本論文對華能沁北電廠輔助車間控制網的方案、功能及實施等進行了詳細描述，著重闡述了QUANTUM PLC在整個輔助車間控制網中的作用，同時對其他電廠的相關技術人員有一定的參考作用。
系統概述
華能沁北電廠一期（2X600MW）輔助車間控制網（以下簡稱沁北電廠輔控網）是對各個輔助系統進行集中監視和控制的系統，包括了以下的子控制系統：
■化學水處理系統（包括鍋爐補給水系統，超濾反滲透系統）
■飛灰輸送系統
■除渣系統
■凝結水精處理系統
■電除塵系統
■燃油泵房系統
■綜合水泵房系統（包括空壓機系統，采暖加熱站）
■工業污廢水系統（包括生活污水處理系統）
■輸煤程控系統（包括煤水處理系統）
輔助車間的監控系統分兩層，第一層即現場控制層，該層是生產控制的執行層，包括化學水處理系統、除灰渣、電除塵、燃油泵房、綜合水泵房、采暖加熱站、工業污廢水等各輔助車間控制系統的QUANTUM PLC和就地控制室上位工控機通過MB+網構成的各輔助車間完整的監視與控制系統。第二層即輔控網監控層，是全廠輔機控網系統的核心層，采用光纖、光纖收發器、交換機、服務器及工控機，構成上一層完整的
監視控制系統。輔控網監控層與現場控制層之間采用冗余星型網連接，使得整個系統具有極高的可靠性。
系統工藝描述
在華能沁北輔控網中，2臺服務器負責獲取I/O信息，生成數據庫。操作員站提供標準的HMI畫面供運行人員操作，同時還要具備系統報警顯示查詢、報表制作、趨勢顯示、系統狀態診斷、控制系統組態、數據庫的管理和維護、上位機畫面的編輯和修改等等功能。同時輔控網對系統的相關參數有嚴格的要求：
■QUANTUM PLC CPU模件的負荷率必須小于40%；
■通訊網絡的負荷率必須不大于25%；
■I/O點裕量為10%，I/O卡槽裕量為15%；
■內部存儲器占用容量≤50%，外部存儲器占用容量≤40%；
■電氣模擬量輸入采樣周期≤50ms 非電氣模擬量輸入采樣周期≤200ms，開關量采樣周期≤100ms；
■整套控制系統的可用率為99.9%；
■每幅畫面上實時數據更新時間不大于1秒；
■運行人員通過鍵盤、鼠標等手段發出的任何操作指令均能在1秒內被執行；
■LCD每幅畫面上調出畫面時間≤2秒；
因此，系統的難點和重點在于輔控網系統的網絡設計。一個優秀的網絡設計要滿足以下幾個方面的要求：
■可擴展性：系統的規劃必須考慮到將來發展的需要；
■高可用性：系統必須設計為冗余，既可以是CPU冗余，也可以是網絡鏈路冗余或服務器冗余，還可以是以上幾個冗余的結合；
■靈活性：設計良好的網絡能夠最大限度地降低添加、變更或拆除設備帶來的影響；
■故障的可追蹤性：當系統發生故障時，設計優良的網絡使得維護人員可以方便準確地確定故障點以及排除故障的方法。
在以上的幾個對網絡的基本要求中，高可用性是一個優秀網絡設計人員的首選，是重中之重。在沁北輔控網中，現場控制層通過將系統設計為CPU冗余，同時本地站與遠程I/O站采用雙纜結構通訊，現場上位機通過兩塊網卡實現網絡鏈路冗余以實現系統的高可用性；輔控網監控層通過服務器冗余和交換機冗余保證了系統的高可用性。
系統的組成及施耐德解決方案
沁北電廠輔控網的子控制系統中的化學水處理系統、輸煤程控系統、除灰程控系統、凝結水精處理系統、綜合水泵房系統（包括空壓機系統，采暖加熱站），燃油泵房系統，工業污水處理系統（包括生活污水處理系統）系統均采用Modicon QUANTUM PLC。每個控制站均包括有Modicon QUANTUM CPU、電源、本地I/O模塊、遠程I/O通訊模塊，以及現場輔助監控工作站等。
沁北電廠輔控網網絡采用冗余星型結構。兩臺服務器、兩臺網絡中心交換機布置在集控樓的機房內，3臺監控工作站及工程師站均布置于中央控制室。服務器、監控工作站及工程師站通過冗余通道與中心交換機連接。網絡中心交換機通過冗余光纖分別與各輔助輔助車間控制系統的交換機連接，構成網絡的主干。網絡中心配置2臺德國赫斯曼公司的Mice 3000工業級交換機，用來連接服務器、操作員站、工程師站和各子控制系統的二級交換機。兩臺Dell PowerEdge 1600SC 高性能服務器通過以太網直接與各子控制系統的QUANTUM PLC通訊，從PLC中采集實時數據，存儲于服務器中，承擔輔控網系統的數據采集、存儲、處理和服務工作，并配置3臺研華IPC 610工業控制機主機及21寸工業級液晶顯示器作為操作員站，任意一臺操作員站可承擔工程師站功能。為在系統調試、啟動初期以及生產巡檢時方便運行操作，各輔助車間程控系統還設有各自的監控上位機。各輔助車間程控QUANTUM PLC系統與其車間監控上位機的組網方式采用Modicon的MB+網。
1： 沁北輔控網的網絡拓撲圖 輔控網的網絡拓撲（如圖1）：
現場程控控制系統采用QUANTUM PLC和上位機的兩級控制結構方式，利用PLC對現場的設備進行數據采集和控制，一般情況下由中央控制室的輔控網操作員站完成對各個子系統的監控與操作，現場各系統調試或輔控網絡故障時由現場輔助監控工作臨時接替監控功能。
控制系統由上位機和QUANTUM PLC構成，上位機和PLC之間通過MB+進行通訊。控制主機型號為140CPU43412或140CPU53414。CPU采用雙機熱備。在本地站與遠程I/O分站均采用雙纜冗余結構通訊，以提高整個系統的可靠性。控制系統的PLC配置如圖2所示。
圖2： 現場控制層的網絡拓撲圖 所有現場傳感器信號及控制信號（輸入/輸出）均通過OMRON繼電器隔離后再與QUANTUM PLC的I/O模塊連接。控制柜內電源為DC24V，現場和控制室傳送信號采用AC220V。
以前的輔控網設計中,子網系統中的上位機和PLC之間一般采用以太網通訊,即上位機和PLC系統中的以太網通訊模塊連接在位于子網控制室的交換機上,以完成對PLC系統CPU的訪問.而輔控網的
服務器也是通過光纖訪問子系統的以太網模塊.這樣,系統很容易造成擁塞。
沁北電廠輔控網創造性地采用了雙層的通訊模式.即子系統的本地上位機通過安裝在上位機內的SA85卡連接到CPU的MB+ 口上組成現場控制層的MB+網, 而輔控網核心的服務器通過100M光纖以太網訪問現場QUANTUM PLC的CPU。
MB+網是Modbus plus網絡的簡稱，它是由Modicon公司開發的為工業控制應用的令牌總線型以太網。同時，MB+網又是一個本地網絡，它允許主計算機、可編程控制器和其他數據源以對等方式進行通信，適用于工業控制領域。網絡總線采用單/ 雙電纜布局，可連接至多64 個可尋址節點，傳輸速率達1Mbps。ＭＢ＋網具有高速、對等通信結構簡單、安裝費用低等特點。將現場控制層的網絡結構設計成為MB+網，具有以下的優點：
■網絡系統規劃設計簡單明了，易于安裝，費用低廉。
■網絡中各PLC系統是對等的MB+網絡從站，是提供被監控參數的站點；各監控計算機是對等的MB+網絡主站，是網絡通信中令牌的占用者、控制者。各監控計算機可對MB+網絡中的任意QUANTUM PLC系統所控制的生產過程實現監控。
■因其對等性，網絡系統中各監控系統對各PLC系統實現監控的任意性，使得各監控系統計算機實際可互為備用，且網絡設備易于擴展、更換。
■網絡系統通信速率高，控制實時性能力強，不會導致控制滯后。
MB+網不僅硬件配置方便、軟件編程簡單，而且SA85卡和QUANTUM PLC上的MB+網的接口還提供了錯誤指示燈，根據燈閃爍的頻率和和次數的不同還可以方便地判斷出問題的根源，這樣就保證了維護人員在較短的時間內發現故障、解決問題。從現場的綜合使用情況來看，由QUANTUM PLC和上位機組成的現場MB+網不僅調試方便、維護簡單而且可靠性高。
輔控網監控層是基于TCP/IP的以太網技術。該層中通過各個子網系統的交換機或冗余機架上的NOE模塊上的光纖接口連接到輔控網的核心交換機上組成快速百兆以太網。當運行人員發出操作指令時，系統通過服務器上的數據庫迅速定位到相應子網系統的CPU上，通過QUANTUM PLC中的程序控制現場相應設備的啟動和停止。
總之，在沁北輔控網中，通過把現場監控層和輔控網控制層中的上位機和QUANTUM PLC設置為不同的通訊方式，使得輔控網的擁塞和碰撞大大地減少，這樣就減輕了輔控網控制層的負擔，完全避免了以往輔控網系統中現場監控層和輔控網控制層的擁塞和網絡碰撞,同時由于現場分系統的上位機完全隔離,不能互相訪問也大大增強了各個子系統的安全性。由于輔控網和就地控制網之間采用了不同的通訊方式,最大限度的保證了系統可靠性：即如果就地監控網絡系統崩潰，輔網完全可以進行監控，反之，輔網崩潰，就地監控上位機也可以正常工作。
應用總結
作為華能沁北輔控網的現場控制設備，施耐德QUANTUM PLC以其優越的性能在數據采集和控制方面發揮著積極的作用。其中CPU 53414更是單機支持超過300個回路和高達65000點I/O，背板總線速率更是高達80M。同時QUANTUM系統提供了IEC要求的全部五種編程方式：LD、FBD、SFC、ST和IL，完全滿足了現場用戶的各種需求。現場控制層的MB+總線型網絡和核心控制層的以太網網絡避免了傳統輔控網結構的網絡擁塞、減輕了系統的負擔、隔離了各個輔控網的子系統，使得系統的安全性和可靠性大大提升。
本項目合同額為335萬，經輔控網整合后，所有輔機子系統現場達到無人職守，每個值僅有監控主值2人，現場巡檢3人，電廠用五班制，加上管理人員，不到30名工作人員就可以監控所有的系統。而過去每個子系統至少每值需要1-2人或是更多人值班、巡檢，每值至少20人以上，工作人員達100多人以上。總共可節省人員70-90人，每人每年5萬元，企業每年可直接減少開支近400萬元。由于安全性以及管理決策便利間接帶來的經濟效益更是巨大的。同時輔控網系統從根本上改變了傳統電廠輔機系統的運行模式，為電力系統的自動化打開了一個新的領域。 |
