基于PLC的机组DCS监控开关站方案研究

王学奎　刘金永

摘要：研究了核电厂机组DCS远距离通过PLC监控开关站内电气设备的问题，对在建和已建其他核电机组中开关站电气系统纳入机组DCS的方式进行简要讨论。指出了现有模式下，核电厂内开关站与机组DCS通信存在的一些问题，给出开关站采用PLC与DCS通信控制的设计方案。通过开关站设置PLC并作为单独的控制子站，监控站内设备状态，并经过光纤传输至DCS，能可靠实现机组DCS通过PLC监控开关站设备运行状态，方案在核电厂应用效果较好。

关键词：监控;PLC;DCS;MODBUS

中图分类号：TM621.3;TP273

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.016

1 前言

PLC（Programmable Logic Controller），可编程逻辑控制器，主要为工业生产过程电气控制设计研发，具有很强的稳定性，在工业控制的过程中得到了非常广泛的使用，在实现工业自动化方面具有非常重要的意义[1]。

随着大工程系统集成复杂度提高，PLC不再作为一个简单的工业控制器来使用，还可以建立一个工控站，与外部系统通信，实现信息传输与开關控制，这对核电机组DCS（Distributed Control System）远距离监控开关站内的开关设备有很好的借鉴作用。在核电厂内，开关站是核电厂与电网的连接枢纽，有一套NCS（Network Control System）系统负责站内设备的运行状态监控，属于电网管辖。开关站内设备的运行状态对核电机组的运行安全也有很重要的作用。核电厂内机组功率大，相应的辅助设备多，占地面积也大，而开关站一般是几个发电机组的公用站，所以开关站与机组运行中心距离较远（一般在1 km以上），直接与机组DCS通信，无法实现。机组DCS系统属于工业控制系统，有一套完整的设计思路和通信体系，开关站属于涉网设备，电网在系统设计和内部通信中有着自己的规范，两者均是一套完整的体系，且均适应对应行业的发展，技术成熟，不容易更改。在开关站内设计PLC，与机组DCS通信从而控制站内设备，成为核电厂开关站设计的一种重要思路。

2 当前核电机组DCS监控开关站方案分析

目前部分在建和已建核电厂的常规做法是采用硬接线方式将开关站内电气量直接接入机组DCS系统，目前岭澳、红沿河和宁德核电站均采用此方式。硬接线传输信号虽然可靠、迅速，但是信息数量有限，而且扩展性能不理想，自动化程度较低，当传输距离较远时，会遇到信号受干扰不稳等问题[2]。

如果采用开关站内的NCS系统（电力网络控制系统）与DCS长距离通信，会带来电力系统监控网络与DCS通信规约不一致、DCS命令出口时间延长、NCS的二次安防复杂化等问题。阳江核电站起初设计为硬接线方式，考虑到距离问题，后续改成了通信传输方式，在开关站内增加远动设备，由机组DCS与NCS通信，从而控制站内设备。过程中，需要通信协议的转化，对设备提出了很高的要求。最终通过增加站内通信模块，仍以硬接线方式传输开关信号，未能实现DCS对开关站内设备运行数据的采集与监控。

3 PLC在开关站内的设计应用研究

随着PLC技术的发展，设备的性能更加可靠，设备的体积也更加微型化，无论成本还是空间，均有很强的竞争优势。近年来通信技术的融人，为PLC技术的发展提供了强有力的技术支撑，比如应用较为广泛的现场总线技术，通过自身技术优势使信息通讯质量得到提高[3]。

3.1 PLC控制电路设计

采用PLC简单控制网络，主要指在一个主站当中设置一台PLC和一台个人计算机，从站中设置多台PLC或者一台PC机，主站的主要作用是对PLC系统进行控制、编程、报警等。PLC系统布置在500 kV开关站内，是一个独立的控制子站，能够实现对开关站内电气量的测量、开关站位置状态的监测以及分合断路器，PLC对站内系统的设备的控制电路如图1所示。图1中所采用的设备是浙大中控公司生产的PLC系统，由于接入系统的数据量大，采用了分散式设计，不同的数据量由不同的卡件采集，如图1中FW351是模拟量输入卡件，通过内部的跳线，可以定义输入模拟量的类型，如4-20mA、0- 10 mA、1-5V，0- 1OV等，卡件的使用需要配入底层的端子板，用来端接现场的设备接线。由于外部接人的信号均为有源模拟量，所以无需配置电源。FW366是信号输入卡件，与TB366配合使用，接入现场设备的状态，包括开关站位置、报警信息等。FW367是输出卡件，与TB367配合使用，通过继电器输出，控制外部开关站的分操作，实现信号输出。

3.2 机组DCS与PLC通信控制方案

通信采用MODBUS协议，该协议经过多年的实际应用，已经成为一种应用于工业控制器上的标准通信协议[4]。由于距离较远，常规的网络通信实现成本过大，采用光纤通信可减少信号的损耗，同时能提高通信可靠性。每一个核电厂只有一个500 kU/220 kV开关站系统，两台机组均要通过PLC控制站内的开关设备，方案设计时要考虑到PLC侧系统的独立，采用如图2的设计方案。

各系统分别配置2块通信接口卡FW248、2块TB248-U端子板，第1块FW248与IDCS进行冗余通信，第2块FW248与2DCS进行冗余通信。每块通信端子板的冗余通信端口分别对应2块网关接入DCS系统，以此实现每条通信链路均为一主一从MODBUS冗余通信要求。

FW248作为MODBUS-RTU SLAVE（从站）挂于MODBUS-TCP网关串行总线下，位于以太网上的MODBUS-TCP Client（主站：机组DCS）向MODBUS-TCP网关发送访问请求，网关将该访问请求进行协议转换并发送至FW248通信卡，FW248返回访问结果至网关，网关将该结果进行协议转换并发送至MODBUS-TCP Client（主站：机组DCS）。

4 工程案例应用分析

开关站PLC系统与机组DCS通信方案的设计在台山核电得到了很好应用，目前1号机组已商运，2号机组也即将并网，两台机组均通过PLC实现对开关站内设备数据的监控。在开关站PLC柜内，同时设有就地显示和控制屏幕，能就地显示数据，经过光纤实现数据上传至机组DCS，也可以就地操作，实现对开关的控制。与开关站内NCS系统完全分开，保证了电网运行，同时又实现了机组DCS对开关站内设备数据的监控，且监控数据点相对于其他项目增多数倍，实现机组DCS对开关站的全方位监控。

5 结语

PLC技术的发展，为多系统联合控制提供了很好的解决方案，PLC可作为一个微型独立的控制站，通过扩展接口，可以接收很多现场数据，对大系统的数据要求提供了很好的设计思路。方案中，PLC作为一个子站能够独立监控开关站内的设备数据，同时通过光纤通信，实现了数据的远距离传输，而且稳定性强。对其他核电厂项目的开关设计提供了很好的借鉴，同时对负载多系统数据通信的的设计，也提供了很好的设计思路。

参考文献：

[1]楼纬.通信技术在PLC自动化控制系统中的应用分析[J].数字通信世界，2019 （2）： 99.

[2]闫天军，郭伟，赵树春.火电厂电气监控系统接入DCS方式的分析[J].电力系统自动化，2006，30（ ll）： 86-89.

[3]李敏.PLC冶金自动化控制系统中的通信技术运用分析[J].冶金冶炼，2018（ 12）：4-5.

[4]王刚，王玉琪，王冰.用MODBUS协议实现DCS与PLC之间的串行通信[J].自动化技术与应用，2010，29（4）： 45-47.