火电机组辅助控制系统通信故障处理及优化

2012-11-15钱朝明罗友元

浙江电力 2012年2期

孙波，王会，钱朝明，罗友元

（神华国华浙能发电有限公司，浙江宁海 315612）

国华宁海电厂B厂2×1 000 MW超超临界机组的锅炉采用上海锅炉厂有限公司应用Alstom技术生产的直流锅炉，辅助控制系统采用集中监控方式，即在5号、6号机组主控室里的辅控操作员站上能完成对5号、6号机组的煤、灰、水系统的完全集中监控；同时可在煤、灰、水系统分区控制点进行分区监控。辅助控制系统包括水务管理、除渣、输煤、凝结水精处理、电除尘、飞灰输送、飞灰分选、海水净化、脱硫废水。辅助控制系统采用上/下位机网络和可编程控制器（PLC）相结合的方式，上位机采用Wonderware公司的Intouch组态软件，下位机采用AB公司的第三代工业控制产品ControlLogix控制系统。

1 通信及网络配置

辅助控制系统是由以太网（EtherNetIP）、控制网（ControlNet）和设备网（DeviceNet）组成的开放型网络，具有NetLinx结构，把网络服务、CIP（控制和信息协议）及开放式软件接口结合在一起，如图1所示。其中，以太网是以TCP/IP为传输协议的开放型网络信息层；控制网是开放型的现代化控制网络，可以提供可编程序控制器、输入/输出机架、个人计算机、第三方软/硬件以及相关输入/输出设备间的实时通信；设备网是开放型的全球化工业标准通信网络，无需中间的输入/输出系统就可以将现场设备和可编程序控制器直接相连。

1.1 设备网

图1 辅助控制系统结构

DeviceNet是全球化的工业标准网络，是面对设备级信息采集开发的网络系统，基于生产者/用户（Producer/consumer）方式，该网络被设计成高级设备（如控制器）和智能I/O设备（如光电传感器）直接连接并交换数据的界面，是一种多主（不止一个扫描器）多从（不止一个适配器）的网络结构。采用设备网，只需通过一根电缆就能够将PLC直接连接到智能化设备，如传感器、按钮、电动机起动器、变频器、简单的操作员接口等，省却了PLC与输入/输出网络的通信、输入/输出网络与现场设备的硬连线。其特点如下：

（1）互用性好。多主的单一设备（符合DeviceNet标准）是可交换的，提供机动和选择。

（2）公共网络。开放的网络提供了公共的解决方案，以满足各种设备的网络需求。

（3）节省配线。网络设备安装比传统I/O节省配线，并且一条线能同时支持通信和24 V电源。

1.2 控制网

ControlNet也是实现信息网和控制网的物理网络，甚至可延伸到设备层，是一个开放式的网络，采用生产者/客户通信模式，控制网结合了输入/输出网络和点对点信息网络的功能，既可以满足对时间苛求的控制数据传输（如I/O刷新、控制器与控制器的互锁）的需要，又可以满足对时间非苛求的数据传输（如程序上传、下载、信息传送）的需要。控制网适用于实时、高信息吞吐量的应用场合，因其数据传输速率高达5 M/Bps，所以可以支持高度分布式的自动化系统，特别是那些具有高速数字量I/O和大量模拟量I/O的系统。I/O机架和其它设备可以安放在离PLC数百米远的地方，或者，对于分布式控制系统来说，可以将PLC放置在I/O机架中，使PLC可以在监视其驻留本地I/O的同时通过控制网与上一级管理控制器进行通信。

控制网能够处理同根电缆上的所有控制数据，即点对点信息传送与信息互锁。采用专利性的介质存取方法，对时间苛求的数据传输总是拥有比对时间非苛求的数据传输更高的优先权，因而I/O刷新和PLC之间的互锁永远比程序上传、下载和一般信息传输更为优先，从而使控制网上的数据传输具有确定性和可重复性。

宁海电厂B厂控制网络有两种结构，一种是双总线型连接（除灰系统、电除尘等），另一种是环形连接（水务管理和渣管理等）。

1.3 以太网

EtherNet/IP是实现信息层和控制层的物理网络，以TCP/IP为传输协议，是一个开放型的信息网络。通过以太网PLC模块，无需特殊硬件，可以直接和控制网连接，用户可以在装有以太网网卡的个人计算机上借助RSLinx软件，通过使用RSLogix 5000系列编程软件在线修改处理器的数据表文件和程序文件，并且可以实现点对点通信。

2 PLC通信故障及优化

以下介绍几起运行中出现的PLC通信故障及采取的优化措施，以供参考。

2.1 以太网瘫痪故障

2009年8 月，机组辅助控制系统在调试期间出现以太网全部瘫痪故障，导致上位机数据无法刷新，运行人员无法操作就地设备，水务管理、渣系统、除灰系统、电除尘等全部辅助控制系统画面处于离线状态。

利用RSLink软件对辅助控制系统所有子系统进行检索，发现净水站CPU无法连接，其它子系统的控制网和设备网正常运行。就地净水站CPU出现断线报警，检查发现PLC电池已经没电，由于PLC电源瞬间失电，PLC内部程序丢失。进一步检查发现，辅助控制系统所有以太网与控制网均通过冗余的实时服务器进行连接，连接采用DAServer软件，软件设置为：当无法检索到站点时，服务器必须频繁连接所有站点。因此当净水站CPU内部程序丢失后，服务器频繁连接该站点进行数据读取，造成服务器内存和CPU占用率过高，DAServer软件进入死循环，使所有辅助控制子系统的以太网与控制网络的通信中断，从而造成辅助控制系统以太网全部瘫痪。

故障发生后，采取了以下优化措施：

（1）将以太网和控制网之间的通信分散配置：将主机集控室的辅助控制网络操作员站和工程师站配置在实时服务器上，脱硫集控室的操作员站和工程师站配置在下层操作员站上，从而减轻实时服务器的数据传输压力，降低控制风险。

（2）所有以太网和控制网之间的连接配置均不设置重复读取和重复连接选项，这样即使控制网段内某个系统的CPU或网段故障，也不会无限制地读取服务器，从而减轻单个系统对整个辅助控制系统的影响。

2.2 通信故障

2010年5 月，运行人员发现水网画面出现黄色报警，对现场设备运行状况无法监视，也无法操作。检查网络通信状况，发现水网中DAServer到PLC之间的通信故障报警。

就地检查水网PLC运行状态发现有CPU报警，ControlNet通信故障。ControlNet是智能网络，不但接收网络组态软件的组态信息，更重要的是它能自动管理网络。ControlNet网络分为Single Keeper（单一管理者）和 Multi-Keeper（多个管理者）两种类型，宁海电厂B厂是Multi-Keeper网络管理者类型，这种网络可以有多个可以充当管理者的设备，而且总是由网络中的最低站号担任Active Keeper（网络管理者），一旦最低站号的设备关闭或脱网，次低站号的设备将自动接替Active Keeper，如果最低站号重新回到网上，则Active Keeper将转回最低站号。但在此过程中必须保持Keeper签名与该站点先前的网络签名相匹配，否则将以残缺的Keeper身份加入网络，从而无法进行通信。

水网网络是由工业水、含煤废水及复用水、雨水泵房、循环水加药及循环水补水泵房5个远程I/O站组成的环形控制网络。调试过程中雨水泵房远程站一直没有投入使用，机组正常运行后，将雨水泵房远程站送电投入运行，但雨水泵房无法正常通信，并同时影响其它远程站运行。通过对控制网络通信和配置的检查，发现雨水泵房为5个远程站中的1号站，工业水远程站为2号站，在雨水泵房投入使用之前，工业水远程站作为Active Keeper。当雨水泵房远程站上电并投入运行时，雨水泵房远程站即成为Active Keeper，此时Keeper签名与先前网络配置中的签名无法匹配，从而导致通信无法正常连接。

针对雨水泵房远程站频繁启停情况，将工业水远程站设为1号站，雨水泵房远程站设为最后一站，解决了Active Keeper频繁更换、Keeper标签无法匹配，控制网络无法连接的问题。

2.3 以太网与控制网连接故障

宁海电厂B厂超超临界机组以太网（上位机Intouch软件）和控制网（下位机RSLogix5000软件）时常出现无法连接情况，致使运行人员对就地设备无法操作也无法监视。

上/下位机通过 OPC（OLE for process control）通信标准进行连接。OPC是基于Windows应用程序和现场过程控制建立联系的桥梁，具有广泛性和通用性。Intouch与PLC的通信如图2所示，Intouch客户端通过OPC的I/O驱动器OPCLink连接OPC服务器，但它并不直接访问OPC服务器，而是通过对OPC服务器对象的访问来实现与OPC服务器的数据交换。OPC服务器对象虽是OPC服务器的一部分，但却拥有服务器几乎所有的信息，同时还包容组对象（组对象拥有本组的所有信息），也包含了OPC的项目对象。OPC的项目对象是服务器端定义的对象，对应现场PLC的1个寄存器单元，OPC的客户端Intouch对PLC寄存器的访问都是通过OPC项目对象来完成的。但OPC项目对象并不提供外部接口，Intouch不能对OPC项目对象直接操作，而是通过OPC组对象进行操作。OPCLink为Intouch连接OPC Server提供了接口，是Intouch与OPC Server通信的桥梁，主要作用是通过协议转换来实现OPC服务器和Intouch之间的数据传输。从功能上讲，OPC Server是从控制网上取得实时数据转化成OPC格式，并用标准的OPC接口方式提供给用户。

图2 OPC的通信原理

由于PLC系统的网络规模较大，涵盖了所有的辅助控制系统，甚至还与局域网PI系统相连，因此网络数据传输量较大。OPC的分层结构及数据传输过程直接决定了OPC在大型数据网络中数据传输的局限性。经过一段时间的运行，发现OPC读取信息的速度和稳定性达不到要求，经常出现通信中断的情况。

通信是生产过程中的关键部分，Wonderware公司的DAServer使通信与连接达到了更高的水平。DAServer是Wonderware的下一代I/O服务器，建立在ArchestrATM技术的基础上，能够提供更强的通信诊断功能与更高的性能。每个DAServer均提供多种标准功能，包括：与OPC兼容、独立操作模式、支持热配置、设备添加以及设备专用与服务器专用参数修改等。DAServer支持多种协议与产品建立连接，Wonderware当前的DAServer还提供对以下协议的支持：Allen-Bradley用于ControlLogix的CIP协议；Allen-Bradley的TCP协议；Allen-Bradley的DHPlus协议；Siemens的SimaticNetS7。

鉴于DAServer强大的功能，电厂尝试利用Wonderware公司的SMC软件管理上位机（以太网）与下位机（控制网）之间的通信，SMC（ArchestrA System Management Console）是 Wonderware公司开发的上位机Intouch软件与DAServer驱动程序的接口管理界面，它是作为Microsoft“管理控制台”的管理单元安装的，所有的客户端可以通过OPC，DEE/suitelink或自身接口等连接到DAServer驱动上，该驱动再与控制网络进行连接，从而完成整个网络的通信。由于DAServer驱动与OPC兼容且具有超强的接口适应能力，保证了以太网与控制网之间的通信质量。