dcs發展迅速。由于人們對輔助系統長期認識重要性不夠，無論在設計、安裝上明顯與主控系統相差很大，這給投產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。結合現場實際對輔助系統提出以下幾點建議。

　　5.1 網絡控制技術

　　對電廠輔助系統采用網絡控制技術，就能實現相對的集中控制，減少值班點，提高輔機設備的自動化的監控水平，解決以往電廠中輔助系統控制技術落后于主系統的現象和實現設計時提出無人值班要求。全廠建立基于quantum系列plc控制結構的輔助系統集中控制網，采用網絡控制范圍：

　　(1) 化學監控網絡控制系統： 在化學補給水處理控制室設置二臺工控制機，相互備用，主干mb+網絡上共設置了7個plc分站。

　　把#1～2機組凝結水水精處理與#1～2機組汽水取樣采集系統及其加藥控制作為系統網絡一個分布式i/o分站；

　　把#3、4機組的組凝結水水精處理、再生系統和汽水取樣采集系統及其加藥控制作為系統網絡一個分布式i/o分站；

　　把制氫站作為系統網絡一個分布式i/o分站，可以設置一臺本地監控工控機和雙cpu熱備；

　　把化學補給水處理為系統網絡一個分布式i/o分站；

　　循環水處理plc系統統分布式i/o分站；

　　化學廢水處理控制系統分布式i/o分站；

　　生活污水處理控制系統分布式i/o分站。

　　(2)在#1、2和#3、4除灰渣控制室各設置二臺工控機，主干mb+網絡上各設置二個plc控制分站，除灰除渣系統采用雙機熱備的遠程i/or控制方式。把#1、2除灰、除渣、電除塵系統同一一體作為系統網絡一個分布式i/o分站，把#3、4除灰、除渣、電除塵系統統一一體作為系統網絡一個分布式i/o分站。

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