火電機(jī)組輔控一體化集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方案及配置

楊金芳，張玉柱，徐同社

(河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050031)

輔助車間集中控制網(wǎng)(簡稱輔控網(wǎng)，BOP)是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將相互獨(dú)立的各個(gè)輔助外圍系統(tǒng)集中控制，實(shí)現(xiàn)外圍控制系統(tǒng)少人值班或無人值班，提高外圍設(shè)備控制水平，減少設(shè)備故障率，達(dá)到減員增效的目的。

目前在國內(nèi)已經(jīng)投入運(yùn)行的大中型火力發(fā)電廠機(jī)組中，主機(jī)采用DCS控制系統(tǒng)，外圍設(shè)備根據(jù)輔控設(shè)備的功能，按水、灰、煤3個(gè)系統(tǒng)設(shè)立獨(dú)立的集中監(jiān)控點(diǎn)。但隨著發(fā)電廠對減員增效的要求和運(yùn)行人員整體素質(zhì)的提高，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，把水、灰、煤三個(gè)輔控點(diǎn)再進(jìn)行集中，構(gòu)成集中輔控網(wǎng)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。良村電廠控制系統(tǒng)就是采用這種新型的綜合控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對外圍設(shè)備的集中控制。本文結(jié)合良村電廠輔控網(wǎng)組建實(shí)例，對輔控網(wǎng)的設(shè)計(jì)原則、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及硬件配置進(jìn)行分析和討論，同時(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)給出在工程設(shè)計(jì)及實(shí)施過程中注意事項(xiàng)。

1 輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)總體規(guī)劃

1.1 輔助車間工藝系統(tǒng)概述

良村電廠輔助車間系統(tǒng)包括鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)、綜合水泵房系統(tǒng)、工業(yè)廢水系統(tǒng)、供氫站系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、汽水取樣系統(tǒng)、化學(xué)加藥系統(tǒng)、中水深度處理系統(tǒng)、循環(huán)水加藥系統(tǒng)、制冷換熱站、空調(diào)系統(tǒng)、氣力輸灰系統(tǒng)、干灰分選系統(tǒng)、灰?guī)煨痘蚁到y(tǒng)、全廠配氣中心、輸煤系統(tǒng)，共16個(gè)輔助車間子系統(tǒng)。

1.2 輔助車間控制方式及控制水平

本工程全廠輔助車間集中監(jiān)控系統(tǒng)，將水網(wǎng)控制系統(tǒng)、煤網(wǎng)控制系統(tǒng)、灰網(wǎng)控制系統(tǒng)組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)，并在主廠房集中控制室內(nèi)設(shè)置全能值班操作員站，實(shí)現(xiàn)全廠輔助車間的集中監(jiān)控。其中，水網(wǎng)控制系統(tǒng)、煤網(wǎng)控制系統(tǒng)、灰網(wǎng)控制系統(tǒng)就地集中監(jiān)控點(diǎn)主要用于基建期間的調(diào)試和設(shè)備檢修期間的維護(hù)，在輔助車間運(yùn)行穩(wěn)定后，由輔助車間全能值班員完成水、煤、灰系統(tǒng)的集中監(jiān)控，就地集中監(jiān)控點(diǎn)無人值班，實(shí)現(xiàn)全廠輔助車間集中監(jiān)控。

根據(jù)工藝系統(tǒng)特點(diǎn)將鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)、綜合水泵房系統(tǒng)、工業(yè)廢水系統(tǒng)、供氫站系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、汽水取樣系統(tǒng)、化學(xué)加藥系統(tǒng)、中水深度處理系統(tǒng)、循環(huán)水加藥系統(tǒng)全部納入水網(wǎng)監(jiān)控，在鍋爐補(bǔ)給水車間設(shè)有水網(wǎng)臨時(shí)操作員站，由于水網(wǎng)各子系統(tǒng)分布比較分散，設(shè)有多個(gè)遠(yuǎn)程IO和遠(yuǎn)程IO站，相互之間采用光纖通訊。

煤網(wǎng)設(shè)在新建的輸煤綜合樓。按物理分散的原則，為節(jié)約控制電纜和安裝材料，控制系統(tǒng)還設(shè)置幾個(gè)遠(yuǎn)程分站，遠(yuǎn)程分站之間采用光纖通信。

在爐后綜合樓設(shè)有灰網(wǎng)臨時(shí)操作員站，包括氣力輸灰、干灰分選及空壓機(jī)系統(tǒng)，鑒于干灰分選系統(tǒng)灰網(wǎng)較遠(yuǎn)，將其作為氣力輸灰系統(tǒng)遠(yuǎn)程IO，兩者通過光纖進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對干灰分選系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

制冷換熱站及空調(diào)系統(tǒng)相對獨(dú)立，故將其直接接入輔控網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控。

1.3 輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建原則

1.3.1 集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建原則

(1)采用100M／1000 M和 TCP／IP協(xié)議的全雙工交換式工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，保持 25%以下的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，以解決網(wǎng)絡(luò)傳輸沖突，提高傳輸速率，保證以太網(wǎng)通信的確定性和實(shí)時(shí)性。

(2)應(yīng)用數(shù)據(jù)包優(yōu)先級配置，通過優(yōu)先排序，保證緊急信息及時(shí)準(zhǔn)確的傳輸和處理，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。

(3)合理分割網(wǎng)段，采用冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，合理選擇工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

(4)采用帶有過濾功能的交換機(jī)和防火墻，保證網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)安全。

1.3.2 集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于網(wǎng)絡(luò)可靠性、實(shí)時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性因素，選擇了冗余光纖星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來構(gòu)建輔網(wǎng)監(jiān)控平臺，其他特點(diǎn)為：

(1)適用于對系統(tǒng)通訊可靠性要求極高，交換速度較快的場合。

(2)實(shí)現(xiàn)了鏈路雙冗余，允許交換機(jī)、光纖、網(wǎng)線 (網(wǎng)卡)3種故障，直接通過背板交換，交換速度快；布線復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)光(電)纜、網(wǎng)卡均為雙份。

(3)光纖網(wǎng)，抗干擾性能好，故障切換時(shí)間小于500ms，切換時(shí)間取決于軟件，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)安全性好。

(4)提供就地設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口，可用便攜式設(shè)備實(shí)現(xiàn)就地設(shè)備監(jiān)控和組態(tài)聯(lián)調(diào)。

(5)可根據(jù)需要選用不同的網(wǎng)絡(luò)接口模塊，配置靈活，其可擴(kuò)展性優(yōu)于雙環(huán)網(wǎng)。

1.3.3 集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)硬件選擇原則

集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)硬件選擇高質(zhì)量的控制網(wǎng)絡(luò)平臺必須有穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為物理載體，基于對網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場工作環(huán)境和產(chǎn)品應(yīng)用業(yè)績及運(yùn)行情況的分析，給出了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的選取原則。

(1)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。骨干交換機(jī)和下層交換機(jī)應(yīng)選擇具有100M或者1000M高速通信模塊，冗余電源模塊和基板，層間和層內(nèi)通訊鏈路冗余的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，其端口備用要達(dá)到大于30%，系統(tǒng)通訊負(fù)荷率要小于20%。

(2)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器選用具有電源冗余、雙機(jī)熱備、故障切換等功能，持續(xù)運(yùn)行率達(dá)99.9%的工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

(3)網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)。采用5類雙絞線和光纖2種通訊介質(zhì)，以保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。

1.3.4 集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通訊速度配置原則

網(wǎng)絡(luò)傳輸速度是決定輔網(wǎng)性能的關(guān)鍵因素，100M和1000M都可以滿足輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)平臺的要求。鑒于影響目前輔網(wǎng)系統(tǒng)的主要因素，為了提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸性能和實(shí)時(shí)性，減少網(wǎng)絡(luò)擁堵，該工程設(shè)計(jì)推薦中、下級網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量較小采用 100 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)、骨干網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)量較大采用 1000 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)及相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

1.4 集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備選配原則

為解決各輔助車間的控制系統(tǒng)的軟件和硬件不統(tǒng)一造成的不兼容問題，良村電廠統(tǒng)一各輔助車間的控制系統(tǒng) 、監(jiān)控和組態(tài)軟件嚴(yán)格統(tǒng)一的原則。

2 輔助車間控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置

依據(jù)上述原則，確定了良村工程輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。具體如下：

2.1 服務(wù)器配置和操作員站配置

為了提高控制系統(tǒng)可靠性，輔控網(wǎng)選用了具有高容錯(cuò)功能的Stratus ftserver4500容錯(cuò)服務(wù)器，采用完全硬件容錯(cuò)方式，替代了傳統(tǒng)的雙機(jī)熱備方案。高性能容錯(cuò)服務(wù)器通過以太網(wǎng)與各控制系統(tǒng)的PLC通訊，從PLC中采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，存儲于服務(wù)器中，承擔(dān)各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲、處理等工作。

容錯(cuò)服務(wù)器、兩臺操作站、1臺工程師站和兩臺網(wǎng)絡(luò)中心交換機(jī)布置在主廠房控制室和鍋爐電子設(shè)備間內(nèi)；3臺操作站(1臺兼工程師站)、兩臺交換機(jī)布置于水網(wǎng)控制室(位于鍋爐補(bǔ)給水車間)；2臺操作站(1臺兼工程師站)、兩臺服務(wù)器布置于灰網(wǎng)控制室(位于除灰綜合樓)2臺操作站(1臺兼工程師站)布置于煤網(wǎng)控制室(位于輸煤控制樓)，另外，為方便調(diào)試工業(yè)廢水集中處理系統(tǒng)、化學(xué)加藥及汽水取樣系統(tǒng)等分別設(shè)有就地操作員站。服務(wù)器、監(jiān)控操作站及工程師站通過冗余通道與中心交換機(jī)連接，輔控網(wǎng)絡(luò)中心交換機(jī)通過冗余光纖分別與各車間控制系統(tǒng)的交換機(jī)連接，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的主干，見圖1。

輔控網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖1。

圖1 輔控網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及24寸工業(yè)級液晶顯示器作為操作員站，任意一臺操作員站可承擔(dān)工程師站功能，配置由單色激光打印機(jī)和彩色A4激光畫面打印機(jī)。服務(wù)器數(shù)據(jù)庫容量保證輔控網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在線保存足夠時(shí)間以方便查詢，并可自動(dòng)寫入光盤。每臺操作員站、工程師站、容錯(cuò)服務(wù)器上均配置2塊1000M工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)通訊適配卡。

2.2 交換機(jī)配置

良村電廠輔控網(wǎng)主干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎靡蕴W(wǎng)全交換星型網(wǎng)狀拓?fù)?，主干網(wǎng)采用冗余結(jié)構(gòu)，保證網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生不同故障點(diǎn)(線路、交換機(jī)等)的情況下仍然能夠正常工作；為了降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，提高以太網(wǎng)的通信速度，主干網(wǎng)采用通信速率達(dá)1000M／s的工業(yè)交換機(jī)，可以盡量避免沖突的發(fā)生，提高系統(tǒng)的高可用性。

為實(shí)現(xiàn)上述要求，良村輔助車間集中監(jiān)控系統(tǒng)中，采用兩臺西門子XR342-12M 高性能模塊化交換機(jī)，采用1000M光纖冗余星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，冗余連接各個(gè)子區(qū)域交換機(jī)X414-3E。在網(wǎng)絡(luò)某處出現(xiàn)斷點(diǎn)或某節(jié)點(diǎn)交換機(jī)出現(xiàn)錯(cuò)誤后能夠保障繼續(xù)通訊，同時(shí)在此過程中不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)變化等問題，保證各站點(diǎn)信息在網(wǎng)絡(luò)上正確傳遞，滿足實(shí)時(shí)控制的需要。

2.3 PLC配置

輔助車間控制系統(tǒng)PLC硬件統(tǒng)一選用西門子系列產(chǎn)品，下面以水網(wǎng)系統(tǒng)為例說明PLC系統(tǒng)配置。鑒于鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)、工業(yè)廢水系統(tǒng)及凝結(jié)水系統(tǒng)相對較為重要，本工程選用了具有高可靠性、容錯(cuò)功能的西門子SIMATIC S7-400H產(chǎn)品，CPU選用414-4H，以太網(wǎng)模塊采用6GK74431EX200XE0，DI模塊采用 6ES73211BH020AA0，DO模塊采用6ES73221BH010AA0，AI模塊采用6ES73311KF010AB0，AO模塊采用6ES73325HF000AB0。

具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及硬件配置見圖2。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及硬件配置

2.4 軟件配置

PLC 編程和組態(tài)軟件采用西門子Step 7.0 V5.4；輔網(wǎng)側(cè)服務(wù)器版監(jiān)控軟件為WINCC V7.0服務(wù)器版；輔網(wǎng)側(cè)操作員站監(jiān)控軟件采用Wincc V7.0 客戶端；網(wǎng)絡(luò)管理軟件為 Hivision；數(shù)據(jù)庫軟件是IHistory數(shù)據(jù)庫(15000點(diǎn))；監(jiān)控站軟件為 Window XP。系統(tǒng)采取有效措施來防止備類計(jì)算機(jī)病毒的侵害和數(shù)據(jù)丟失，為保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行安全，安裝防火墻軟件，并根據(jù)不同用戶設(shè)置相應(yīng)的訪問權(quán)限和網(wǎng)絡(luò)管理措施。

3 注意事項(xiàng)

電廠輔控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在構(gòu)建時(shí)往往會遇見一些問題，下面會結(jié)合上文所述及作者自身經(jīng)驗(yàn)對于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的幾個(gè)常見問題進(jìn)行簡單探討：①在構(gòu)建輔控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，為了保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，網(wǎng)絡(luò)在符合成本考量的前提下，應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)輔控網(wǎng)絡(luò)的雙網(wǎng)架構(gòu)，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備，如；交換機(jī)、服務(wù)器的冗余配置，從而杜絕網(wǎng)絡(luò)內(nèi)出現(xiàn)單節(jié)點(diǎn)；②在滿足設(shè)備通訊流量的網(wǎng)絡(luò)配置后。還應(yīng)考慮到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)瞬時(shí)峰值大流量的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致系統(tǒng)擁塞；③為了減少網(wǎng)絡(luò)在通訊過程中的信號衰減，在網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備的設(shè)置上應(yīng)盡量減少對于光端機(jī)、光電轉(zhuǎn)換器等二次轉(zhuǎn)換設(shè)備的使用；④ 輔網(wǎng)設(shè)計(jì)過程中盡量采用同一品牌的PLC，為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的搭建提供方便。

4 結(jié)語

通過實(shí)際運(yùn)行的檢驗(yàn)，良村輔控網(wǎng)能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行，說明網(wǎng)絡(luò)軟、硬件的配置是合理的，也進(jìn)一步證明組建輔控網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)各輔控系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制的有效途徑。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用將給火電廠的生產(chǎn)過程帶來一場新的革命，生產(chǎn)效率空前提高，為各種新技術(shù)的應(yīng)用提供了一個(gè)可靠的平臺，是發(fā)電技術(shù)走向現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。

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