华北电力大学分散控制系统课程设计报告

0 引言

随着自动化技术的发展和电力改革的深入以及厂网分开、竞价上网的政策实施,各电厂为实现降低成本、减少设备维护成本和缩短维护周期的目标要求,现代电力系统对自动化及工通讯的需求也日益提高。另一方面,在火电厂,随着电力现场设备的增多及其自动化过程的复杂化,对辅控设备的数据采集与监控的要求也日益严格。大型火力发电厂的辅助生产车间一般均是由水网、煤网、灰网组成,每一网都可独立成一个系统,每个控制点相对分散,不利于生产数据上传到网络。随着企业对自动化要求的进一步提高,为便于生产管理者远方监控、调度、干预整个电厂的辅控车间运行的需要,达到减人增效之目的,使企业的经济效益最大化。本文介绍了华电国际邹县发电厂(以下简称邹县电厂)四期工程2×1000MW机组用工业以太网实现的辅助车间控制网络系统的应用实例。

1 工业以太网的发展状况

以太网及TCP / IP通信技术在IT行业获得了很大的成功,成为IT 行业应用中首选的网络通信技术,近年来已逐步向自动化行业发展,形成与现场总线技术竞争的局面,其发展状况可以归结如下2点：

(1)自动化技术从单机控制发展到工厂自动化和系统自动化。近年来,自动化技术发展使人们认识到,单纯提高生产设备单机自动化水平,并不一定能给整个企业带来好的效益;因此, 对企业自动化技术提出的进一步要求是将整个工厂作为一个系统实现其自动化,其目标是实现企业的最佳经济效益。

(2)工厂底层设备状态及生产信息集成、车间底层数字通信网络是信息集成系统的基础。为满足工厂上层管理对底层设备信息的要求,工厂车间底层设备状态及生产信息集成是实现全厂M IS /SIS的基础。这就决定了生产信息的实时性、可靠性以及兼容性,它必将成为现代电力产业工业通讯网络的发展目标。

2 工业以太网的特点

2. 1 冗余性

在程序控制系统中,PLC系统的专用通讯网络的冗余一直是一个比较难解决的问题,硬件方面如通讯网和通讯模块以及软件方面的通讯问题都不能解决,一旦通讯网和通讯块出现问题,整个通讯网络就会瘫痪。若通讯网络系统采用工业以太网,通过工业服务器和数据交换机,就能采用冗余配置,通过交换机,可以任意扩展通讯模块且可采用多层通讯结构。

2. 2 开放性

在控制系统中,一般有2级网络,过程控制网和实时监控网。在过程控制网中,专用网络的

开放性是制约PLC 发展的一个重要原因,一个生产厂商的PLC不能兼容别的生产厂商的PLC,而在一个大型火力发电厂,若要统一PLC 型号几乎是不可能的。采用工业以太网,就很好地解决了联网问题。目前,已经推出了工业以太网的通讯模块,也有了适用工业以太网的通讯协议,这是过程控制网采用以太网的开放性的优点。在监控网中,采用工业以太网既可以与下一级过程控制网统一通讯,又可以与厂级通讯网实现通讯(如SIS和M IS等系统),使辅助车间的信息均可在厂级通讯系统中进行监控。

2. 3 扩展性

系统的扩展性可体现在系统的灵活性中,而工业以太网是一个很灵活的网络,只需在控制子系统中增加以太网卡和在上位机监控系统中增加以太网模块,并进行一些编程,即可实现监控。专用网的总长度一般不超过3 km,而采用工业以太网的总长度可达到30km以上。

2.4 可靠性

实际上,以太网具有更高的可靠性。在网络的通讯数据量相同时,工业以太网的负荷率比令牌网的负荷率降低50% 。一般来说,专用网的通讯速率是10Mbit/ s,而工业以太网速率可达到100Mb it / s,甚至1 000Mb it / s,大大提高了系统监控的实时性。

3 工业以太网在邹县电厂四期工程中的应用

3. 1 系统结构

邹县电厂四期工程辅助车间主要有输煤、除灰渣、中水、反渗透、化水处理、制氢站、综合水泵房、暖通等系统, 输煤还包括翻车机、斗轮机及煤水处理等系统。整个辅控车间系统的网络结构采用可靠性高的双冗余星型结构。双冗余星形结构较单一星形结构网络可靠性更高。辅助车间控制网络通过网络中心交换机与其他站点交换机连接,构成网络的主干。该网络采用1 000Mb it / s的光纤以太网作为数据传输的媒体;而控制层采用以太网连接。网络拓扑结构采用可靠性高的双冗余的星型结构,将网络中心交换机与各站交换机用光纤连接, 构成1000Mbit/ s快速以太网主干, 其结构如图1所示。

3. 2 各辅助车间PLC控制系统

各个辅助车间控制系统配置了2台美国Nematron上位机(小系统配置1台上位机),操作系统为Windows 2000, 分别作为操作管理、维护分析用途的人机界面设备,在以太网上它们是独立对等节点。PLC 采用法国施耐德公司昆腾系列产品, CPU为140 CPU 534 14A。本地站必须配置Modbus Plus通信模板140NOM 21200,远程I/O 方案各站点必须配置适配模板, 主站采用140CRP93200。远程站采用140CRA9- 3200。为保证PLC系统的完整性,配备了系统所需的各种接头、分支器、终端器、电缆, 各车间PLC配置时I/O点裕量不小于10%,机架槽位裕量不小于10%。上位机监控软件为Intellution公司的I FIX最新3. 5版本,开发版及运行版1 套,使系统既有较好的运行实时性和多任务性,又有良好的开放性和稳定性。上位机监控软件应支持分布式Client /Server结构, 并支持冗余以太网,各辅助车间PLC结构图如图2所示。

3. 3网络系统

各辅助车间均采用可编程序控制器( PLC )实现控制功能,并对这些车间采用联网集中监控方式,辅助车间监控网采用速率为1 000Mbit / s工业以太网(光纤) ,网络通讯介质冗余配置, 监控点设在主厂房集中控制室,即在辅助车间监控网的操作员站上完成对邹县电厂三期化学水除盐处理、邹县电厂四期化学水超滤反渗透处理、中水处理、除灰渣、制氢站、综合水泵房、空调采暖加热站等系统的监视与控制,并能对输煤程控系统进行远方监视。为在系统调试、启动初期以及生产巡检时方便运行操作,各辅助车间程控系统还设有各自的监控上位机。各辅助车间程控PLC系统与其车间监控上位机的组网方式采用网速为100Mbit / s以太网。在集控室操作员站可以对所有辅助系统进行监视操作, 就地操作员站只能对本系统操作进行操作。集控室操作员站与就地操作员站相互闭锁, 同一时间只能由一个站操作。