PLC雙網(wǎng)冗余通訊技術(shù)在化學(xué)水中的應(yīng)用

苑咸光　張衛(wèi)寶　白利紅

摘 要：電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)作為電廠輔機(jī)程控系統(tǒng)的重要組成部分，是電廠輔機(jī)中控制最高、最前沿的工藝過(guò)程，為鍋爐提供高品質(zhì)的除鹽水，其運(yùn)行穩(wěn)定關(guān)系整個(gè)鍋爐的安全性和生產(chǎn)的連續(xù)性，因此化學(xué)水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要性是不言而喻的?；瘜W(xué)水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行除了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的可靠外，還需要控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)對(duì)通訊技術(shù)的改進(jìn)，將化學(xué)水控制系統(tǒng)在原有雙機(jī)熱備的基礎(chǔ)上改進(jìn)成為雙機(jī)熱備和雙網(wǎng)冗余控制結(jié)構(gòu)，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：Unity Pro；NOE通訊；雙網(wǎng)冗余；網(wǎng)絡(luò)互切

1 引言

豐潤(rùn)熱電廠化學(xué)水控制系統(tǒng)采用遠(yuǎn)控及就地控制相結(jié)合的控制方式，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了PLC和CRT操作站形式的程序控制和監(jiān)視控制模式。PLC控制系統(tǒng)是化學(xué)水程控的核心，其采用工控機(jī)為上位機(jī)，PLC控制系統(tǒng)為下位機(jī)的二級(jí)控制模式，因此PLC系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，化學(xué)水車(chē)間均無(wú)法正常工作，為了保證化學(xué)水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)冗余控制模式。豐潤(rùn)熱電公司化學(xué)水系統(tǒng)于2009年正式投入運(yùn)行，雖然設(shè)計(jì)了雙機(jī)熱備控制結(jié)構(gòu)，但是沒(méi)有設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的雙向冗余功能，當(dāng)NOE通訊板卡出現(xiàn)故障后，遠(yuǎn)方操作員站就無(wú)法正?？刂坪捅O(jiān)視化學(xué)水系統(tǒng)，通過(guò)本次改造，將系統(tǒng)雙機(jī)熱備結(jié)構(gòu)改造成為雙機(jī)雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 化學(xué)水系統(tǒng)組成

化學(xué)水處理系統(tǒng)采用Medicon Quantum Unity系列的PLC。其中采用Medicon Quantum CPU 6710模塊，電源模塊140-CPS-114-20，通訊模塊為：140-CPS-93X-00，140-NOE-771-01二模塊?？刂破鞑捎秒p機(jī)熱備形式，通過(guò)遠(yuǎn)程I/O的方式連接現(xiàn)場(chǎng)需要監(jiān)視和控制的設(shè)備，主控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程I/O控制站之間采用同軸電纜冗余通訊方式進(jìn)行信息傳輸。硬件如圖1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)模型，系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：（1）就地控制站采用2臺(tái)配置完全相同的計(jì)算機(jī)依靠以太網(wǎng)通訊技術(shù)，通過(guò)監(jiān)控軟件監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并且配置為雙網(wǎng)冗余模式，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。2臺(tái)就地控制站站對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)的采集、存儲(chǔ)，根據(jù)不同的要求，選擇操作模式，提高了設(shè)備的性能和減少運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。（2）通過(guò)PLC硬件實(shí)現(xiàn)CPU的雙機(jī)熱備。雙CPU通過(guò)冗余內(nèi)存交換模塊達(dá)到熱備目的，冗余內(nèi)存交換模塊提供了一個(gè)高性能的通訊網(wǎng)絡(luò)，用于連接基于VME-BUS基礎(chǔ)上的系統(tǒng)。當(dāng)主控CPU出現(xiàn)故障時(shí)，備用的CPU就自動(dòng)切換為主控制CPU控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，保證系統(tǒng)的安全。自動(dòng)切換的前提條件為主CPU本身出現(xiàn)故障，其他部件出現(xiàn)問(wèn)題是不能正?；デ?。（3）就地控制站和遠(yuǎn)方服務(wù)器與2臺(tái)CPU的連接只依靠主備CPU上單一NOE卡件，此環(huán)節(jié)為單網(wǎng)，沒(méi)有考慮冗余環(huán)節(jié)。當(dāng)主CPU中的NOE板卡出現(xiàn)故障，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不通暢時(shí)，主、備CPU是不會(huì)切換的，造成整套系統(tǒng)失去監(jiān)視和操作功能。因此設(shè)置NOE卡為單一網(wǎng)絡(luò)通訊是不可取的。（4）每個(gè)子站和主站的通訊是基于同軸電纜的雙網(wǎng)冗余通訊。當(dāng)主通道出現(xiàn)故障后，備用通道自動(dòng)切換成主通道，自動(dòng)切換時(shí)不影響設(shè)備的正常運(yùn)行，從而保證了設(shè)備的可靠性。

3 改造方案

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況的觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主CPU的NOE板卡出現(xiàn)故障，主CPU正常運(yùn)行時(shí)，主CPU是無(wú)法判斷NOE板卡故障，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換到備用CPU，與輔控網(wǎng)的正常通訊。主CPU不能正常切換，NOE板卡出現(xiàn)故障就會(huì)導(dǎo)致整套系統(tǒng)失去監(jiān)視和控制，給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)了隱患。為了解決這個(gè)安全隱患，在本技改中首先完成硬件的連接。即通過(guò)增加2個(gè)NOE卡件，以及2個(gè)交換機(jī)和NOE卡件之間的網(wǎng)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)每套CPU熱備機(jī)架上配置2塊以太網(wǎng)通訊模塊，以太網(wǎng)通訊模塊和上位機(jī)的網(wǎng)卡通過(guò)2臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和PLC通訊雙網(wǎng)冗余。改后的輔控網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。完成硬件連接后，下一步是修改邏輯組態(tài)。通訊邏輯組態(tài)最初只有16段通訊組態(tài)，新增版塊后，將NOE板卡設(shè)置為16段和17段，并根據(jù)實(shí)際接線(xiàn)配置不同的板卡，配置圖如圖3所示。

采用上位機(jī)和PLC通信雙網(wǎng)冗余技術(shù)后，熱備系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高可靠性。二個(gè)板卡均采用相同的軟件和硬件進(jìn)行配置。在每個(gè)掃描周期之后，主控制器對(duì)備份控制器進(jìn)行所有數(shù)據(jù)更新。主控制器和備用控制器經(jīng)?；ハ嗤ㄐ牛瑢?shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的功能。如果主控制器故障，控制器的狀態(tài)就會(huì)被切換。備用控制器變成主控制器，執(zhí)行應(yīng)用程序，控制遠(yuǎn)程IO模塊。當(dāng)1快NOE板卡出現(xiàn)故障后，上位機(jī)自動(dòng)通過(guò)另外一塊NOE板卡采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。

4 雙機(jī)雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)特點(diǎn)

以太網(wǎng)絡(luò)主要優(yōu)點(diǎn)在于：傳輸數(shù)據(jù)的速度快，可以提供無(wú)限制的通信性能，采用冗余的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極大的提高了系統(tǒng)的可靠性、具有良好的兼容性，開(kāi)放性以及靈活性?；诠I(yè)以太網(wǎng)通訊的雙機(jī)雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）有CPS、CPU、CRP、NOE模塊組成熱備系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全可靠性。主站和備用站是二套完全相同的獨(dú)立系統(tǒng)，二者之間通過(guò)光纖連接，利用CPU模塊組成熱備系統(tǒng)，程序的下載只需一次完成，即可實(shí)現(xiàn)全部硬件冗余技術(shù)；無(wú)須任何編程工作，即可實(shí)現(xiàn)全部硬件冗余技術(shù)；支持以太網(wǎng)模塊IP地址能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切換，切換時(shí)間快，大約為13～48ms。

（2）雙機(jī)熱備系統(tǒng)的特性。①每個(gè)掃描周期均傳送數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息確保雙CPU工作狀態(tài)的完全一致；②二個(gè)控制器之間采用HSBY光纜連接，熱控控制器可放在2km以外；③主控制器執(zhí)行應(yīng)用程序，控制RIO，在每個(gè)掃描周期之后更新熱備控制器，如果主控制器故障，備用控制器在一個(gè)掃描周期內(nèi)將起控制作用；④初次組態(tài)時(shí)，用戶(hù)快速、有效，只需下載一次，空白控制器自動(dòng)傳輸，其他情況可以使命令寄存器系統(tǒng)為%SW60.5傳輸；⑤使用Unity Pro軟件編程，其中IO模塊支持熱更換，即運(yùn)行時(shí)可換損壞的模塊。

（3）以太網(wǎng)模塊應(yīng)用廣泛層采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，提供全放開(kāi)的工業(yè)以太網(wǎng)，方便與第三方廠家的以太網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行連接，無(wú)須增加任何硬件或軟件，兼容性強(qiáng)，支持TCP/IP遠(yuǎn)方編程、下載/上傳、監(jiān)視、參數(shù)修改等等功能。

（4）IP地址自動(dòng)切換。主站以太網(wǎng)模塊的IP地址為設(shè)定的IP地址，備用站IP地址遵從N+1原則，熱備系統(tǒng)發(fā)生切換后，IP地址自動(dòng)發(fā)生切換，保證了系統(tǒng)與上位機(jī)正常可靠的通訊。其中主控制器IP地址為172.16.2.41。備用控制器的IP地址為172.16.2.42。其中二個(gè)網(wǎng)絡(luò)分別為16段網(wǎng)絡(luò)和17段網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本次改造徹底實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)雙機(jī)冗余，PLC的CPU雙機(jī)熱備，上位機(jī)與PLC通訊雙網(wǎng)冗余，PLC控制站間通訊的雙網(wǎng)冗余，每一個(gè)環(huán)節(jié)全部采用冗余配置模式，降低了系統(tǒng)設(shè)備故障后，引起整套系統(tǒng)停運(yùn)的幾率。PLC雙機(jī)雙網(wǎng)冗余熱備技術(shù)在化學(xué)水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，提高了水處理控制系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和安全性。該控制系統(tǒng)改造以后，工作性能穩(wěn)定，運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)傳輸可靠，系統(tǒng)功能完整，為生產(chǎn)提供了保障，解決了通訊問(wèn)題帶來(lái)的隱患，實(shí)踐證明此應(yīng)用方案是成功的。

參考文獻(xiàn)

[1]曾慶波.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用技術(shù)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.

[2]鄭文波.以太控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī).

[3]徐鋒，張紅星.采用OPC技術(shù)的ifix與PLC通訊的實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

[4]鐵曉龍.ControlLogix系統(tǒng)電力行業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用培訓(xùn)教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社.