火力发电厂全厂辅网监控系统的设计和实施

辛建宏，李笑峰

（1.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃 天水 741020；2.天水生产力促进中心，甘肃 天水 741000）

1 引言

随着计算机技术、测量控制技术、信号处理系统、通信网络技术、人机接口技术的发展与成熟，新一代PLC已经基本达到了DCS产品的功能，而且具有开放性好、建设周期短及性能价格比高等优点，并伴随着火力发电厂对管理水平的提高,为消除各个外围辅助车间自动化控制系统存在的“孤岛现象”，而将电厂各辅助车间控制系统（监控范围主要为水网系统、煤网系统、灰网系统、全厂闭路工业电视监控系统）联成一体实现全厂辅助监控网络系统的一体化集中监控，在技术上不仅是可行的，而且已开始逐渐成为当前国内大型火力发电厂的主流设计方向。本文以某电厂辅网监控系统的实际建设为例来说明火力发电厂中辅网监控系统的设计和实施过程。

2 电厂一期工程辅网监控系统的设计和实施

2.1 设计和实施的目标

辅助车间监控网络系统简称辅控网，又称BOP即Balance Of Plant的缩写，某电厂一期工程（4×600MW）燃煤机组全厂辅网控制系统设计和实施的目标是对锅炉补给水系统、凝结水精处理系统、综合水泵房、生活污水处理系统、工业废水处理系统、循环水加药系统、制氢站、供热站、采暖加热站、输煤系统、燃油泵房、除灰系统、除渣系统、电除尘系统实现集中控制和监控，完成电厂的管控一体化。它是应用自动化技术、数据库技术、网络技术，将以上各个辅助车间控制系统联结成一个集中监控的网络系统，监控点设在电厂集中控制室里，监控计算机和DCS系统并排放置同一操作台上，由1-3名运行人员完成对各个辅助车间系统的操作和监视，全厂各辅助车间按无人值班设计（输煤车间暂时除外）。同时将各现场的数据通过软硬件接口提供给上层DCS系统及SIS系统，这样不仅在通讯线路上联通了电厂各网络系统，而且在软件上实现了现场数据从下层到上层的流动，各运行指标数据更具精确和真实，为电厂的科学化管理创造有利条件和物质基础。

2.2 辅网网络拓扑结构选择

电厂各个辅助车间控制系统的配置如表1所示。

从表1可以看出各个子控制系统物理位置分布比较分散且距集控室的路径较长，汇集到上层网络中的数据流量大（全厂闭路工业电视监视系统视频数据流也上辅网系统网络，实现视频监控系统和辅助车间设备监控系统的双网合一），网络线路的通讯负荷将非常高，因此本辅网最终决定采用千兆工业以太网交换机组建双光纤自愈环网作为各辅助车间监控系统通往上层辅网监控系统的骨干网络，以1000Mbps MODBUS TCP/IP的光纤工业快速以太网作为信息传递和数据传输的媒体，通讯介质为4芯单模铠装光缆，规格为9/125μm，光波波长为1310nm，辅网系统的服务器、工作站、打印机和主交换机相联；下层各控制系统通过本地两台冗余的带千兆光口的工业以太网交换机接入辅网中，PLC和上位监控机系统通过5类双绞线分别和两台本地交换机的百兆口连接，呈互相热备冗余的星型以太网配置状态，这样以各子控制系统的两台本地交换机的千兆网口作为联网设备的连接点，搭建出本辅网监控系统的网络构架，系统整体网络配置如图1所示。

表1 电厂各个辅助车间控制系统的配置

该系统的网络结构可以划分为3层,底层为PLC控制网络层，主机采用双机热备（双电源、双CPU、双通讯模块、双机架），网络通讯线路按照双缆冗余配置，控制主机通过灌入的控制程序完成各自生产工艺过程的控制任务；中层为生产车间网络层，是PLC和工控上位机之间的实时监控通讯网络,在设备调试和试运行阶段通过本地上位监控机监控各现场被控设备，下发各种操作命令，通讯速率为百兆，介质为5类双绞线；最上层是辅网监控网络层，采用双光纤千兆自愈环网来汇集各个下层子控制系统的现场底层数据，通过物理（交换机）和逻辑（VLAN）手段将辅助网络系统按照功能划分后，逐级分配，使系统成为模块化、局部化结构，特定的数据流会在各自的网络中快速流动传递，保证信息的实时性和高速性。

2.3 辅网系统硬件的选择

网络服务器：2台，选用Ftserver4410至强系列，它是一种可以实现零时间停机的服务器，在一些关键性领域里应用非常广泛，例如：电信、机场、银行、冶金行业、电力行业等一切要求高可用性的行业。它具有以下几个优点：

①零停顿时间：服务器系统采用三模（TMR）硬件体系结构，它具有极大的稳定性。

②无故障恢复时间：系统所有关键部件均为冗余配置，冗余部件时钟同步运行相同指令。保证即使在硬件出现故障时，其冗余部件仍然保持继续运行，从而保证当前工作任务的处理应用不会因此而停顿和数据丢失。

③无内存数据丢失：Stratus独特的冗余硬件结构不但保证磁盘静态数据的完整性，而且能保证内存数据的完整性与一致性。

图1 系统整体网络配置图

④应用透明性：Stratus故障处理在硬件部件级完成，任何故障均能被自动隔离，而不会导致系统进一步严重问题，Stratus容错系统对应用是透明的。

具体配置配置为：双路四核Intel Xeon processor 2.00 GHz，12M高速缓存，内存4G,硬盘为146G.15K.SASX2容量为3T，2块千兆以太网卡，用于接通下层控制网络。由于全厂辅助监控网络系统软件体系采用C/S模式架构，作为辅网上位机与下层PLC之间的通讯通道，2台服务器各自配置有独立的数据库，互为热备用。

操作员及工程师站：3台，选用IPC-610工业控制计算机，其配置为Pentium IV2.8G，2G内存，160GBSCSI总线硬盘，50倍光驱，双以太网卡。每个站都设有足够的监控画面幅数以保证各工艺系统和控制对象的完整性及所控系统的运行和控制状况。各系统的监控画面统一，使各系统具有统一的风格，统一的操作方式，并能合理、灵活地进行切换和调用，任何监视和控制功能均能在任一操作员站上完成，都配置相同的监控软件，不仅互相热备，而且在操作上具有互相闭锁功能。

液晶显示器（LCD）：6台，选用24寸美国戴尔产品，点距 0.27mm，亮度大于 250cd/m2，对比度 350：1，分辨率为1600×1200@60Hz，信号电缆采用5分支BNC接头。满足下列标准规范要求：如UL/C-ULor CSA，TUV/GC，EnergyStar，FCCCLASSB，TCO′99 等。LCD 的可视角满足：左／右±85°，上下各85°。由于辅控网操作员布置在集中控制室操作台上，因此，LCD选型与DCS操作员站选型一致。

大屏幕显示器：2台，选用工业级63寸等离子显示器，能接受模拟视频信号、数字视频信号、计算机数字信号的输入。大屏具有拼接显示、开窗、多画面等功能，是独立的一个操作员站，用于显示并控制整个辅网系统。

屏幕拼接装置（EOS）：1台，是一种网络多屏拼接控制装置，对大屏幕上窗口的各种操作均由操作员站实现，可直接通过网络连接至辅控系统，支持TCP/IP协议，可显示网络上的任意一台和多台计算机上应用程序的图形、文字、表格。屏拼接控制装置提供特别的放大缩小功能，可将用户指定的信息进行准确的放大和缩小。所有进入到EOS的信号都能在两块大屏幕上显示，两块大屏幕可拼接显示一幅完整的画面。

网络打印机：2台，配置一台美国惠普A3黑白激光打印机，放置在集中控制室打印各种现场监控数据报表和报警信息，1台美国惠普A3彩色激光打印机，放置在电子控制室打印各种管理报表。

辅网交换机：2台工业级千兆以太网交换机，选型原则为：①按照模块化结构搭建交换机，以便灵活构成系统；②具有接受冗余供电的能力；③平均无故障时间（MTBF）大于 52560（h）；④所有可替换模块（介质模块、冷却装置、冗余电源装置）容许带电热插拔和更换；⑤支持符合IEEE802.1Q标准的VLAN；⑥支持端口链路聚集；⑦支持多种诊断功能、内置SNMP机构及MIB数据库以方便网络的管理和诊断。

DCS接口设备：1台，配备硬件防火墙和工业级接口计算机，将它作为一台网关为DCS系统提供所需的现场实时数据信息，本接口计算机的配置和操作员站的配置相同。

2.4 辅网系统软件的结构

2.4.1 应用软件

本辅网系统主要应用软件采用组态软件iFix4.0中文版，按照为C/S（客户端/服务器）架构配置成3层体系结构的分布式系统。

①各个现场控制系统（统一采用最高端的140系列67160 PLC）作为底层数据源，运行下位控制程序，向服务器提供现场设备的运行实时数据，同时接受服务器的各种控制命令；

②2台服务器作为中间层，各运行一套SCADA SERVER无限点版软件来采集现场底层的实时数据；通过SQL SERVER软件采集系统实时数据，形成历史数据文件，提供给历史趋势图、操作及报警查询、其它查询服务。服务器一主一备，呈互相热备冗余配置，接收来自LCD操作员站的操作指令，经内部运算，形成运行指令，发往现场控制系统。

③LCD操作员站作为客户机端运行iClient软件，处在软件结构的最上层，它向服务器请求并提取各种现场数据，显示操作画面，检查操作员的身份，接收操作员的各种操作指令，并将其发往服务器，提供人机界面和操作报警与报表的查询打印服务。工程师站除和操作员站有相同的功能外，还完成日常的维护工作，进行一些组态修改工作。

2.4.2 操作系统平台

操作系统平台选用Windows中文版，该平台是目前中小型网络主流操作系统，安全性、稳定性好，支持绝大多数软件工业标准，资料充足，易于掌握。另外该平台可管理性出色、系统维护工作量小。其中服务器运行于Windows 2003 Server，操作员站运行于Windows 2000专业版。

2.4.3 上位监控软件

在本系统中，整个辅网上位监控软件都在工程师站（同时运行iClient开发版和无限点SCADA SERVER版软件）上开发完成，开发完成后按照功能分别移植到服务器和iClient操作员站，两者互相配合，共同完成辅网监控工作。

2.4.4 数据库软件

数据库软件选用微软MS SQL SERVER 2005，通过标准数据接口和查询手段向其它用户提供所需要的数据信息，包括 ODBC、OLE DB、ADO、RDO、DAO和JET引擎等软件工业数据库接口标准。

3 结束语

电厂辅网监控系统于2009年10月完成整个系统设计调试并正式投入生产运行，经过近半年现场实践的考验，证明该网络系统的设计和实施合理安全、不存在“瓶颈”和网络通讯堵塞现象，系统运行稳定、高速可靠，完全满足本厂辅助车间生产运行的需要，达到了预期设计和实施的初衷，也达到了全厂监控和管理信息网络化的需要，提高了全厂自动化控制水平，实现降低发电生产成本，为今后取得更大的经济效益奠定了坚实的基础。

［1］吴功宜.计算机网络高级教程［M］.北京：清华大学出版社，2007.

［2］高传善.数据通信与计算机网络［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］高 伟.300MW火力发电机组丛书-计算机控制系统［M］.北京:中国电力出版社，2002.