AB PLC在天然氣SCADA系統(tǒng)中的冗余設計

張曉玲，張鶴川，魏宗康

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

AB PLC在天然氣SCADA系統(tǒng)中的冗余設計

張曉玲，張鶴川，魏宗康

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

基于網絡控制的PLC冗余系統(tǒng)，通過設備實現(xiàn)冗余所需的自動事件同步和無擾動切換，不會丟失信息，無需切換時間。避免由于單個CPU故障造成系統(tǒng)癱瘓，系統(tǒng)故障率接近于零，保證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和實時性。本文提出在天然氣SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，即數(shù)據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)中，采用Rockwell公司的ControlLogix PLC冗余系統(tǒng)，利用以太網和ControlNet控制網構建了系統(tǒng)的硬件組網冗余方案，實現(xiàn)數(shù)據的采集和對現(xiàn)場設備的自動控制，在實際的應用中取得了良好的效果。

SCADA；ControlLogix；ControlNet；冗余系統(tǒng)

0 引言

天然氣輸配系統(tǒng)大多采用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，即數(shù)據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是一個集中管理、統(tǒng)一調度、分散控制的集散型計算機網絡監(jiān)控系統(tǒng)。在系統(tǒng)中運用了計算機技術、控制技術、通信技術和圖形技術，調度中心通過網絡將分布在輸氣管線各處的遠程站連接起來，共同完成系統(tǒng)的實時監(jiān)控和調度管理。同時在天然氣場站站控監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)“無人操作，有人值守”的監(jiān)控水平。為了保證天然氣輸配管網的安全運行和穩(wěn)定供氣，提高供氣管理水平，用于對遠程站點進行監(jiān)控，包括對各站點各種數(shù)據的實時采集、各種設備狀態(tài)的實時監(jiān)測以及對遠端設備的調節(jié)和控制等。研制一套自動化水平高、覆蓋范圍廣的天然氣管網數(shù)據采集與監(jiān)視控制SCADA系統(tǒng)具有重要的意義［1?4］。

目前，PLC冗余熱備系統(tǒng)分為兩種：由硬件實現(xiàn)的硬件冗余熱備以及由軟件實現(xiàn)的軟件冗余熱備?；谌哂嘞到y(tǒng)可保證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和實時性，可實現(xiàn)冗余所需的自動事件同步和無擾動切換，不會丟失信息，無需切換時間，系統(tǒng)故障率接近于零。為保證系統(tǒng)連續(xù)安全運行，系統(tǒng)操作維護方便，進一步提高系統(tǒng)的可靠性，本文采用硬件冗余的方式來實現(xiàn)冗余監(jiān)控。硬冗余系統(tǒng)的冗余結構確保了任何時候的系統(tǒng)可靠性，所有的重要部件都是冗余配置，包括了冗余的CPU、供電模件和用于冗余CPU通信的同步模塊［5］。

因此，本文提出了AB PLC冗余系統(tǒng)在天然氣SCADA系統(tǒng)中的冗余設計。實驗證明，本系統(tǒng)可以連續(xù)安全、可靠運行，操作方便直觀。運行過程中的自動化率高，既能滿足中心集中監(jiān)控的要求，又大大降低了勞動強度。

1 系統(tǒng)組成

ControlLogix是AB的PLC系列，為多種類型的監(jiān)控提供了高性能的控制平臺。由于該平臺是模塊化的，用戶能夠有效地設計、建立和更改平臺，通過先進的組態(tài)工具和對編程與內存要求較少的內存結構、符號進行編程。ControlLogix平臺允許混合使用多個處理器、多種網絡結構和I／O，沒有任何限制。因此，在天然氣輸配氣門站SCADA系統(tǒng)中采用ControlLogix冗余系統(tǒng)。

天然氣輸氣門站SCADA系統(tǒng)的主要控制方式是：在天然氣門站中心控制室集中對輸氣門站的各種設備和生產運行數(shù)據進行監(jiān)視和控制，天然氣輸送處理過程工藝參數(shù)和設備的狀態(tài)在上位機上顯示。各設備均有兩種方式控制，即就地手動控制、集中控制?？刂剖揖哂凶詣樱h程手動控制兩種方式。這種控制方式具有集中管理，分散控制的特點，可靠性較高，維護也方便［6］。

該系統(tǒng)由上位機、2個互為熱備的PLC控制器、遠程I／O組成。上位機和PLC控制器之間通過Modbus網絡連接，遠程I／O接入到ControlNet網絡中。系統(tǒng)拓撲結構如圖1所示。

圖1　拓撲結構圖Fig.1 Topological structure

站控系統(tǒng)采用分布式結構，操作員站上運行iFIX監(jiān)控軟件，通過以太網與PLC通信，完成參數(shù)上傳和控制命令的下傳，完成本地人機界面的數(shù)據表現(xiàn)。

PLC選用冗余模塊化設備，通過標準電信號采集壓力、溫度等參數(shù)，通過RS485接口連接智能儀表和智能設備，例如流量計、壓縮機、干燥機等設備，完成本地自動控制。站控系統(tǒng)采用不間斷電源系統(tǒng)UPS為站控系統(tǒng)供電［7?10］。

2 硬件設計

2.1 PLC設計

從圖1的系統(tǒng)拓撲結構圖可以看出，系統(tǒng)整體上分PLC機架和I／O遠程機架，圖2是采用Au?tocad進行整體架構設計。

圖2　PLC系統(tǒng)設計Fig.2 System design of PLC

本文分別從PLC機架和I／O遠程機架進行詳細的設計。

（1）PLC機架

本系統(tǒng)PLC機架配備了2個7槽的機架L1、L2，運行時L1和L2互為熱備，構成了冗余。L1和L2機架各個槽位所配置的模塊如表1所示。

表1　L1和L2機架所配置的模塊Table 1 Module configuration of L1 and L2 rack

從表1可以看出，L1、L2這2個機架的配置完全一樣。

其中，0槽是CPU；1槽是以太網模塊；2、4槽為空槽；3槽是ControlNet網模塊，這種模塊帶有2個網絡接口（A、B）；5、6槽是用于同步的冗余模塊，1個模塊需要占據2個槽位，且該模塊在RSLOGIX5000軟件編程中，是不需要進行組態(tài)的。

（2）I／O遠程機架

本系統(tǒng)除了2個互為熱備的主機架外，還有1個10槽的遠程I／O機架L3，該機架上配置I／O模塊和通信模塊，具體配置如表2所示。

表2　L3機架所配置的模塊Table 2 Module configuration of L3 rack

從表2可以看出：0、1槽配置了2個完全一樣的ControlNet網模塊，該模塊與主機架上的一樣；2槽是Modbus網絡通信模塊，帶2個網絡接口（P1、P2）；3槽是16點的模擬量輸入模塊；4、5槽是32點的數(shù)字量輸入模塊；6、7槽是32點的數(shù)字量輸出模塊；8槽是4點模擬量輸出模塊；9槽為空槽。

3個機架（L1、L2、L3）都各自配備了1個電源模塊1756?PA72，且電源模塊是貼于機架的最左邊的邊緣固定的，因此不占據機架的槽位。

2.2 系統(tǒng)冗余方案

由圖1包含的系統(tǒng)網絡構成和系統(tǒng)硬件配置，可以看出該系統(tǒng)包含2層冗余。

第1層冗余是：主CPU和從CPU的冗余。L1、L2機架上的冗余模塊1757?SRM通過光纖相互連接，正常工作時，1756?L61中所有的程序和數(shù)據通過光纖進行同步。

第2層冗余是：ControlNet網絡冗余。系統(tǒng)中配置了4塊相同的ControlNet網模塊1756?CNBR／E，這種模塊帶有2個ControlNet網接口（A、B）。因此，該系統(tǒng)中擁有2個ControlNet網絡，一個是A，另一個是B，它們互為熱備。該冗余需要在RSNetworx for ControlNet軟件中做相應的配置，在軟件的Media Redundancy選項中將“A”改為“A／B”，即可實現(xiàn)ControlNet網絡冗余。基于在CPU冗余情況下，ControlNet冗余網絡有一個規(guī)定：ControlNet冗余網絡的節(jié)點必須有4個或4個以上。因此，這也是該系統(tǒng)在遠程I／O機架L3上配置了2個ControlNet網模塊的原因。此外，在此系統(tǒng)中的L1、L2機架上的ControlNet網模塊必須撥碼為相同的C網站址。主機架上的顯示撥碼站址，而從機架上的會自動加1顯示。

因此，2層冗余可以保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全，保證現(xiàn)場數(shù)據的實時傳輸［11］。

2.3 冗余系統(tǒng)的通信

本系統(tǒng)涉及3個通信：CPU與遠程I／O的通信，PLC與上位機通信，PLC與第三方設備通信［12］。

（1）CPU與遠程I／O的通信

從網絡架構可以看出，CPU與I／O是通過ControNet網進行數(shù)據交換。但在硬件組態(tài)中是直接分配I／O地址，因此可直接讀取地址中的數(shù)據。

（2）PLC與上位機、第三方設備通信

本系統(tǒng)中，PLC與上位機和第三方設備的通信都是通過Modbus網絡完成的，采用的通信模塊是I／O遠程機架上的MVI56。該模塊有2個Modbus通信口（P1、P2），在此系統(tǒng)中，P1設置成主站與第三方的設備（2個流量計計算機、1個調壓撬控制器、1個壓縮機、1個干燥機）進行數(shù)據交換，P2設置成從站與上位機進行通信。

3 軟件設計

由于采用的是ControlLogix PLC冗余系統(tǒng)，該PLC的軟件設計開發(fā)涉及4個軟件，這4個軟件環(huán)環(huán)相扣，缺一不可。

3.1 BOOTP?DHCP Serve

以太網模塊首次使用是沒有IP地址的，需要采用BOOTP?DHCP Serve軟件給以太網模塊分配1個靜態(tài)IP。在該冗余系統(tǒng)中，必須將L1、L2機架中的以太網模塊都設置成相同的IP地址。而在顯示狀態(tài)下，主機架的IP地址自始至終都是顯示設置的地址，而從機架的IP地址會在設置的地址上自動加1。

3.2 RSLinx

RSLinx軟件是工業(yè)通信的樞紐，為所有的AB網絡提供了完整的驅動程序。通過RSLinx軟件，用戶可以通過1個窗口查看所有激活的網絡，也可以通過1個或多個通信接口同時運行任何所支持的應用程序的組合。RSLinx提供最快速的OPC、DDE和Custom C／C++的接口。RSLinx還能夠為用戶提供多個網絡、本地工作站和DDE／OPC性能診斷工具，便于進行系統(tǒng)維護和故障排錯。

RSLinx Gateway驅動程序能夠完美地支持TCP／IP客戶與AB控制器的連接，它也支持與遠程OPC進行通信，操作界面如圖3所示。

圖3　RSLinx操作界面Fig.3 RSLinx interface

3.3 RSNetWorx for ControlNet

RSNetWorx for ControlNet用于ControlNet網絡的設計、配置及管理。在I／O組態(tài)配置后，還需要通過該軟件對ControlNet網絡通信重新進行組態(tài)。該軟件可以非常直觀地配置ControlNet，進行合適的組態(tài)。網絡刷新時間、最大預定義節(jié)點地址號，都可以通過該軟件來重新配置。然后將配置文件下載到PLC中，由它作為ControlNet的Keeper管理網絡。如圖4所示，該系統(tǒng)的主機架的站址是10，從機架的站址是11，I／O遠程機架的站址分別是25、26。

圖4　RSNetWorx for ControlNet網絡配置Fig.4 Network configuration of RSNetWorx for ControlNet

3.4 RSLogix5000

RSLogix5000與第一代可編程控制軟件相比，RSLogix5000功能更加強大，更加方便實用。RSLogix5000編程軟件除了為順序控制提供梯形圖編程外，還可以為運動控制提供完整的編程及調試支持。RSLogix5000可同時完成順序控制與運動控制。使用RSLogix5000軟件可以完全實現(xiàn)對模塊的設置和監(jiān)視，所有模塊相關數(shù)據都包含在1個處理器數(shù)據對象中，這便于配置、監(jiān)視和連接模塊參數(shù)。

（1）組態(tài)

組態(tài)和編程都是在軟件RSLogix5000中完成，操作非常方便。首先創(chuàng)建1個新項目，選擇相應的控制器，然后在I／O配置中加入New Module，對應相應的槽位，如圖5所示。并在模塊屬性框中設置相應的參數(shù)。

（2）編程

組態(tài)完成后，就可以在MainProgram中進行相關的編程，編程中所使用到的I／O地址及中間地址都可以在Controller Tags中找到，因此直接在程序中調用即可，非常簡便。如圖6所示，顯示的是該系統(tǒng)對閥的一部分控制程序。

圖6　編程畫面Fig.6 Program interface

（3）軟件流程圖

冗余系統(tǒng)的軟件流程圖如圖7所示，主要工作：讀取閥門狀態(tài)、壓力、溫度、流量，控制電動調節(jié)閥門，與智能設備（壓縮機、干燥機）通信進行數(shù)據交換。

圖7　監(jiān)控流程圖Fig.7 Flow chart of supervisory control

4 工作站監(jiān)控功能設計

PLC將所有數(shù)據通過網絡上傳至工作站電腦，通過上位計算機可直觀地顯示全站各工藝流程段的實時工況、各工藝參數(shù)的趨勢畫面，使操作人員及時掌握輸配氣站運行情況。從而實現(xiàn)整個輸氣管道的優(yōu)化、經濟、合理、可靠的運行。系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：實時數(shù)據采集和處理；控制功能；圖形顯示功能；報警顯示、報警管理以及事件的查詢、打??；歷史數(shù)據的采集、歸檔、管理以及趨勢圖顯示等。具體如圖8所示。

圖8　上位機操作員站Fig.8 Operator station of upper computer

5 結論

ControlLogix自從投入天然氣SCADA系統(tǒng)中使用以來運行情況良好，故障率低，可靠性高，符合天然氣對系統(tǒng)運行穩(wěn)定的基本要求。而且Con?trolLogix的使用使得整個系統(tǒng)的組成變得比較簡單，便于維護，天然氣監(jiān)控系統(tǒng)要求的各種功能也得到了很好的實現(xiàn)。相信ControlLogix冗余系統(tǒng)在控制領域將得到越來越廣泛的應用。

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Redundant Design of Natural Gas SCADA System Based on AB PLC

ZHANG Xiao?ling，ZHANG He?chuan，WEI Zong?kang
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

PLC redundant system with network control may realize automatic event synchronization and undisturbed switching．The system not only has no information loss and no switching time，but it also avoids system breakdown beacause of single CPU fault，so that the system fault rate is close to zero and can ensure the reliability，stability and real?time．This paper presents the natural gas SCADA system which uses ControlLogix PLC redundant system of Rockwell company．The system finishes data acquisition and control field devices automatically by using hardware network redundant solution which is made up of Ethernet and ControlNet network．Finally，it can achieve good results in practical application．

SCADA；ControlLogix；ControlNet；redundant system

X924．3

A

1674?5558（2016）01?01093

10．3969／j．issn．1674?5558．2016．06．003

2015?03?17

張曉玲，女，博士，工程師，研究方向為導航、制導與控制。