施耐德复杂RIO网络的解决

广州发展燃料港口有限公司 张春光

西安航天自动化股份有限公司 王 征

施耐德复杂RIO网络的解决

广州发展燃料港口有限公司 张春光

西安航天自动化股份有限公司 王 征

本文通过对施耐德公司可编程逻辑控制系统（PLC）远程IO系统通讯网络结构规划、光电网络的组建原则、组网过程中需注意的错误链接、及通讯衰减的计算及解决方法的详细介绍，结合珠江电厂环保煤场技改工程进行新旧系统融合升级、光电混合通讯网络的工程实施过程、以及所遇通讯问题解决过程的剖析总结，阐述了施耐德复杂RIO网络的在系统升级改造实现过程中的步骤，以及复杂网络规划中需要注意的关键问题，提供了可以借鉴的实际解决经验。

PLC；RIO；网络规划；衰减值；光纤中继器

1 施耐德PLC远程IO简介

施耐德电气公司在工业电气自动化领域的中大型可编程逻辑控制器PLC系统包括:莫迪康 984系列PLC、QUANTUM系列PLC、最新施耐德 UNITY系列PLC。

施耐德PLC系统RIO:通讯基于S908协议,通过RIO模块实现。RIO适用于满足距离较远、点数较多、点数集中、干扰较强的现场。施耐德PLC热备冗余系统只支持RIO系统。

RIO提供了一种网络体系解决方案。RIO体系是个高速通讯网络、具有远距离传输能力,同轴网络距离不够,可用光纤进行传输,还可提高抗干扰特性。

2 施耐德PLC的RIO网络规划中应该考虑问题

(1)典型的不合理网络结构:1)远程分站不可以直接接入干缆;2)干缆中分支器接头不能为空,需接终端电阻;3)在同轴系统中使用多个分离器构成星型结构或组建没有终端的环形网络;4)光纤链路中超过5个光纤中继器。

(2)网络规划中信号衰减问题考虑。

电缆、分支器和分离器都能导致信号衰减;为保证阻抗匹配,在主干缆中,开放的分支器和干缆终端,必须使用75Ω的终端电阻;整个RIO网络的信号衰减不能超过35DB。

1)通常选用型号为RG-6、RG-11标准的75Ω的同轴电缆的衰减值:

RG-11:0.38 dB/30m (100 ft) @ 5MHz

良好的抗干扰能力使其用于大多数工业环境下的干缆和强噪声环境的分支电缆。

RG-6:0.38 dB/30m (100 ft) @ 2MHz

中等的抗干扰能力使其一般作为分支电缆,也可用于小型工业网络的干缆。

2)分支器的衰减值:所有分站都必须使用分支器,干缆间衰减是0.8DB,分支间衰减是14DB。

3)1.544MHZ下系统衰减的计算公式:衰减值DB=TCA +DCA+TDA+(NOSX6)+(NOTX0.8)

TCA:从头到尾整个干缆的衰减;DCA:分支电缆的衰减,通常是最后一个分站的;TDA:分支器的衰减, 14DB;NOS:系统中的分离器数量;NOT:从头到最后一个站点之间分支器的数量。

最大衰减不应超出35DB,对于双缆系统是独立计算的,如使用光纤,需计算光缆上的衰减。光纤衰减参考下表:

3 珠江电厂输煤程控现状及需求

现有旧输煤程控系统由电厂4×300MW输煤程控和重件码头装船出库程控系统两部分组成。其中电厂4× 300MW输煤程控系统主站、子站、远程站均为施耐德公司莫迪康品牌,主站为采用施耐德公司莫迪康品牌CPU43412型CPU(双机冗余热备),煤仓间子站为采用施耐德公司莫迪康品牌CPU43412型单CPU,远程站共7个。重件码头装船出库输煤程控系统采用西门子品牌设备,包括一个主站(CPU为S7-300)和三个远程站。重A线负责通过重A码头的装船机向外送煤。

本工程需对现有旧输煤程控系统统一进行扩建和升级改造,包括升级原电厂4×300MW输煤程控系统主站、改造重件码头装船出库输煤程控系统及接入新增输煤系统各远程站等。

图1 系统工艺流程图

图2 第一阶段网络框图

本工程主机采用施耐德公司UNITY系列PLC,CPU为140CPU67160型,采用双机热备冗余方式提高程控系统可靠性,共规划新增12个远程站,主站和各新增远程站之间通过RIO方式搭建控制网路,考虑到距离分散,主站和各新增远程站之间通过冗余光纤实施组网,光纤中继器采用COMARK CI-RF120双光口模块。原有老系统仍然保持冗余同轴电缆通讯的结构,最终降级为IO分站接入新系统。

本工程通过改造,可解决原有整个输煤程控系统区域中存在多个控制中心,多种PLC系统带来的运行协调、检修维护及管理的困难,实现生产控制调度的统一。

该工程实施的难点是系统结构复杂,分站数量多,各站分布范围广,RIO网络共计有22个远程IO分站;RIO网络中光纤和同轴电缆链路混用,会存在时延问题;控制范围大,各远程站按地理位置分布在各个转运站;新老系统融合在保障生产的前提下需做到平稳过渡,实施过程存在临时过渡方案(见图1)。

图3 第二阶段网络框图

图4 最终阶段网络框架图

4 珠江电厂复杂RIO网络的实施过程

由于该项目是珠江电厂原露天煤场基础上改扩建工程,需要边运行边改造,改造的过程中还不能影响生产,同时由于各远程分站的物理位置较为分散,因此实施改造的过程不能一步到位,必须结合原有系统及施工进度,按功能、分区域、分步骤的实施。根据具体施工安排,灵活搭建控制网络结构,分步实现,做到平稳过渡,最终实现控制网络的大统一。

4.1 根据工程实施首先实现西线出库功能

首先在老集控室安装一面主机柜,在新建输煤配电间、T205转运站、T303转运站T304转运站安装各个远程机柜。由于是过渡方案,从主机柜到新建输煤配电间远程站、T205远程站之间光纤通讯采用临时单通道方式; T304远程站、T303远程站、T205远程站之间和最终网络方案相同,之间光纤采用冗余双通道方式。

同时由于中央控制室土建没有完工,系统监控通过以太网在船舶调度室设立一台临时上位机实现。

旧的控制系统暂时保留不做升级,新旧系统主机之间采用MODBUS TCP协议通过以太网通讯方式实现数据交换(见图2)。

该阶段RIO网络结构较为简单,由于正式通道没有,因此从主机柜到新建输煤配电间远程站放置临时6芯光缆解决RIO通路和上位通讯问题。

4.2 实现东线卸煤功能

在T201转运站、T202转运站、T203转运站增加、远程机柜。由于仍是过渡方案,在输煤配电间临时增加光纤中继器和T203远程站相接,输煤配电间远程站、T201远程站、T202远程站、T203远程站之间的网络架构和最终网络方案相同,之间光纤采用冗余双通道方式。

旧的控制系统暂时保留不做升级,新旧系统主机之间采用MODBUS TCP协议通过以太网方式实现数据交换。

此阶段临时在输煤配电间远程站增加2个光纤中继器做树形分支。

4.3 实现新老系统的融合

新老系统融合时需要将原有老程控系统和原煤仓程控系统降级为子站。

老程控系统由于原先就是RIO网络,降级较为容易,断开主机通讯链路,直接将原先的远程分站接入即可(见图3)。

原煤仓程控系统需要减少无关模块,增加相关RIO通讯模块,把原先RIO、DIO混用网络调整为RIO网络。

最终RIO网络结构是一个树形结构,各自干缆基本按照地理区域及整个输煤程控的使用功能进行了分区规划。

4.4 信号衰减计算

衰减值=TCA+DCA+TDA+(NOSX6)+(NOTX0.8)

(1)同轴电缆的衰减:34.68DB=0.38x25+0.38+14+ 1x6+6x0.8

由于老系统结构不需要修改,因此最大问题会在这里出现,经计算处于临界状态,基本上满足衰减要求。

(2)光缆同轴混用网络:20.58DB=0.38x10+0.38+1 4+0+3x0.8

注:光纤通路单独计算。如图4所示。

4.5 实施过程中遇到的典型故障现象及解决

在新老系统融合过程中,出现了最严重的故障:RIO通讯模块的通讯故障灯全亮,整个网络失效,通讯全断。通过施耐德编程软件UNITY监控各站AB缆通讯状态字,发现各个远程站通讯的双缆通讯错误帧奇高。

故障原因分析排除过程:先恢复到初始状态,断开老系统通讯,仍然没有解决通讯失效的问题。继续做实验过程中,发现只要是投运原来单缆,整个网络通讯失效的问题就能解决;此时投运老系统,虽然仍出故障报警,本来所有远程站应该是出现统一的B缆错误,在极个别远程站却出现了A缆错误。初步说明由于之前是临时网络,通讯中单双缆复用,此次是整体投运双缆冗余,由于要保证生产,切换时间紧张,未对整个网络进行核实,怀疑是通道AB不对应的原因,因此重新核对了新系统的通讯通路,使之确保各远程站之间A,B通道对应的正确性。

重新核对新系统双缆通道后,新系统之间的通讯网络能够正常运行,但只要双缆的情况下,老系一接入,整个网络又不能正常通讯,但是单缆使用却能正常工作。说明老系统原有网络也存在问题。继续按网络规范整理老系统网络,检查AB路对应关系,检查终端电阻是否接入。完成以后投运双缆发现还是出现网络失效。此时判断老系统的同轴介质出了问题。因此先保证老系统单路正常,然后一段一段投双缆检查,有问题的通路重新敷设,最终实现了双缆投运。

特别注意:由于光电复用,由于光电信号转换需要时间,导致光电系统反应不一,导致通讯出错,所以要考虑光纤中继器的时延问题,考虑到如采用施耐德光纤中继器产品,同一链路中只能保证五台,因此选用其他替代产品,从目前使用来看,该光纤中继器在同一链路中可串接达13台,但我们发现,由于老系统为同轴电缆,通讯故障率较高,很容易影响到新系统。为保证网络的可靠性,最终同一链路最多串接了7台。

5 总结

出于对生产稳定性的考虑,为做到系统平滑过渡,珠江电厂输煤此次继续使用施耐德PLC系统,可以最大限度保证正常生产。但由于控制设备数的增加,远程分站增多,以及新老系统混用,远程站通讯介质既有同轴电缆又有光纤,给整体网络架构提出了很高要求,为保证网络功能能够实现,在RIO网络规划时按规范要求进行,特别注意通讯衰减不超出35DB。实施过程中要注意冗余通路的对应,做到不交叉。同时做好接地、电缆敷设通路的抗干扰措施。遇到实际问题,借助分析工具,具体问题具体分析,分段查找,最终解决故障,保证了整体系统的可靠。

［1］Modicon Remote I/O CableSystem Planning and Installation Guide 06/2012.

张春光（1973—），男，湖南醴陵人，工程硕士，工程师，电力系统电气技术总监。

王征（1972—），男，陕西西安人，工学学士，高级工程师，研究方向：电力系统自动化控制工程。