PLC双网冗余通讯技术在化学水中的应用

苑咸光　张卫宝　白利红

摘 要：电厂化学水处理系统作为电厂辅机程控系统的重要组成部分，是电厂辅机中控制最高、最前沿的工艺过程，为锅炉提供高品质的除盐水，其运行稳定关系整个锅炉的安全性和生产的连续性，因此化学水系统安全稳定运行的重要性是不言而喻的。化学水系统的稳定运行除了现场设备的可靠外，还需要控制系统的稳定运行。通过对通讯技术的改进，将化学水控制系统在原有双机热备的基础上改进成为双机热备和双网冗余控制结构，确保系统的安全稳定长周期运行。

关键词：Unity Pro；NOE通讯；双网冗余；网络互切

1 引言

丰润热电厂化学水控制系统采用远控及就地控制相结合的控制方式，控制系统实现了PLC和CRT操作站形式的程序控制和监视控制模式。PLC控制系统是化学水程控的核心，其采用工控机为上位机，PLC控制系统为下位机的二级控制模式，因此PLC系统出现故障后，化学水车间均无法正常工作，为了保证化学水系统的稳定运行，需要设计冗余控制模式。丰润热电公司化学水系统于2009年正式投入运行，虽然设计了双机热备控制结构，但是没有设计网络的双向冗余功能，当NOE通讯板卡出现故障后，远方操作员站就无法正常控制和监视化学水系统，通过本次改造，将系统双机热备结构改造成为双机双网冗余结构，确保系统的安全稳定运行。

2 化学水系统组成

化学水处理系统采用Medicon Quantum Unity系列的PLC。其中采用Medicon Quantum CPU 6710模块，电源模块140-CPS-114-20，通讯模块为：140-CPS-93X-00，140-NOE-771-01二模块。控制器采用双机热备形式，通过远程I/O的方式连接现场需要监视和控制的设备，主控制系统和远程I/O控制站之间采用同轴电缆冗余通讯方式进行信息传输。硬件如图1所示。根据设计模型，系统有以下特点：（1）就地控制站采用2台配置完全相同的计算机依靠以太网通讯技术，通过监控软件监视系统设备的运行状态，并且配置为双网冗余模式，提高系统的可靠性和灵活性。2台就地控制站站对现场设备进行参数的采集、存储，根据不同的要求，选择操作模式，提高了设备的性能和减少运行人员的劳动强度。（2）通过PLC硬件实现CPU的双机热备。双CPU通过冗余内存交换模块达到热备目的，冗余内存交换模块提供了一个高性能的通讯网络，用于连接基于VME-BUS基础上的系统。当主控CPU出现故障时，备用的CPU就自动切换为主控制CPU控制整个系统的运行，保证系统的安全。自动切换的前提条件为主CPU本身出现故障，其他部件出现问题是不能正常互切。（3）就地控制站和远方服务器与2台CPU的连接只依靠主备CPU上单一NOE卡件，此环节为单网，没有考虑冗余环节。当主CPU中的NOE板卡出现故障，导致网络不通畅时，主、备CPU是不会切换的，造成整套系统失去监视和操作功能。因此设置NOE卡为单一网络通讯是不可取的。（4）每个子站和主站的通讯是基于同轴电缆的双网冗余通讯。当主通道出现故障后，备用通道自动切换成主通道，自动切换时不影响设备的正常运行，从而保证了设备的可靠性。

3 改造方案

通过对现场实际运行情况的观察发现，当主CPU的NOE板卡出现故障，主CPU正常运行时，主CPU是无法判断NOE板卡故障，实现自动切换到备用CPU，与辅控网的正常通讯。主CPU不能正常切换，NOE板卡出现故障就会导致整套系统失去监视和控制，给设备的安全运行带来了隐患。为了解决这个安全隐患，在本技改中首先完成硬件的连接。即通过增加2个NOE卡件，以及2个交换机和NOE卡件之间的网线，实现每套CPU热备机架上配置2块以太网通讯模块，以太网通讯模块和上位机的网卡通过2台网络交换机进行数据交换，从而实现上位机和PLC通讯双网冗余。改后的辅控网结构图如图2所示。完成硬件连接后，下一步是修改逻辑组态。通讯逻辑组态最初只有16段通讯组态，新增版块后，将NOE板卡设置为16段和17段，并根据实际接线配置不同的板卡，配置图如图3所示。

采用上位机和PLC通信双网冗余技术后，热备系统可实现高可靠性。二个板卡均采用相同的软件和硬件进行配置。在每个扫描周期之后，主控制器对备份控制器进行所有数据更新。主控制器和备用控制器经常互相通信，实现监控系统的功能。如果主控制器故障，控制器的状态就会被切换。备用控制器变成主控制器，执行应用程序，控制远程IO模块。当1快NOE板卡出现故障后，上位机自动通过另外一块NOE板卡采集数据，实现对系统的监视和控制。

4 双机双网冗余系统特点

以太网络主要优点在于：传输数据的速度快，可以提供无限制的通信性能，采用冗余的网络拓扑结构极大的提高了系统的可靠性、具有良好的兼容性，开放性以及灵活性。基于工业以太网通讯的双机双网冗余系统具有以下几个特点：

（1）有CPS、CPU、CRP、NOE模块组成热备系统，增强了系统的安全可靠性。主站和备用站是二套完全相同的独立系统，二者之间通过光纤连接，利用CPU模块组成热备系统，程序的下载只需一次完成，即可实现全部硬件冗余技术；无须任何编程工作，即可实现全部硬件冗余技术；支持以太网模块IP地址能够实现自动切换，切换时间快，大约为13～48ms。

（2）双机热备系统的特性。①每个扫描周期均传送数据及状态信息确保双CPU工作状态的完全一致；②二个控制器之间采用HSBY光缆连接，热控控制器可放在2km以外；③主控制器执行应用程序，控制RIO，在每个扫描周期之后更新热备控制器，如果主控制器故障，备用控制器在一个扫描周期内将起控制作用；④初次组态时，用户快速、有效，只需下载一次，空白控制器自动传输，其他情况可以使命令寄存器系统为%SW60.5传输；⑤使用Unity Pro软件编程，其中IO模块支持热更换，即运行时可换损坏的模块。

（3）以太網模块应用广泛层采用国际标准的TCP/IP协议，提供全放开的工业以太网，方便与第三方厂家的以太网设备进行连接，无须增加任何硬件或软件，兼容性强，支持TCP/IP远方编程、下载/上传、监视、参数修改等等功能。

（4）IP地址自动切换。主站以太网模块的IP地址为设定的IP地址，备用站IP地址遵从N+1原则，热备系统发生切换后，IP地址自动发生切换，保证了系统与上位机正常可靠的通讯。其中主控制器IP地址为172.16.2.41。备用控制器的IP地址为172.16.2.42。其中二个网络分别为16段网络和17段网络。

5 结束语

通过本次改造彻底实现了上位机双机冗余，PLC的CPU双机热备，上位机与PLC通讯双网冗余，PLC控制站间通讯的双网冗余，每一个环节全部采用冗余配置模式，降低了系统设备故障后，引起整套系统停运的几率。PLC双机双网冗余热备技术在化学水控制系统中的应用，提高了水处理控制系统的运行质量和安全性。该控制系统改造以后，工作性能稳定，运行正常，数据传输可靠，系统功能完整，为生产提供了保障，解决了通讯问题带来的隐患，实践证明此应用方案是成功的。

参考文献

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[4]铁晓龙.ControlLogix系统电力行业自动化应用培训教程[M].机械工业出版社.