摘要:本文結(jié)合清江隔河巖水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元改造工程,重點(diǎn)探討了在國內(nèi)大型水電廠使用施耐德
以太網(wǎng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)直接上網(wǎng)LCU的新型結(jié)構(gòu),討論了在這種結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)輸入、輸出、電源、CPU、聯(lián)接等冗余策略,特別是在二元輸入情況下,實(shí)現(xiàn)開關(guān)量輸入冗余的方法。分析了電工委員會(huì)IEEE1131五種語言FBD、LD、SFC、ST、IL各自不同特點(diǎn),討論了使用結(jié)構(gòu)化文本(ST)編寫PLC程序應(yīng)采用的策略和方法。分析了使用交流采樣裝置與變送器的策略。討論了在水電廠現(xiàn)地進(jìn)行LCU改造縮短工期的有效途徑。
經(jīng)過多年努力,計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在水電廠及其它領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。對于水電廠來說,采用一套結(jié)構(gòu)合理、功能完善、可靠性高、人機(jī)界面友好的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),是水電廠提高安全生產(chǎn)水平,實(shí)現(xiàn)“無人值班(關(guān)門運(yùn)行)”的環(huán)節(jié)。非??上驳氖?,經(jīng)過國內(nèi)同行們的努力,國內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展很快,已經(jīng)接近或達(dá)到同類產(chǎn)品的*水平。
隨著近幾年計(jì)算機(jī)硬件、軟件的快速發(fā)展,國內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)不斷得到發(fā)展。本文作者參加了清江隔河巖水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造工程,現(xiàn)就該廠LCU改造的特點(diǎn),改造中所采用的新技術(shù)及LCU新型結(jié)構(gòu),進(jìn)行初步探索,談一下個(gè)人的看法,不當(dāng)之處,希望批評(píng)指正。
1、監(jiān)控系統(tǒng)改造的目標(biāo)
隔河巖水電廠原采用加拿大的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),已穩(wěn)定運(yùn)行多年,為該廠安全生產(chǎn)及創(chuàng)國內(nèi)*水電廠作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。但隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對電力系統(tǒng)、對電廠的要求越來越高,向的*水電廠的技術(shù)、管理水平看齊,創(chuàng)建*水電廠,從而實(shí)現(xiàn)管理水平高、技術(shù)*、人員進(jìn)一步精練、關(guān)門運(yùn)行的目標(biāo),勢在必行。一方面,原有的系統(tǒng)功能已不能滿足要求,另一方面?zhèn)淦穫浼嗀浽絹碓嚼щy,而且價(jià)格非常高,對電廠的安全運(yùn)行形成隱患。為此對老系統(tǒng)必須進(jìn)行更新改造,以便為創(chuàng)*水電廠打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對于LCU,改造的方法是:現(xiàn)地設(shè)備僅保留原有的盤柜柜體、自動(dòng)準(zhǔn)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(xué)研究院自動(dòng)化所提供了五套LCU,本文作者參加了LCU的研制、現(xiàn)場安裝調(diào)試等改造工作,本文是對改造工作的總結(jié)和思考。
2、LCU改造的特點(diǎn)
2.1控制流程方式不同
原監(jiān)控系統(tǒng)是加拿大CAE研制的,CAE的模式與國內(nèi)的一貫做法有很大差異。比如,開機(jī)有九大步,停機(jī)也有九大步。對于常規(guī)水電廠的機(jī)組,而我們的一貫做法是五態(tài)轉(zhuǎn)換,所謂五態(tài)即停機(jī)態(tài)、空轉(zhuǎn)態(tài)、空載態(tài)、發(fā)電態(tài)、不定態(tài)(前四種狀態(tài)中過渡狀態(tài)稱為不定態(tài))。(對于有調(diào)相任務(wù)的機(jī)組,還有調(diào)相態(tài);對于抽水蓄能機(jī)組,還有水泵態(tài);但不在討論的常規(guī)機(jī)組范圍之內(nèi)。)機(jī)組一定處于五種狀態(tài)之中。機(jī)組的開機(jī)、停機(jī)、解列、解列后并網(wǎng)等操作,不過就是機(jī)組在的停機(jī)態(tài)、空轉(zhuǎn)態(tài)、空載態(tài)、發(fā)電態(tài)四種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。雖然兩種表示方法實(shí)質(zhì)是一致的,但習(xí)慣于五態(tài)轉(zhuǎn)換的人,要熟悉開機(jī)、停機(jī)各九大步,需要一定的時(shí)間??紤]到電廠從運(yùn)行人員到檢修維護(hù)人員都諳熟這開、停機(jī)九大步這一因素,雖然編程與調(diào)試都需要付出較大的努力去適應(yīng),還是采用了原來的開、停機(jī)九大步形式,以方便電廠人員的運(yùn)行與維護(hù)。
2.2使用結(jié)構(gòu)化文本語言來編程
原有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的LCU的程序是使用文本化語言編寫的,它的風(fēng)格與C語言相類似。與機(jī)組開停機(jī)形式采用各九大步相類似,由于電廠維護(hù)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(shí),我們通常使用梯形圖的語言。它的好處是編程易學(xué)、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(xiàn)場維護(hù)人員方便的進(jìn)行對程序的維護(hù)。在隔河巖計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)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。該軟件支持電工委員會(huì)IEEE1131的標(biāo)準(zhǔn)的全部五種語言,即:支持FBD(FunctionBlockDiagram功能塊圖)、SFC(SequentialFunctionChart順序功能圖)、LD(LaddarDiagram梯形圖)、ST(StructuredText結(jié)構(gòu)化文本)和IL(Instructionpst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(diǎn),具有可讀性差,指令簡單,不直觀,可移植能力差,非結(jié)構(gòu)化文本(有JUMP指令),數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng)(無循環(huán)FOR語句),只能適合較小規(guī)模的控制。ST語言是一種結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)處理能力非常強(qiáng),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(biāo)準(zhǔn)化。它與FBD、LD、SFC相比,不夠直觀,與電氣二次展開圖相去較遠(yuǎn)。另外,它的不足之處是占用較多內(nèi)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(yōu)點(diǎn),F(xiàn)BD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(shù)據(jù)處理能力不夠強(qiáng)。根據(jù)我個(gè)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(jié)合;(3)使用ST與LD相結(jié)合。(2)和(3)兩種方法能夠?qū)煞N語言的特點(diǎn)結(jié)合起來,是比較好的方式。因?yàn)橛脭?shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的文本化語言處理數(shù)據(jù),用直觀性好的LD或FBD編制順控流程,現(xiàn)場的技術(shù)人員能夠比較容易接受、容易理解、容易接受?,F(xiàn)場的技術(shù)人員zui關(guān)心的是順控流程。我個(gè)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(shù)人員來說,或者對于特別復(fù)雜的順控流程用LD或FBD實(shí)現(xiàn)很困難的情況,使用結(jié)構(gòu)化文本ST語言是一個(gè)明智的選擇。隔河巖的情況就是這樣,他們原來加拿大CAE計(jì)算機(jī)監(jiān)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(jī)組順控流程也很復(fù)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(fēng)格上接近,電廠的技術(shù)人員比較容易理解和維護(hù)。實(shí)踐證明,選擇ST語言是正確的。
2.3PLC直接上網(wǎng)
經(jīng)過多年探索和實(shí)踐,計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用分層、分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),也就是按照被控設(shè)備分成單元,即LCU?,F(xiàn)在較為普遍的LCU一般由工控機(jī)、控制器(PLC:用于數(shù)據(jù)采集和控制)、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置、轉(zhuǎn)速裝置、變送器、電源等附件組成。工控機(jī)作為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)上的一個(gè)結(jié)點(diǎn),各種數(shù)據(jù)經(jīng)過工控機(jī)送到網(wǎng)上各個(gè)結(jié)點(diǎn),控制命令經(jīng)工控機(jī)下達(dá)到控制器等設(shè)備。因此工控機(jī)的可靠性顯得非常重要。雖然工控機(jī)是工控產(chǎn)品,由于它的風(fēng)扇、硬盤驅(qū)動(dòng)器、軟驅(qū)等旋轉(zhuǎn)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(wǎng),考慮PLC的直接上網(wǎng)。
現(xiàn)在上的幾大廠家的PLC均能夠?qū)崿F(xiàn)直接上網(wǎng),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(guān)PLC、羅克韋爾PLC的有關(guān)系列控制器。
在隔河巖計(jì)算機(jī)監(jiān)控改造工程中,采用了直接上網(wǎng)的形式。但它的結(jié)構(gòu)還是符合分層分布(單元)式的結(jié)構(gòu)原則。這種結(jié)構(gòu)是符合“無人值班(關(guān)門運(yùn)行)”的目標(biāo)的。
2.4冗余結(jié)構(gòu)
雙機(jī)熱備冗余
現(xiàn)在PLC的可靠性是很高的,但為了把大型、特大型機(jī)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(guān)門運(yùn)行)”對LCU的要求,同時(shí)也利于維護(hù)(一臺(tái)運(yùn)行,另一臺(tái)可處于編程狀態(tài)),采用了雙機(jī)(CPU)熱備結(jié)構(gòu)。雙機(jī)熱備的實(shí)現(xiàn)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(jī)熱備、通用電氣公司GE90-70系列雙機(jī)熱備等;軟件方式通用電氣公司GE90-30系列雙機(jī)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(dá)到無擾切換
也就是切換的過程要保證控制連續(xù)進(jìn)行、數(shù)據(jù)不丟失。這一點(diǎn)是非常重要的。
在隔河巖計(jì)算機(jī)監(jiān)控改造工程中,采用了施耐德公司Quantum系列PLC雙機(jī)熱備結(jié)構(gòu)。當(dāng)主控CPU故障或電源失去時(shí),自動(dòng)切換到備用CPU,備用CPU自動(dòng)升為主控CPU,實(shí)現(xiàn)無擾切換。當(dāng)進(jìn)行維護(hù)時(shí),可以手動(dòng)進(jìn)行主、備單元的切換。這樣,可以提高可靠性指標(biāo)。
光纖以太網(wǎng)冗余
對于LCU來說,它與系統(tǒng)的其它結(jié)點(diǎn)的連接方式,或說組網(wǎng)方式,現(xiàn)在普遍采用以太網(wǎng),而且采用光纖作為介質(zhì)。單網(wǎng)的可靠性已經(jīng)很高,但考慮其它不可預(yù)見的機(jī)械物理上的等因數(shù),可以考慮采用雙光纖以太網(wǎng)。
隔河巖計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用了雙光纖以太網(wǎng)。從LCU(PLC)而言,它的雙光纖以太網(wǎng)工作方式不需要切換,而且是同時(shí)工作(ALLINWORKING)的方式。這樣,不需要切換,一旦一號(hào)網(wǎng)故障,二號(hào)網(wǎng)可以零時(shí)間切換過去。由此可以獲得很高的性能。這是由Quantum系列PLC的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的功能。
與遠(yuǎn)程機(jī)箱的聯(lián)結(jié)電纜冗余
一般情況,一個(gè)LCU單元需要幾個(gè)擴(kuò)展機(jī)箱。如隔河巖項(xiàng)目,它有五個(gè)擴(kuò)展機(jī)箱。在Quantum系列PLC上,它有兩種連接方式,一種是遠(yuǎn)程RIO(RemoteInput/Output)方式,一種是分布DIO(DistributedInput/Output)方式。隔河巖項(xiàng)目采用的是RIO方式,它的擴(kuò)展機(jī)箱稱為遠(yuǎn)程站(RemoteDrop)。
一般情況下,主機(jī)箱采用與擴(kuò)展機(jī)箱采用單纜連接已經(jīng)足夠。但采用雙纜可以獲得更高的可靠性。如在龍羊峽水電廠,單機(jī)32萬千瓦,PLC的主機(jī)箱在上游側(cè),其中一個(gè)遠(yuǎn)程站在下游側(cè)。在該電站,采用雙纜連接主機(jī)箱與該遠(yuǎn)程站,一跟從左側(cè)走線,一跟從右側(cè)走線,這樣一旦一側(cè)有火災(zāi)、機(jī)械損傷等不可預(yù)見性的因素,不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
在隔河巖計(jì)算機(jī)監(jiān)控改造工程中,也采用了雙纜的結(jié)構(gòu)。
輸入冗余
一般來說,輸入的冗余應(yīng)該采用三取二的方法,即少數(shù)服從多數(shù)的方法。通用電氣公司GE系列PLC有這樣的硬件結(jié)構(gòu),從CPU、輸入、輸出都三重冗余,以滿足可靠性*的情形,如冶金領(lǐng)域的高爐。但是它的投資大,在水電行業(yè)實(shí)在沒有必要。但是,對于少數(shù)重要的信號(hào),如用于事故停機(jī)、緊急事故停機(jī)的信號(hào)、重要設(shè)備如出口斷路器的狀態(tài)信號(hào)有兩路信號(hào)輸入,就存在如何處理的問題。在隔河巖計(jì)算機(jī)監(jiān)控改造工程中,就遇到這樣的問題。處理的方法是采用安全傾向因子,在不同的狀態(tài)、過程中,可以采用不同的安全傾向因子,這樣用一對冗余信號(hào)加一組安全傾向因子,就可以得到在不同的狀態(tài)、過程中一組信號(hào)。一個(gè)安全傾向因子可以是幾個(gè)甚至更多個(gè)信號(hào)的邏輯運(yùn)算結(jié)果。
輸出冗余
對于部分重要設(shè)備,如滅磁開關(guān)、出口斷路器,為保證其在任何情況下的高可靠性動(dòng)作,需要對每一個(gè)這樣的設(shè)備配置兩個(gè)開出通道,即配置冗余的通道,已保證其可靠性。有些電廠的出口斷路器。如隔河巖的,分閘就是兩個(gè)線圈,正常工作線圈和后備線圈,任何一個(gè)線圈勵(lì)磁,斷路器都會(huì)分閘。實(shí)際上就是設(shè)備的冗余。國電公司在“無人值班(關(guān)門運(yùn)行)征求意見稿”中有過這樣的要求。
一般,冗余的通道動(dòng)作策略有兩種:
一種是采用兩個(gè)冗余通道同時(shí)動(dòng)作的策略;
另一種是采用在*個(gè)通道動(dòng)作失敗后,冗余的第二通道再動(dòng)做的策略。
顯然同時(shí)動(dòng)作不是很好,因?yàn)檎G闆r下,設(shè)備會(huì)正常動(dòng)作。這種情況下,第二通道動(dòng)作沒有必要,可能造成*通道動(dòng)作失敗后,第二冗余通道動(dòng)作不能正常動(dòng)作。
采用后一種辦法較好。監(jiān)視*個(gè)通道動(dòng)作,在一定時(shí)間內(nèi),狀態(tài)沒有反饋回來,第二通道動(dòng)作。這樣,第二通道幾乎沒有“表現(xiàn)的機(jī)會(huì)”,一旦讓他表演,他會(huì)“準(zhǔn)確而恰如其分地表演”。在隔河巖計(jì)算機(jī)監(jiān)控改造工程中,就是采用這種方案,取得了比較理想的效果。
電源的冗余
電源的重要性不言而喻。再好的設(shè)備,不提供電源,什么都無從談起。在隔河巖計(jì)算機(jī)監(jiān)控改造工程中,采用了電源冗余技術(shù)。隔河巖電廠的主電源為DC110V,I/O電源為DC24V。在遠(yuǎn)程站中,采用兩塊電源模塊相冗余,在CPU機(jī)箱采用單電源(每一個(gè)CPU機(jī)箱占用獨(dú)立的底板)。電廠提供兩路DC110V電源,一路DC110V電源提供給其中一個(gè)CPU機(jī)箱電源模塊和遠(yuǎn)程站的一個(gè)電源模塊,另一路DC110V電源提供給另一個(gè)CPU機(jī)箱電源和遠(yuǎn)程站的另一個(gè)電源模塊。兩路DC110V各通過DC/DC轉(zhuǎn)換產(chǎn)生DC24V,兩路DC24V之間形成冗余。正常情況下,兩路DC110V都供電,兩個(gè)CPU機(jī)箱一主一備正常工作,DC24V正常工作,遠(yuǎn)程站上的兩塊電源各承擔(dān)該機(jī)箱一半負(fù)荷。當(dāng)一路DC110V故障時(shí),其中一個(gè)CPU機(jī)箱能夠正常工作(當(dāng)備用CPU機(jī)箱上電源失去時(shí),沒有什么操作,也沒有什么影響。當(dāng)主用CPU失去電源時(shí),備用CPU無擾動(dòng)切成主CPU),一路DC24V正常工作,遠(yuǎn)程站上的其中一塊電源承擔(dān)該機(jī)箱全部負(fù)荷。這樣就實(shí)現(xiàn)了電源的冗余。
2.5交流采樣與變送器
交流采樣的使用越來越多,大有代替變送器的趨勢。但是,現(xiàn)在對于交流采樣的理解不是那么清楚。隔河巖計(jì)算機(jī)監(jiān)控改造工程中,關(guān)于交流采樣與變送器處理與使用是比較恰當(dāng)?shù)?、合適的,是值得其它電站(廠)借鑒的。這里所說的合理與恰當(dāng),當(dāng)然指的是交流量的處理,因?yàn)楝F(xiàn)在對于直流及非電量只能采用變送器進(jìn)行采集處理。具體處理方法是:對于機(jī)組同期、機(jī)組有功功率、機(jī)組電壓(無功功率)、導(dǎo)葉開限等實(shí)時(shí)性、可靠性要求高的控制環(huán)節(jié),采用變送器。而采用交流采樣裝置采集發(fā)電機(jī)的三相電流、三相電壓(相、線)、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等電氣參數(shù)。
2.6采用CableFast快速配線系統(tǒng)
按照常規(guī)的接線方式,各種I/O模塊到盤柜端子需要配線。隔河巖水電廠機(jī)組單機(jī)容量大,考慮的較完善,因此I/O點(diǎn)數(shù)多。開關(guān)量輸入有320點(diǎn),開關(guān)量輸出有128點(diǎn),溫度點(diǎn)數(shù)有64點(diǎn),非電氣模擬量輸入有32點(diǎn),模擬量輸出8點(diǎn)。共有I/O模塊25塊,每個(gè)模塊有40端子需要與端子現(xiàn)聯(lián),至少要有1000線需要接。但現(xiàn)場安裝改造時(shí)間非常有限,必須采取效率更高的方法。采用施耐德的快速接線系統(tǒng)CableFast是一種好的解決方法。CableFast快速配線系統(tǒng)是施耐德公司的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,它將Quantum接線端子與端子塊預(yù)先用電纜連接好,端子塊可以直接安裝在DIN導(dǎo)軌上,外部接線可以直接接在端子塊上,這樣就減少了配線的工作量,節(jié)省了大量時(shí)間,是一種比較好的方式。
2.7精心設(shè)計(jì)認(rèn)真準(zhǔn)備
為了使現(xiàn)場的配線、改造的工作量zui小,也為以后的維護(hù)方便,需要精心地進(jìn)行設(shè)計(jì)。合理布局,合理配置。一般外部端子接線不要改變,這樣就可以減少施工時(shí)間。另外,要進(jìn)行充分的準(zhǔn)備,各種配件、各種工具等,否則就會(huì)影響工期
在隔河巖現(xiàn)場改造過程中,我們較好解決了這個(gè)問題,使得現(xiàn)場的改造、裝配工作有條不紊地進(jìn)行,在保障工期地前提下,使裝配地工藝操作原進(jìn)口設(shè)備地工藝水平,得到電廠地好評(píng)。
3、結(jié)語
在清江隔河巖水電廠現(xiàn)地控制單元(LCU)改造中,在結(jié)構(gòu)、技術(shù)路線、實(shí)現(xiàn)方法上都有所創(chuàng)新。主要體現(xiàn)在水電行業(yè)使用QUANTUMPLC直接上網(wǎng)(取消工控機(jī)),體現(xiàn)在采用了雙機(jī)熱備冗余、雙網(wǎng)、部分I/O冗余及電源的冗余。
隔河巖水電廠的LCU尤其是機(jī)組LCUI/O點(diǎn)數(shù)多,是一般同規(guī)模機(jī)組的3到4倍。而且監(jiān)控系統(tǒng)的改造要求高,特別是時(shí)間短。在不到三周的時(shí)間里,要進(jìn)行現(xiàn)場安裝、配線、調(diào)試,時(shí)間非常緊。經(jīng)過與電廠等有關(guān)方面的積極配合,隔河巖水電廠計(jì)算機(jī)改造工程已基本完成。目前,設(shè)備運(yùn)行良好,預(yù)期的目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn),效果是好的。