水工業使用PLC以太網實現對隔河巖電廠LCU改造

經過多年努力，計算機監控系統在水電廠及其它領域的應用越來越廣泛。對于水電廠來說，采用一套結構合理、功能完善、可靠性高、人機界面友好的計算機監控系統，是水電廠提高安全生產水平，實現“無人值班（關門運行）”的環節。非常可喜的是，經過國內同行們的努力，國內計算機監控技術的發展很快，已經接近或達到同類產品的國際先進水平。

隨著近幾年計算機硬件、軟件的快速發展，國內計算機監控技術不斷得到發展。本文作者參加了清江隔河巖水電廠計算機監控系統改造工程，現就該廠LCU改造的特點，改造中所采用的新技術及LCU新型結構，進行初步探索，談一下個人的看法，不當之處，希望批評指正。

1.監控系統改造的目標

隔河巖水電廠原采用加拿大的計算機監控系統，已穩定運行多年，為該廠安全生產及創國內一流水電廠作出了應有的貢獻。但隨著國民經濟的發展，對電力系統、對電廠的要求越來越高，向國際的一流水電廠的技術、管理水平看齊，創建國際一流水電廠，從而實現管理水平高、技術先進、人員進一步精練、關門運行的目標，勢在必行。一方面，原有的系統功能已不能滿足要求，另一方面備品備件訂貨越來越困難，而且價格非常高，對電廠的安全運行形成隱患。為此對老系統必須進行更新改造，以便為創國際一流水電廠打下堅實的基礎。對于LCU，改造的方法是：現地設備僅保留原有的盤柜柜體、自動準同期裝置和24V電源、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作為控制器。中國水利水電科學研究院自動化所提供了五套LCU，本文作者參加了LCU的研制、現場安裝調試等改造工作，本文是對改造工作的總結和思考。

2.LCU改造的特點

2.1控制流程方式不同

原監控系統是加拿大CAE研制的，CAE的模式與國內的一貫做法有很大差異。比如，開機有九大步，停機也有九大步。對于常規水電廠的機組，而我們的一貫做法是五態轉換，所謂五態即停機態、空轉態、空載態、發電態、不定態（前四種狀態中過渡狀態稱為不定態）。（對于有調相任務的機組，還有調相態;對于抽水蓄能機組，還有水泵態;但不在討論的常規機組范圍之內。）機組一定處于五種狀態之中。機組的開機、停機、解列、解列后并網等操作，不過就是機組在的停機態、空轉態、空載態、發電態四種狀態間的轉換。雖然兩種表示方法實質是一致的，但習慣于五態轉換的人，要熟悉開機、停機各九大步，需要一定的時間。考慮到電廠從運行人員到檢修維護人員都諳熟這開、停機九大步這一因素，雖然編程與調試都需要付出較大的努力去適應，還是采用了原來的開、停機九大步形式，以方便電廠人員的運行與維護。

2.2使用結構化文本語言來編程

原有計算機監控系統的LCU的程序是使用文本化語言編寫的，它的風格與C語言相類似。與機組開停機形式采用各九大步相類似，由于電廠維護人員熟悉文本化語言，要求全部采用文本化的編程語言編寫LCU的程序。在使用可編程控制器（以下稱為PLC）時，我們通常使用梯形圖的語言。它的好處是編程易學、直觀、與電氣二次展開圖極為相似，非常適合電廠人員掌握，可以使現場維護人員方便的進行對程序的維護。在隔河巖計算機監控系統LCU部分改造中，采用了施耐德（Shneider）公司的Quantum 系列PLC，編程軟件采用Concept2.2。該軟件支持國際電工委員會IEEE1131的標準的全部五種語言，即：支持FBD（Function Block Diagram功能塊圖）、SFC（Sequential Function Chart順序功能圖）、LD（Laddar Diagram梯形圖）、ST（Structured Text結構化文本）和IL（Instruction pst指令表）五種語言。前三種語言是圖形方式，后兩種是文本方式。由于指令表IL語言指令的特點，具有可讀性差，指令簡單，不直觀，可移植能力差，非結構化文本（有JUMP指令），數據處理能力不強（無循環FOR語句），只能適合較小規模的控制。ST語言是一種結構化的文本語言。它與C語言很相似。它不僅具有豐富的邏輯處理能力，它還具有IF、CASE、FOR、WHILE、REPEAT、EXIT、EMPTY等語句，數據處理能力非常強，沒有GOTO、 JUMP或類似的指令。因此，它的移植性很好,有利于程序的標準化。它與FBD、LD、SFC相比，不夠直觀，與電氣二次展開圖相去較遠。另外，它的不足之處是占用較多內存且掃描周期要長一些（均與FBD、LD、SFC相比）。上面提到了LD語言的一些優點，FBD圖與電氣二次的原理圖更接近。FBD、 SFC、LD都不具備IF、CASE、FOR、WHILE、REPEAT、EXIT、EMPTY等語句，數據處理能力不夠強。根據我個人使用情況，比較可取的方法有：（1）全部使用ST;（2）使用ST與FBD相結合;（3）使用ST與LD相結合。（2）和（3）兩種方法能夠將兩種語言的特點結合起來，是比較好的方式。因為用數據處理能力強的文本化語言處理數據，用直觀性好的LD或FBD編制順控流程，現場的技術人員能夠比較容易接受、容易理解、容易接受。現場的技術人員最關心的是順控流程。我個人比較傾向于（3）的方式。

但是對于熟悉使用C語言或類似C語言的其它文本化語言的工程技術人員來說，或者對于特別復雜的順控流程用LD或FBD實現很困難的情況，使用結構化文本ST語言是一個明智的選擇。隔河巖的情況就是這樣，他們原來加拿大CAE計算機監控的LCU的全部流程是用類似C語言的文本化的語言編制的，他們的機組順控流程也很復雜，因此電廠要求所有流程使用ST語言編制。這樣，改造后的LCU的程序，與原來的程序風格上接近，電廠的技術人員比較容易理解和維護。實踐證明，選擇ST語言是正確的。

2.3 PLC直接上網

經過多年探索和實踐，計算機監控系統普遍采用分層、分布的系統結構，也就是按照被控設備分成單元，即LCU?，F在較為普遍的LCU一般由工控機、控制器（PLC：用于數據采集和控制）、自動準同期裝置、轉速裝置、變送器、電源等附件組成。工控機作為計算機監控系統內部網上的一個結點，各種數據經過工控機送到網上各個結點，控制命令經工控機下達到控制器等設備。因此工控機的可靠性顯得非常重要。雖然工控機是工控產品，由于它的風扇、硬盤驅動器、軟驅等旋轉部件的存在，可靠性就有所降低。針對這種情況，人們把眼光紛紛投向以太網，考慮PLC的直接上網。

現在國際上知名的幾大廠家的PLC均能夠實現直接上網，如施耐德公司全線的Quantum系列、Premium系列等、通用電氣公司GE90-70系列、GE90-30系列、VersaMAX系列等、西門子公司的有關PLC、羅克韋爾PLC的有關系列控制器。

在隔河巖計算機監控改造工程中，采用了直接上網的形式。但它的結構還是符合分層分布（單元）式的結構原則。這種結構是符合“無人值班（關門運行）”的目標的。

2.4 冗余結構

雙機熱備冗余

現在PLC的可靠性是很高的，但為了把大型、特大型機組的可靠性提高到更高的水平，特別是滿足隔河巖這種大型骨干電廠“無人值班（關門運行）”對 LCU的要求，同時也利于維護（一臺運行，另一臺可處于編程狀態），采用了雙機（CPU）熱備結構。雙機熱備的實現有兩種放方式，一是硬件方式，一是軟件方式。硬件方式如施耐德公司Quantum系列PLC雙機熱備、通用電氣公司GE90-70系列雙機熱備等;軟件方式通用電氣公司GE90-30系列雙機熱備有一般硬件的方式性能比較好。但是不管那種方式，都要達到無擾切換

也就是切換的過程要保證控制連續進行、數據不丟失。這一點是非常重要的。

在隔河巖計算機監控改造工程中，采用了施耐德公司Quantum系列PLC雙機熱備結構。當主控CPU故障或電源失去時，自動切換到備用CPU，備用CPU自動升為主控CPU，實現無擾切換。當進行維護時，可以手動進行主、備單元的切換。這樣，可以提高可靠性指標。