郭培志（1974－）
男，學士，工程師，主要從事電廠、核電站、石化、環保等行業水處理工程控制系統的設計、編程及調試和技術管理等。

摘要：本文介紹了安徽馬鞍山萬能達發電廠輔助車間一、二期水網的不同控制層網絡組成、系統配置，通過改進措施，利用工業以太網組成一個完整的集中控制網絡。現場系統運行穩定，該技術方案對電廠水網的改造有一定的借鑒。

關鍵詞：輔助車間；水網；工業以太網；改進

Abstract: This paper describes the system configuration and the network disposition of the different control layer in the water network system for Anhui Maanshan WND Power Plant. A totally centralized control network based on Industrial Ethernet is built by carrying on the reformation measurement. The system is stable and reliable, and it provides a solution to the kind of the auxiliary control system.

Key words: auxiliary control plant；water network；industrial Ethernet；
improvement

1  前言

    目前對于新建的大中型火力發電廠機組來說，為了維護和運行方便，輔助車間控制系統一般采用相同的PLC控制設備，但對于一些擴建的電廠，由于多方面的原因仍要發揮原有設備和控制系統的功能和作用，隨著計算機和網絡技術的發展，將全廠一、二期水網實現集中監控的條件已經成熟和成為可能。

2 輔助車間水網控制系統現狀

    安徽馬鞍山萬能達發電廠輔助車間已運行多年的一期水網控制系統和已擴建完成的二期水網控制系統的現狀如下：

    2.1 輔助車間水控制系統IO點數較多

    一期水網控制系統包括鍋爐補給水系統、凝結水精處理系統、循環水加藥系統、凈化站系統和制氫站系統等，IO點數約為2500多個，二期擴建的水網控制系統包括鍋爐補給水系統、凝結水精處理系統、化學取樣加藥系統、工業廢水系統，IO點數約為2000個。

    2.2 輔助車間水網物理位置分散

    一期水處理系統分布在電廠的各個地方，相互之間距離遠，因此，把一、二期的水網控制系統集中到一起必須解決遠距離通信、干擾和信號衰減等問題。

    2.3 輔助車間水控制系統設備類型各異

    輔助車間各控制系統采用不同的控制設備，一期鍋爐補給水、凝結水等系統采用的是Modicon E984-685控制系統，凈化站和制氫站控制系統采用的是Siemens S7-300控制系統, 二期鍋爐補給水系統、凝結水精處理系統采用的是羅克韋爾 1756-L55控制系統。由于控制系統的通信接口采用不同的通信協議，要實現集中監控，必須解決網絡通信協議的轉換問題，保證在不同接口、協議之間，可靠準確地進行數據傳送、交換。同時，必須提供開放性的實時數據接口，以便給電廠SIS系統提供實時信息。

    2.4 操作員站的人機界面各異

    由于輔助車間水網各控制系統為不同的廠商供貨，一、二期操作員站的人機界面是不一致的，有的采用WinCC界面、有的采用InTouch界面、有的采用自己專用界面等。因此，實現輔助車間水網集中控制必須采用設計統一的人機界面，采用統一的風格及操作方式。

3 輔助車間水網控制系統改進設計方案

    3.1 改進技術基礎－工業以太網

    工業以太網(Industrial Ethernet)是按照IEEE802.3國際標準，設計用于工業應用環境下的一種單元網絡，通過它可以使自動化系統彼此連接，并為PC和操作站提供同機種和不同機種通信，它具有很高的通信性能，向下兼容，實現交換、全雙工傳輸、帶寬10MB/s到100MB/s至1000MB/s，可作為實現范圍廣泛的開放式網絡解決方案。工業以太網應用于自動化領域具有低成本、易與Internet集成和受到了廣泛技術支持等優點。

圖1   系統配置圖

    隨著以太網技術的廣泛應用和發展，一方面各PLC廠商都推出了各自的高層協議，如Rockwell公司的EtherNet/IP，西門子公司的Profinet，施耐德公司的Modbus TCP，它們有的是在現有標準以太網協議基礎上增加了適用于工業應用的高層協議，有的是基于現有標準以太網作了一定的修改，但同時都提供了Ethernet接口設備。另一方面，工業以太網交換機的出現解決了CSMA/CD規范中的碰撞（沖突）檢測問題，和交換機相連的所有端口上的設備可以沒有沖突的全雙工通訊。這樣采用工業以太網徹底打破了不同自動化控制設備廠家“孤島”，使整個輔助車間水處理系統能按生產節點構成一個遠程監控網絡。

    3.2 水網改造設計方案

    整個水網系統的網絡主要分為三層：第一層網絡是不同設備各異的工業標準控制層網絡，它的主要作用是保證PLC與現場儀表、遠程IO及智能設備之間的通訊。第二層網絡是工業以太網，速度為 100M。它的主要作用是完成PLC與就地操作站之間的數據交換。第三層即水網監控層，是全廠水網系統的核心層，采用光纖、交換機、服務器及操作站/工程師站來實現。水網監控層與現場控制層之間采用冗余星型連接，使得整個系統具有極高的可靠性，系統配置圖見圖1。

    （1）3.2.1 二期水網控制系統包括凝結水精處理系統（含取樣加藥系統）、鍋爐補給水系統（含工業廢水系統）都選用ROCKWELL AB 1756系列，CPU型號為1756-L55M23。在設備控制層采用冗余的ControlNet 控制網絡。 ControlNet網絡采用的是Producer-Consumer(生產-消費)通訊模式，生產者/客戶模式允許網絡上的所有節點，同時從單個的數據源存取相同的數據。ControlNet和ControlLogix機架的連接由模板CNBR來實現，網絡介質由同軸電纜組成，網絡每段最大傳輸距離1000M，段與段之間用中繼器可以延伸網絡，網絡傳輸速率達到5Mps。ControlNet網絡配置的特點是無論是CPU還是遠程I/O擴展機架均由CNBR模塊掛在ControlNet網絡上，然后由軟件進行管理擴展模塊的歸屬，這一特點使網絡的擴展十分靈活。

    ControlNet網絡能夠與PC、控制器以及其他與控制網連接的設備相連，故在設備調試和檢修期間，在就地控制室設一臺操作員站，通過操作員站內的1784-PCICS卡連到ControlNet網絡上，完成就地監控功能。

    為了完成集中監控功能，利用以太網通訊模板1756-ENBT做網橋，通過EtherNet/IP協議將ControlNet網連到工業以太網上，做到控制網和管理網合二為一。

    （2）一期鍋爐補給水系統（含循環水加藥）、凝結水精處理系統采用的是施耐德Modicon 984熱備控制系統，CPU控制器（E984-685），通訊處理模塊（AS-908-120），遠程通訊模塊(J890-102)，上位機通訊模塊（AS85）。以凝結水精處理控制系統為例，控制系統的改進網絡結構方案如下：

    凝結水精處理控制系統原有兩臺操作站與PLC的連接使用的是Modicon E984-685 CPU模塊的PORT1和PORT2口，通訊協議為MODBUS，通訊速率為19.2KB/S。本改進方案為保證原有操作站的熱備用，將只使用CPU模塊上空余的MODBUS PLUS通訊口。

    為了節省改造資金，選用MODBUS PLUS TO TCP/IP網橋，將MODBUS PLUS 通訊協議轉換為TCP/IP協議，通過新增加一臺赫斯曼交換機MS2108，把 PLC同一期水網控制室的操作站相接。

    深入研讀凝結水精處理PLC內的原程序，并維持在DOS操作系統下用Modsoft2.5編程的原程序不動，修改相關的監控畫面，使一期水網操作站能完全實現原有的凝結水控制功能。

    （3）一期電廠凈水站、制氫站控制系統采用的是Siemens PLC，CPU均采用SIEMENS S7 315-2DP。以凈化站為例，凈化站一個擴展機架I/O遠程站采用ET-200M，由接口模塊IM153和S7-300標準模塊組成，與PLC主機架CPU的DP通訊接口構成最高波特率可達12M的PROFIBUS-DP控制級網絡。PROFIBUS-DP協議結構符合國際標準化組織（ISO）開放系統互聯（OSI）參考模型，它使用了其中的第一層、第二層及用戶接口，第三到第七層未用，直接數據鏈路映像程序（DDLM）提供訪問用戶的接口。其傳輸介質可以用金屬雙絞線或光纖，傳輸速率9.6K～12Mbit，在不加任何中繼器的情況下，一個站最多可以有32個站點。分布式I/O（非智能）的模塊式DP從站，它由軟件組態定義它的輸入和輸出區域，最多可以擴展8個模塊。從主站編程的角度來看，使用分布式從站的I/O和使用主站自身I/O沒有區別。

    凈水站PLC主機架上的以太網通訊模塊CP343-1與就地操作員站內的CP1613網卡采用工業以太網TCP/IP協議通訊，本期改造，保持就地操作方式不變，通過新增加一只HUB，將PLC通過工業以太網連接至一期水網控制室的操作員站。

    （4）網絡方案根據系統網絡布局和拓撲結構，主干網采用冗余結構，使網絡在發生不同的故障點(線路、交換機等)的情況下仍然能夠正常工作；為了降低網絡的負荷，提高以太網的通信速度，采用通信速率達100M/S的工業交換機，可以盡量避免沖突的發生，提高系統的確定性。

    本方案網絡核心交換機采用赫斯曼具有網管功能的以太網交換機MS3124，同時配帶10/100M RJ45電口和100M多模光口的介質模塊，就地控制室采用赫斯曼以太網交換機RS2-FX/FX，該模塊帶5個10/100M RJ45電口和2個100多膜光口，這些交換機是完全工業級網絡產品，牢靠的重負荷設計，確保了整個網絡系統的穩定、可靠運行。

    （5）一臺服務器、兩臺網絡核心交換機和三臺監控操作站布置在水網控制室。服務器、操作站及工程師站通過冗余通道與中心交換機連接，網絡中心配置的2臺德國赫斯曼公司MS3124工業級交換機通過冗余光纖，用來連接子控制系統的二級交換機，構成網絡的主干。服務器采用HP ProLiant ML350G4（惠普）工業級服務器，高性能服務器通過工業以太網直接與子控制系統的PLC通訊，從PLC中采集實時數據，存儲于服務器中，承擔水網系統的數據采集、存儲、處理和服務工作，同時配置3臺研華IPC 610工業控制機及21寸工業級LCD顯示器作為操作員站，任意一臺操作員站可承擔工程師站功能。

    3.3  水網改造通訊軟件實現方案

    為了方便操作和統一畫面，操作站監控軟件采用InTouch。InTouch是美國Wonderware公司開發的基于MMI系統FactorySuite 2000中的一個核心組件。它具有強大的網絡功能，通過傳統的DDE和擴展的NetDDE方式，與本機和其他計算機中的應用程序實時交換數據，同時，它也支持通過ODBC訪問各種類型的數據庫，便于系統的綜合管理，提供了廣泛的通訊協議轉換接口I/O Server，能方便地連接到各種控制設備，包括：Siemens、Modicon、AB等，甚至也可以利用第三方Server。

    使用工業以太網可以讓不同廠家的PLC設備在自動化控制層上得到很好的統一。利用TCP/IP協議，在一臺操作站上既可以運行RSLinx作為OPC的服務器來獲得羅克韋爾公司的PLC數據,也可以運行MODBUS TCP/IP 協議來獲得施耐德公司的Modicon PLC數據。 InTouch與設備驅動(IOServer)之間通常以Fast DDE來交換數據，而IOServer是設備相關的，不同的PLC設備有對應的IOServer，這樣一種通訊方式可以使InTouch做到設備無關。

    實現控制系統上、下位機通訊是通過以太網進行連接的，對于一期的凝結水精處理控制系統Modicon 984 PLC，通訊軟件為Modicon MODBUS Ethernet I/O Server，應用程序名為MBENET, 對于制氫站和凈化站控制系統Siemens S7 300，上位機讀取PLC采用OPC 方式，InTouch 安裝OPC Server驅動和通訊軟件SIMATIC Net V6.2，對于二期凝結水精處理和鍋爐補給水控制系統羅克韋爾 1756-L55, 采用通訊軟件為RSlinx OPC Server，網絡組態軟件RSNetworx，應用程序名為OPCLink。

4 實現輔助車間水網的關鍵技術

    由于發電廠輔助車間水網控制系統IO點數量龐大、物理位置分散、控制系統類型各異、接口數量眾多以及存在干擾等特點，要實現集中監控，必須重視一些關鍵技術和選型問題。

    4.1  網絡抗干擾

    輔助車間水處理系統網絡采用鎧裝多模光纖組成監控系統的主干通信網，可解決子系統距離遠和信號易受干擾的問題，采用屏蔽雙絞線作為操作員站和交換機、網橋和HUB的通信電纜，控制層通信采用專用電纜，以確保數據通信的可靠性。

    （1）采用性能優良的電源，抑制電網引入的干擾。

    采用在線式不間斷電源(UPS) 為PLC系統供電，提高PLC系統供電的安全可靠性，同時UPS還具有較強的干擾隔離性能。

    （2）硬件濾波抗干擾措施。

    信號在接入計算機前，在信號線與地間并接電容，以減少共模干擾；在信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。

    （3）正確選擇接地點，完善接地系統。

    接地的目的通常有兩個，一為了安全，二是為了抑制干擾。對PLC控制系統而言，它屬高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響， PLC控制系統接地線采用一點接地和串聯一點接地方式。

    4.2  軟件優化

    根據以往的工程經驗對于整個控制系統進行了優化設計，在硬件及通訊上大量采用冗余配置，提高系統平均無故障時間（MTBF）；在軟件設計上重要的部分采用聯鎖保護，軟件濾波，軟件容錯等技術，以達到一般故障系統自己解決（如主備用泵自動故障切換等），重要故障首先采取安全措施，同時進行報警提示（如超溫超壓，保護自動開啟等）。另外，在軟件上對重要的參數和重要的操作進行歷史記錄等措施，能夠實現故障的追溯和分析，查明故障原因，便于用戶總結經驗，避免故障重復出現，同時對重要的操作設置相應的權限，避免非正常用戶的操作。

    考慮到可能會有多臺計算機同時通過以太網讀取PLC數據，這將會嚴重影響數據傳輸效率，導致上位機畫面數據刷新時間過長或出現通訊短時故障，所以將數據庫服務器同時兼做操作員站的IO服務器，即采用C/S結構，可以避免數據刷新過慢的情況出現。以太網網卡可輔加多種通訊協議，如TCP/IP、NETBEUI等，一般通過TCP/IP協議與PLC進行數據交換，也可在一臺操作站上使用NETBEUI協議與另一臺進行操作站進行通訊，共享實時數據庫。在水網改進方案中，一些操作站和PLC之間一般采用以太網通訊，其他的一些操作員站則通過不同的通訊訪問方式，采用C/S架構，直接讀取另外操作站的上位機數據庫，這樣可提高通訊數據刷新速度。由于采用了不同的數據通訊形式, 最大限度地保證了系統數據實時性和可靠性，同時由于現場系統的就地操作員站完全隔離,不能互相訪問也大大增強了各系統的安全性。

5 小結

    通過用就地PLC＋工業以太網＋HMI的方式實現了不同控制系統的全廠輔助車間集中監控，該方案成本較低，在現場運行一年多來能滿足生產的要求，控制性能良好、安全穩定、操作簡便，達到了設計要求，對同類水網系統改造有一定的借鑒作用。

參考文獻

    [1] 繆學勤.試論四種工業以太網的系統結構[J].PLC&FA.2004.

    [2] Wonderware公司.InTouch用戶手冊.

    [3] 于慶廣.可編程序控制器原理及系統設計[M]. 清華大學出版社, 2004.

    [4] 王衛兵.PLC系統通信、擴展與網絡互連技術[M]. 機械工業出版社，2004.

作者信息：

    郭培志（南京中電聯自動化有限公司，江蘇  南京  210029）

    王  求（安徽馬鞍山萬能達發電有限責任公司，安徽  馬鞍山  243051）