国产MB80可编程控制器主机架典型布局对比分析

刘海涛，操俊磊，李彦龙

（1. 安徽绩溪抽水蓄能有限公司，安徽省宣城市 245300；2. 南瑞集团公司/国网电力科学研究院，江苏省南京市 211106）

0 引言

计算机监控系统是厂站最核心的设备之一，而以可编程控制器为基础的计算机监控系统在当前国内常规水电厂和抽水蓄能电站应用最为广泛。系统一般由调度控制层、厂站控制层和现地控制层[1]构成，通过计算机网络连接三个层级，并进行监控数据交换。其中，现地层由带有人机界面的现地控制单元构成，而现地控制单元的核心设备就是可编程控制器，一般由一个主机架和多个扩展机架组成，CPU布置在主机架中。

本文对MB80可编程控制器典型的主机架布局[2]进行了详细分析。

1 MB80可编程控制器简介

以某采用国产MB80可编程控制器的电站机组现地控制单元[3]为例，本体柜包含主机架和扩展机架1、扩展机架2、扩展机架3，中间层远程I/O柜包含扩展机架1、扩展机架2、扩展机架3，水轮机层远程I/O柜包扩展机架1、扩展机架2，主机架与扩展机架之间采用CAN总线方式进行通信，可编程控制器结构如图1所示。

图1 某机组可编程控制器结构图Figure 1 Structure diagram of programmable logic controller of a unit

2 主机架典型布局及电源设置

2.1 主机架典型布局

典型设计一般采用单主机架方案，主机架和带有通信模块的扩展机架1布置在一面盘柜内（某现地控制单元LCU A4柜）。其中，本体柜主机架为MB80 CHS808E插箱[4]，内含10个模件槽位、2块CPU模件和8块事件顺序记录（SOE）模件[5]，详细布局如图2所示。

图2 主机架布局图Figure 2 Structure of main frame

扩展机架1为MB80 CHS808E插箱，内含10个模件槽位，包含2块CPM模件和8块SOE模件，CPM模件用于外部通信，具体布局详见图3。

图3 扩展机架1布局图Figure 3 Expansion rack 1 Layout

2.2 电源设置

现地控制单元是计算机监控系统现地层的核心设备，电源模块采取冗余配置，配置两台交直流双供电插箱FPW-2ANP，布置在同LCU的A1柜，从外部引入两交两直四路电源，分别接入两台FPW-2A-NP，现地控制单元电源接线图如图4所示。

图4 现地控制单元主电源接线图Figure 4 Main power supply wiring diagram of LCU

PLC所处的主机架电源取自现地控制单元主电源，即两台交直流双供电插箱FPW-2A-NP，主机架电源供电回路如图5所示，其中，图5（c）为双主机架布局的A4柜XPWE端子排接线图，单主机架布局中无去往MB80双供电插箱1的4根接线。

图5 主机架电源供电回路图Figure 5 Diagram of main frame power supply circuit

由于PLC的CPU模件的工作电源都是5V直流电源[6]，所以主机架电源配置一套交直流双供电插箱FPW-1A2，FPW-1A2电源插箱将DC 220V转换成DC 5V电源供给MB80的PLC[7]，接线图如图6所示。

图6 主机架交直流双供电插箱FPWA0接线图Figure 6 Wiring diagram of main frame AC / DC dual power supply box FPWA0

3 双主机架布局及电源配置

3.1 双主机架布局

双主机架布局是在单主机架布局结构基础上衍生出来的，通过进行下列改动，实现布局架构的改变：

（1）将原主机架中的CPU1、CPU2模块分开布置，采用两个MB80 CHS809F单CPU机架，每个机架安装1块CPU模块。

（2）MB80 CHS809F插箱内部有拨码，1代表主，2代表备，将CPU1所在的插箱拨码拨到1，将CPU2所在的插箱拨码拨到2。

（3）在两个主机架插箱间增加一根冗余网线连接，用于两个CPU主从备份数据传输和对策CPU是否在线的判别。

（4）增加一路GPS时钟到新增主机架插箱的对时信号。

（5）在PLC编程软件MBPro中同步修改硬件配置。

3.2 CAN总线环网

（1）2个MB80 CHS809F插箱底板上各有一个CAN现场总线接口，可以通过简单处理，将主机架和扩展机架串起来，在本体柜形成一个“CAN总线环网”，环网中的任意节点都可向剩余节点，实现无主次之分的发送信息，因此，其可以实现与多个节点之间的自由通信[8]，提高通信的可靠性。

（2）将CAN现场总线的CAN1+、CAN1-并接入CAN光电转换器C1-AF12，将CAN现场总线的SYNC+、GND并接入CAN对时光电转换器，并将CAN现场总线的CAN2+、CAN2电缆芯短接，CAN现场总线接线图如图7所示。

图7 双主机架CAN总线接线图Figure 7 Can-bus wiring diagram of double main frame structure

3.3 电源配置

双主机架的电源均取自现地控制单元主电源，与单主机架的电源转接回路一致，且MB80 CHS809F主机架的电源保持不变，仍为一套交直流双供电插箱FPW-1A2，而由于CPU1和CPU2分别处于两个主机架中，两个主机架各拥有主、辅5V工作电源，故原单主机架的“双电源冗余”变成了“四电源冗余”。双主机架电源配置见图8。

图8 双主机架电源配置图Figure 8 Configuration diagram of dual main frame power supply

4 测试对比分析

4.1 布局结构对比

单主机架布局采用的单个MB80CHS 808E为主机架插箱，CPU1和CPU2均布置在主机架插箱上；而双主机架布局采用的两个冗余插箱MB80CHS809F，CPU1和CPU2分别布置在两个冗余插箱上。两种插箱的基本数据对比见表1。

表1 双机插箱与冗余插箱基本数据对比表Table 1 Comparison table of basic data between dual unit plug-in box and redundant plug-in box

续表

4.2 基本测试对比

为了验证两种结构下计算机监控系统功能实现是否有区别，现场分别对两种结构进行了基本测试，测试结果对比见表2。

表2 双机插箱与冗余插箱基本测试对比表Table 2 Comparison table of basic test between dual machine plug-in box and redundant plug-in box

上述两种主机架典型布局结构的PLC上电测试、CPU网络故障模拟测试、CPU重启及主从切换测试、信号采集周期测试、控制命令响应测试等基本测试均无正常，且无区别，故基于MB80E的两种主机架典型布局结构的功能和性能均正常，满足双机热备系统运行要求。

4.3 电源故障模拟测试

由于PLC是计算机监控系统现地控制单元的核心设备，其对外部供电的可靠性要求非常高，仍对这两种主机架典型布局结构进行电源故障模拟测试。测试过程中发现，由于单主机架结构的CPU1和CPU2布置在同一个机架插箱内，发生主、辅5V供电电源同时故障，进而导致双CPU看门狗动作的概率要远大于双主机架结构。电源故障模拟测试结果对比见表3。

表3 两种主机架典型布局结构电源故障模拟测对比表Table 3 Comparison table of power failure simulation test for two typical main frame layouts

4.4 冗余网线拔插情况下的CPU重启测试

为了保持主、从CPU之间实时数据的热备份，需要建立两个CPU之间的通信。其中，单主机架结构是在主机架插箱底板上进行了固化设计，而双主机架结构则是在两个主机架插箱间增加一根冗余网线。单主机架结构是硬件固化的，故设备正常运行时，主、从CPU之间保持实时热备份；双主机架结构采用的是一根冗余网线，所以针对双主机架结构，模拟冗余网线故障情况下，进行了CPU自动主从切换、CPU手动主从切换和双主备CPU同时重启三种模拟测试，其中对主用CPU进行Reset复位重启操作等同于CPU自动主从切换测试，测试结果见表4。

表4 双主机架结构的冗余网线拔插情况下的CPU重启测试结果Table 4 Test results of CPU restart under the condition of dual mainframe redundant network cable plugging

4.5 CAN总线环网测试

现地控制单元的PLC由主机架和多个扩展机架组成，采用的是CAN总线通信方式。其中，单主机架结构PLC的CAN总线通信链路是主机架→扩展机架1→扩展机架2→…→扩展机架N，链路中任意一个节点断开，断点之后的所有扩展机架均无法完成与主机架之间的通信；而双主机架结构的PLC由于采用的是两个冗余插箱MB80CHS809F，双主机架结构PLC的CAN总线通信链路是主机架→扩展机架1→扩展机架2→…→扩展机架N→主机架，实现了CAN总线环网功能，链路中任一节点断开了不影响CAN总线的通信，提高了通信链路的可靠性。为了验证CAN总线环网的功能，进行了CAN总线环网断开测试，测试方法及测试结果见表5。

表5 双主机架结构的CAN总线环网断开测试结果Tab.5 Test results of CAN bus ring network disconnection with dual mainframe structure

5 总结

本文从结构布置、电源配置和现场测试等方面对两种典型布局结构进行了细致分析。其中，单主机架结构更加简单、紧凑，CPU主、从自动备份检查和对策CPU在线判别相比双主机架少了冗余网线这个可能的故障点；而双主机架在失电故障和CAN总线通信表现出了更高的可靠性。总的来看，两种主机架典型布局结构的功能和性能均正常，满足双机热备系统运行要求，且各具特点，单主机架结构的PLC需要外部电源的可靠性和巡检质量上多下功夫，而双主机架结构的PLC则需要重点关注冗余网线的质量。