基于分布式PLC的上位机监控系统在电厂中的应用

郝振华 魏 静 丁 强

山东电力工程咨询院 山东 济南 250013

0 引言

近些年随着计算机技术的突飞猛进，上位机监控技术及现场总线技术得到了迅速发展，也越来越多地应用到了热工自动化领域。锅炉安全监控系统FSSS（Furnace Safeguard supervisory System）在大中型火电机组的安全运行中起着重要的作用，其主要功能包括：炉膛吹扫、锅炉点火、油燃烧器的启停控制及全炉膛的灭火保护等功能。本文以淄博南定电厂FSSS改造工程为例，介绍基于现场总线技术的上位机监控系统在该厂中的应用。

1 基于现场总线的PLC控制系统组成

南定电厂1#机组锅炉燃烧器为四角布置，分为两层油枪燃烧器和三层煤粉燃烧器，采用高能点火器---油枪---煤粉的两级点火方式。该厂1#锅炉FSSS的PLC控制系统构成如图1所示。

图1 FSSS控制系统网络结构图

本控制系统使用一台工控机作为操作员站兼工程师站，使用西门子公司的双机冗余的S7-300 CPU315-2DP作为主站，CPU315-2DP又挂接了5个远程I/O从站ET200M，上位机通过西门子通讯卡CP5613与PLC的CP342-5通讯模块相连，实现PROFIBUS通讯。PLC通过其CPU上集成的PROFIBUS-DP接口连接各远程I/O从站。PLC主要配置如表1：

西门子S7-300系列PLC体积小但功能强大，程序存储器最多能处理16K语句，CPU能自身与PROFIBUS-DP连接，硬件全部模块化，只需将所用的模块插入到机架上即可，安装及拆卸非常方便。本系统PLC控制系统主机采用S7-300双机热备，平时一台作为控制主机，另一台作为热备用机。当控制主机发生故障时，备用机自动接管控制工作变为控制主机，切换时间为毫秒级。热备PLC主机通过冗余的Profibus-DP网络与各PLC分站通讯，各PLC分站都挂接在同一个冗余的Profibus-DP网络上，构成分散型控制系统，这种配置可大大提高系统通讯网络的可靠性，实现系统的免维护运行。

表1 FSSS分布式PLC主要配置

本系统采用分布式远程I/O站，控制器下设5个ET200远程IO站，其中1个IO分站布置在FSSS主站，负责系统的公用IO信号输入、输出控制。其余4个IO分站安装在现场锅炉4个角，其负责控制每个角的两层油枪点火设备的启停及油层和煤粉的火焰监控，主控站PLC主机和4个就地I/O站之间采用PROFIBUS通信，通讯速率为1.5Mbps，各站之间通过屏蔽双绞线连接，大大减少了电缆的数量，节省了工程的成本开支。

由于CPU315-2DP有两个通信端口，分别支持MPI、PROFIBUS-DP两种通信方式，本系统PLC通讯网络也就分为二部分：MPI，PROFIBUS-DP。

1）MPI（多点通讯接口）

MPI是多点接口（Multi Point Interface）的简称，S7-PLC CPU都集成了MPI通信协议，MPI物理层是RS-485，数据传输率为187.5kbps，编程器通过RS-232接口和PC/MPI适配器（编程电缆）与PLC链接，通过MPI实现主站S7-300 PLC和编程器之间的数据通讯。

2）PROFIBUS-DP（现场总线网）

PROFIBUS是Process Field-Bus Decentralized Periphery的缩写，是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信，PROFIBUS是按照DIN19245来进行标准化的，其中PROFIBUS-DP主要用于分布式的远程I/O控制。总线采用一种混合式的访问方法,主站之间采用令牌总线，当主站接受到令牌，它获得访问总线系统的权力，当规定时间过去后，它把令牌传到网络上的下一个主站。从站并不接受令牌，它们是由所属的主站来直接寻址。它允许少量数据的高速循环通讯，具有高度的容错性、数据的完整性、标准信息帧结构、在操作过程中可自由的访问每个站等优点。数据传输率可达12Mbps（与传输距离有关）,可用双绞线和光缆传输数据，可自动识别从站的数据传输速率。

本系统软件结构部分包括Windows 2000操作系统、下位机编程软件STEP7、上位机监控软件WinCC。

2 实现方法

1）网络通讯

上位机与下位机的通讯：首先用总线连接器完成线路连接，然后在STEP 7中新建一个项目，在HARDWARE页面中完成对PLC硬件的组态。包括每个模块的型号和在机加上所放的位置，在CONNECTION页面中完成对整个网络的组态，即将现场控制站连接到对应的网线上并为每个现场控制站设定唯一的通讯地址和相同的传送波特率，最后下载到CPU中，这就完成了上、下位机之间的通讯。

对ET200从站，在系统组态时，已给它们分配好了站地址号，在硬件连接时，要注意把从站跳线开关拨到相应地址号位置上。每个ET200从站上都有一个PROFIBUS接口，用来插DP总线连接器。DP总线连接器上有一个ON/OFF开关，打到ON时表示接入了终端电阻，并断开了该节点以后其它节点与网络的连接；打到OFF时表示未接入终端电阻，该节点以后其它节点还能与网络通信。终端电阻起一个抑制浪涌电压的作用，一般在网络两端都加终端电阻。

2）PLC 编程

用SIEMENS STEP 7软件对PLC系统进行硬件组态，编写控制程序，然后下载给PLC S7-315-2DP。S7-300系列PLC的编程我们采用图形化的梯形图语言，程序的编写在组织块OB中完成。该软件中包括有非常丰富的功能块和指令集，只需调用就可以。另外对于一些特定的功能，我们也可以针对该功能自己编写对应的功能块，然后在OB中通过数据块DB来调用功能块FB，这样应用起来非常的灵活。在上位机与PLC通讯正常时，我们可以对所编写的程序进行在线调试，这样程序的运行情况和程序所要控制的设备的运行情况就一目了然，非常清楚。对于程序中用到的内部变量M也可以用变量表对其进行强制接通或断开，有助于程序调试的顺利进行。

3）WinCC 组态

首先在WinCC新建项目的标签管理器（Tag Management）中添加PLC驱动程序，本系统要建立一个PROFIBUS网络，所以选择支持S7协议的通信驱动程序 “SIMATIC S7 Protocol Suite”， 在其中的“PROFIBUS”下连接S7-300，要设置节点名、地址等参数，地址必须与PLC中设置的相同。

第二步，在组态完的S7-300下设置标签，每个标签有三个设置项，即标签名、数据类型、地址，其中最重要的是标签地址，它定义了此标签与S7-300中某一确定IO地址、中间位或数据块等一一对应的关系。设置标签地址很容易，可以直接利用在STEP7中配置的变量表。如设置标签地址为I0.0，表示S7-300中输入通道地址I0.0。用此方法，将S7-300与WinCC之间需要通信的数据一一做成标签，即相当于完成了S7-300与WinCC之间的连接。

第三步，在图形编辑器中，用基本绘图元件或图库中的对象制作FSSS监控画面。编辑画面时，将变量标签与每个图形对象连接，也就是相当于画面中各个对象与现场设备相连，从而可在画面上监视、控制现场设备。

在图形元件的对象属性中，我们可以在属性和事件中通过动态对话框或C动作与变量标签相连接并做出符合自己需要的动态过程。

组态趋势图需要打开变量记录编辑器对所需要显示的变量进行过程值归档，然后在图形画面中添加趋势模板控件并与对应的过程值归档变量相连接，之后就可以在该控件属性中修改时间坐标、量程坐标和报警限制值等。

组态报警记录需要先打开报警记录编辑器，在消息块中组态自己需要的消息行格式和消息窗口模板，在消息等级中组态消息到达时、离开时、确认时的不同颜色，然后加载模拟量报警复选框并添加需要报警的变量名称，同时设定报警的上、下限值，同时为每条报警信息确定唯一的编号，再在图形编辑器中调用智能对象中的报警控件，将组态好的报警信息与其相连即完成了报警部分的组态。

FSSS系统监控画面的设计要求如下：

（1）能显示炉膛吹扫条件，必要的手动确认按钮、按钮动作，能实时显示吹扫过程。

（2）出现主燃料跳闸时应能自动弹出主燃料跳闸画面，显示首次跳闸原因并记录跳闸发生的时间。

（3）能显示火焰鲁棒图，在画面上能看到锅炉各个燃烧器的燃烧情况。

（4）能对现场设备进行远操，并能及时显示其动作状态。

（5）有重要报警及一般报警，能显示报警的发生时间。

（6）在画面上方显示PLC运行状态，与哪一个PLC连接，并有当前时间显示。

为达到以上的要求，本系统设置了128个变量，其中包括现场所有设备状态指示、操作按钮、保护切投开关、火焰强度显示以及故障报警等等。本系统共设计10幅画面，这些画面包含有系统监控所需的全部内容，且画面形象，操作方便，并有故障辅助分析系统，历史数据记录与打印功能，极大地提高了FSSS的操作可靠性能。图2为本系统的程控点火监控画面。

图2 FSSS监控画面

3 应用体会

1）本系统中，硬件方面采用集散控制思路，减少控制电缆，采用区域间数据通讯传输，减少故障点，增加了传输速度与系统的可靠性。

2）软件编程方面运用了结构化程序设计思路，将相对独立、集中的控制放到一个程序功能或功能块中，程序执行调用功能，提高了程序运行效率。

3）在主程序（OB1）中，只是满足各种条件下的功能及功能块的调用，使得程序的可读性强。

4）编程中采用了大量的过程数据，使得程序的修改、维护简单，过程数据的使用大大缩短了程序的运行时间，提高了系统运行速度。

5）在WinCC系统中嵌套的ANSIKC语言，给系统提供了最大的灵活性。其标签点的定义比其它工控软件不同，在WinCC中，其模拟量点为一个点一个标签，对数字量点，在WinCC中，可以以8位、16位、32位为一个标签，从最大限度地节约标签数来说，对数字量点来说，可以以一模板为一个标签点计算，但根据实际经验看，最好使用8位为一个标签，在计算机处理更方便。

4 结束语

南定电厂FSSS采用PROFIBUS现场总线控制，项目投入运行后，运行效果良好，控制系统的响应速度达到了预期的要求，画面简洁、操作方便、通讯稳定，极大地减少了误操作事件的发生，既确保机组安全可靠运行，又大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工时间以及维护费用，深受现场工程技术维护人员和操作人员的欢迎，为火电厂同类系统的改造提供了参考借鉴，具有推广应用价值。

［1］WinCC.通讯手册［S］.SIEMENS，2003.

［2］李培松.大容量火电机组锅炉FSSS逻辑设计若干概念［J］.电站系统工程，2001，17（03）：178～180.

［3］赵燕平.热工联锁保护系统配置优化技术［M］.北京：中国电力出版社，2006.