辅控网DCS－PLC 一体化控制系统应用

杨凯

(云南大唐国际红河发电有限责任公司，云南 开远 661600)

0 前言

目前国内运营的火电厂多采用DCS 系统控制主体设备(锅炉、汽机、发电机)及其辅机，采用PLC 控制辅助子系统。在PLC 控制的辅助子系统里，各系统由不同的厂完成，各成体系，给检修维护人员造成诸多不便;操作界面分别独立，操作方式繁琐，兼容性差，实现功能单一，自动化程度低，PLC 逻辑及上位机监控软件都无跳闸首出逻辑，上位机的报警信号功能单一，无法进行历史趋势查询。针对上述存在的问题，提出了一种全新的控制操作模式，整合改造原先PLC 所辖所有子系统，就地保留PLC 模板，上位机采用日立控制器进行通讯连接组态，提升工作效率。

1 系统整合优化的方案设计

基于日立HIACS－5000M DCS 控制系统，由机组级FDDI 冗余光纤令牌环网和连接在网上的人机接口站POC、HIST、EWS 及DPU 五大部分组成。以昆腾系列通讯模件NOE 77101 为应用层通讯报文传输接口，配置MODBUS TCP 实现PLC和DCS 之间的通讯连接。形成的控制网络具有高性能、高可靠性、稳定的实时响应等特点。

控制器配置:考虑到13 个系统的通讯负荷率及CPU 的负荷率共设置4 对控制器，采用与主机DCS 一致的CPU (LPU100H)，控制器不带I/O板，但含辅控网所有控制逻辑，以标准以太网MODBUS TCP/IP 协议实现与原辅控网PLC 双向通讯对电厂辅控设备的监控;机柜采用日立标准机柜(2 000 mmX700 mmX700 mm)，共配置2面，每面机柜布置两对CPU;电源采用目前日立正在使用的PS7000 电源。

人机接口配置:本系统配置3 台操作员站POC7000，用于完成辅控设备的监控操作;配置1 台工程师站EWS7000，通过工程师站完成控制逻辑的组态、编译下载与系统维护;配置1 历史数据站HDS7000，完成辅控网的历史数据收集与回放。

通讯接口配置:锅炉补给水、次氯酸、工业废水、江边、炉内加药、凝结水、生水石灰、含煤废水、燃油泵房、次氯酸、除灰、输煤及生活污水系统采用标准以太网MODBUS TCP/IP 协议直接通过控制器CPU 的以太网接口实现双向通讯与辅控设备的监控;因电除尘设备只能通过OPC协议传输，故为了实现对电除尘设备的监控，设置1 台通讯接口站CIS7000，用以实现控制器与电除尘设备的双向通讯与设备监控，通讯接口站通讯时间约有1 秒的时延;必须满足现场操作的需要。需要设置1 台独立的SIS 通讯站SIS7000 用于将辅控网画面和数据库等传送到SIS 系统。

2 系统整合优化的通讯原理

2.1 基于TCP 的Modbus 通信

Modbus 是Modicon 公司为该公司生产的PLC设计的一种通信协议，MODBUS 传输协议定义了控制器可以识别和使用的信息结构，而不须考虑通信网络的拓扑结构，是一种开放协议，广泛应用于电子控制器的一种通用语言，已成为通用工业标准，从功能上讲，MODBUS 包括24 种命令，每一功能都有相应的功能码，最基本的功能主要包括AI/AO、DI/DO 的数据传送，其Modbus 数据结构主要包括输入离散量、线圈、输入寄存器、保存寄存器4 个基本单元，访问示意图如图1所示。

图1 Modbus 访问示意图

Quartum PLC 都支持MODBUS，MODBUS 是应用层报文传输协议，主要应用与以太网TCP/IP，有线介质、无线、光纤上的异步传输，Modbus Plus，本次改造采用了以太网TCP/IP 的MODBUS 通信。互联网编号分配管理机构给Modbus 协议赋予了TCP 502 端口，支持Ethernet II 和802.32 种帧格式，在TCP/IP 以太网上传输，通过此协议，控制器相互之间通过网络(例如以太网)可以通信。其Modbus 通信栈结构如图2所示，使用TCP/IP 以太网的5 层结构:

物理层:提供设备的物理接口;

数据链路层:格式化源/目的硬件地址的数据帧;

网络层:实现带有32 位IP 地址的IP 报文包;

传输层:实现可靠性连接、传输、查错、重发、端口服务、传输调度;

应用层:实现Modbus 协议报文。

图2 Modbus 通信栈结构

2.2 H5000M DCS 与Quantum PLC 的Modbus

本次辅控网DCS 改造后就地PLC 控制器内已没有控制逻辑，PLC 不进行数据处理，逻辑控制，只作为一个数据接口站，负责就地数据的采集及集控室DPU 控制器指令的转达，所有逻辑控制功能都由集控室DPU 控制器完成，辅控网DCS与PLC 之间的通信是通过Modbus TCP 实现的。为了满足DPU 的负荷率，网络负荷率，每个控制器分配了4 个外围系统，以PLC1、PLC2、PLC3、PLC4 来区别，可根据需要增加控制系统，增加时只要在初始化逻辑页增加相应的初始化逻辑即可。

在此以PLC1 的燃油泵房系统为例进行说明，Modbus 初始化逻辑如图3 所示。

图3 Modbus 初始化逻辑

正常情况，Modbus 是双网并行运行的，以PLC1 的DI 为例，Modbus1 通过192.168.4.* 运行，数据区为MB2的1;Modbus2通过192.168.6.* 运行，数据区为MB3 的2。DCS 数据选择逻辑如图4 所示，IN1、IN2 接受的数据为同一个数据源，状态相同，OUT 输出通过PLC1的状态来选择是IN1 还是IN2，数据区MB2、MB3 是实时更新的，通过逻辑判断实现了网络故障或通信延时的无扰动切换，解决了改造前网络故障或通信延时不能切换的问题。

图4 DCS 数据选择逻辑

Modbus 的配置如图5 所示，根据Modbus 的主从关系，DUP 设置为服务器，DI、AI 为只读模式，只需要配置传送起始地址和传送长度，不需要配置读写模式。DO、AO 可选择读写模式及传送功能号。

2.3 通信网络拓扑结构

辅控网各系统采用了原系统的星型网络拓扑结构连接，该结构容易实现，易于节点扩展，易于维护，采用10/100/1000Mbit 自适应光电一体交换机，网络传输速度快，单个节点故障不会影响整体，但中心交换机故障，会使整个网络瘫痪，为了提高辅控网该控制系统网络传输的可靠性，减少故障点，采用了双星型网络结构并行运行。同时，现已实现了大集控，取消了就地控制操作站，根据140NOE77101 网络模块的特性，它具有10/100 Mbit 电口及100 Mbit 光口，改造前采用10/100 Mbit 电口再经光电转换器转换为光信号，这就增加了光电转换这一故障点，改造后直接使用100 Mbit 光口，直接通过光纤与集控室光电型交换机(主交换机)连接，减少了电信号转换为光信号环节，从而保证辅控网DCS 系统稳定及经济运行。

DCS 则采用了日立H5000M 控制系统的环形光网实现控制数据的采集，该结构信息交换实时性强，当一节点发生故障时，该系统可以自适应的实现双向发送数据，提高了网络通信的可靠性。各操作员站的组态维护通过DCS 交换机实现，是星型拓扑结构，电除尘系统也是通过DCS 交换机实现与操作员站、历史站的数据交换，使用了OPC 协议。

3 系统整合优化后实际运行

改造建成的PLC－DCS 系统，取消了原先的两台后台相互冗余服务器，消除了由于服务器故障不能正常切换，导致整个辅控网失去监视控制的问题。

改造建成的PLC－DCS 系统，实现了分散系统的集中控制，取消了原先就地工作站下位机控制，由集控中心全局把控，提高了工作效率。在事故工况下，最小化事故造成的影响。

改造建成的PLC－DCS 系统，实现了双CPU双网冗余控制对应子系统，将水煤灰油气等13 个子系统拆分至4 组8 个CPU 下进行控制，风险分散，提高了设备运行的安全性及稳定性。

改造建成的PLC－DCS 系统，保留了原有PLC电源模件、I/O 卡件、CPU、通讯模件、通讯电缆，最大限度的避免了资源浪费，节省改造成本。

改造建成的PLC－DCS 系统，实现了主机、辅控控制系统统一，实现了主机、辅机的大集控运行。

该系统在实际运行中的工作模式、运行状态、逻辑保护等主要技术特点，均满足电厂需求。通过实际运行，证明了所提出的PLC－DCS 系统整合优化效果好，系统操作方式灵活、稳定可靠、功能全面。

目前该系统已经在大唐国际红河发电有限责任公司投入运行，效果良好。

4 结束语

目前采用该种网络构建模式进行系统整合的技术，属国内首创。

现代火电厂辅控网络利用先进的计算机技术，通信网络技术，控制技术将原本分散独立的外围辅机系统联网，进行集中监视与操作。本厂辅控网络改造后采用了PLC+以太网+DCS 的方式，实现了主机、辅控控制系统统一，实现了主机、辅机的大集控运行，其中PLC 为施耐德公司的Quartum 系列，以太网为双网冗余配置，通信介质采用光纤，DCS 采用北京日立控制系统公司的H5000M 系统，DPU 与操作员站、工程师站、历史站之间通过环形光网连接，操作员站之间通过交换机连接。13 个辅控制子系统由4 套热备DCS控制器完成控制任务，控制器与PLC 之间的数据交换通过Modbus TCP 协议完成，电除尘系统通过DCS 交换机实现与各操作员站的连接，采用OPC 通信。

在自动化程度飞速发展的新时代，不紧跟或者引领时代发展的步伐，终将难逃落后被淘汰的窘迫命运。在自动控制领域，分散系统集中控制是趋势，逐步实现控制中心一人值守或无人值守是目标，目前改进后的系统正朝着该目标不断靠近，提高企业的核心竞争力。