自主可控冗余NJ400 PLC在李家峽水電站輔機(jī)的應(yīng)用

林 全，三梅英，蔣 維，史文中，秦曉峰

(1.青海黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司李家峽發(fā)電分公司，青海?黃南州?811900；2.青海黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，青海?西寧?810008；3．傲拓科技股份有限公司，江蘇?南京?210012)

0 引 言

在“3060” 碳達(dá)峰、碳中和的大背景下，作為清潔能源的水力發(fā)電具有能量密度高、不產(chǎn)生任何碳排放和污染的特點(diǎn)，可為推進(jìn)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供強(qiáng)有力支撐。水電站的自動(dòng)化程度比較高的部分電站可以實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班(少人值守)”的運(yùn)維要求；但是伊朗核電站被震網(wǎng)病毒攻擊后，工控設(shè)備尤其是PLC產(chǎn)品信息安全問(wèn)題愈發(fā)凸顯[1_2]。國(guó)外進(jìn)口PLC產(chǎn)品不斷暴露出漏洞和后門，產(chǎn)品和信息安全受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，時(shí)刻威脅著我國(guó)水電站的安全運(yùn)行[3]。水電站內(nèi)核心控制設(shè)備的國(guó)產(chǎn)自主可控升級(jí)勢(shì)在必行。本文以李家峽水電站改造為例，著重探討了水電站核心輔助控制設(shè)備上采用國(guó)產(chǎn)自主可控雙機(jī)熱備冗余PLC的技術(shù)特點(diǎn)和改造關(guān)鍵技術(shù)。

1 項(xiàng)目概況

李家峽水電站位于青海省黃河干流李家峽河谷中段，電站安裝5臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量40萬(wàn)kW，總裝機(jī)容量200萬(wàn)kW，年均發(fā)電量59億kW·h；本次改造范圍是該電站低壓氣系統(tǒng)的控制部分。低壓氣系統(tǒng)為檢修用風(fēng)、水輪機(jī)剪斷銷用風(fēng)、水輪機(jī)空氣圍帶用風(fēng)等提供風(fēng)源。

該電站低壓氣系統(tǒng)控制部分在改造前已運(yùn)行有20余年時(shí)間，存在設(shè)備使用時(shí)間長(zhǎng)、電氣器件老化、儀表系統(tǒng)連鎖邏輯復(fù)雜、缺乏對(duì)外通訊接口等問(wèn)題，造成設(shè)備運(yùn)維管理困難，空壓機(jī)啟停頻繁，風(fēng)壓波動(dòng)較大，嚴(yán)重影響了與氣系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)設(shè)備的可靠運(yùn)行，更無(wú)法滿足智慧水電廠的運(yùn)行需求。由此，提出低壓氣系統(tǒng)電氣控制部分改造，并需滿足以下兩點(diǎn)要求：為保證信息安全考慮采用國(guó)產(chǎn)自主可控PLC產(chǎn)品，為保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性考慮采用雙機(jī)熱備冗余的PLC系統(tǒng)架構(gòu)。

2 低壓氣系統(tǒng)電氣控制架構(gòu)及特點(diǎn)

2.1 NJ400雙機(jī)熱備冗余架構(gòu)

此次改造李家峽低壓氣系統(tǒng)控制核心采用NJ400雙機(jī)熱備冗余架構(gòu)，對(duì)監(jiān)控上位機(jī)通過(guò)0網(wǎng)交換機(jī)、1網(wǎng)交換機(jī)分別上送中壓機(jī)0網(wǎng)、1網(wǎng)實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)冗余，供上位系統(tǒng)獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和下達(dá)指令；現(xiàn)地配置HMI通過(guò)1網(wǎng)交換機(jī)連接至PLC；冗余PLC與遠(yuǎn)程IO模塊通過(guò)以太網(wǎng)組成環(huán)網(wǎng)(見(jiàn)圖1)。

本系統(tǒng)架構(gòu)配置主、備兩套熱備冗余PLC(Power、CPU、遠(yuǎn)程IO主站、以太網(wǎng)通訊模塊)、遠(yuǎn)程IO(包括電源、遠(yuǎn)程IO從站、DI模塊、DO模塊、AI模塊)。A、B兩套PLC系統(tǒng)角色分為主、從兩個(gè)角色，通過(guò)熱備冗余電纜交互，實(shí)現(xiàn)冗余程序運(yùn)行及冗余通訊保障；遠(yuǎn)程IO實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)設(shè)備的信號(hào)采集和控制。A、B控制器與遠(yuǎn)程IO通過(guò)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)架構(gòu)方式可實(shí)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任意一點(diǎn)出現(xiàn)故障，迅速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)正常通訊，保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性(見(jiàn)表1)。

表1 冗余系統(tǒng)架構(gòu)硬件選型配置

2.2 低壓氣系統(tǒng)電氣控制特點(diǎn)

(1) 電氣控制系統(tǒng)改造要求

低壓氣系統(tǒng)是水電站重要的輔助設(shè)備之一，氣系統(tǒng)壓力的保持對(duì)水電站安全生產(chǎn)起到重要作用，因此對(duì)控制系統(tǒng)提出了高可靠性的要求。此次改造方案需按照冗余設(shè)計(jì)考慮，當(dāng)出現(xiàn)主CPU硬件故障無(wú)法正常工作時(shí)，立即切換至備用CPU；也可以通過(guò)軟件或者人工方式實(shí)現(xiàn)CPU切換。無(wú)論哪種方式，均需實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程無(wú)擾切換。

(2) 熱備冗余控制器選擇

為滿足此次低壓氣系統(tǒng)控制國(guó)產(chǎn)自主控且熱備冗余的改造需求，此項(xiàng)目選擇傲拓科技公司NJ400系列作為核心控制器。該系列PLC是傲拓科技公司基于龍芯中科國(guó)產(chǎn)芯片自主開(kāi)發(fā)的中大型PLC，PLC底層操作系統(tǒng)基于開(kāi)源Linux開(kāi)發(fā)，模塊固件也是獨(dú)立開(kāi)發(fā)；自主開(kāi)發(fā)編程軟件NAPro編程軟件不僅可以在Windows系統(tǒng)運(yùn)行，也可以在國(guó)產(chǎn)麒麟系統(tǒng)運(yùn)行；背板通訊以及工業(yè)以太網(wǎng)通訊也是完全自研，實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)軟硬件核心技術(shù)國(guó)產(chǎn)自主可控[3]。

NJ400 PLC充分吸取了國(guó)際工業(yè)電子技術(shù)和工業(yè)控制技術(shù)的最新成果，具有集成度高、可靠性強(qiáng)、擴(kuò)展性好、功能豐富、使用方便等特點(diǎn)，可提供完整的冗余解決方案：包括電源冗余、CPU冗余、通信冗余、以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)冗余等，充分保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，滿足此項(xiàng)目應(yīng)用需求。

(3) 熱備冗余實(shí)現(xiàn)方式

NJ400 CPU模件內(nèi)置單路或雙路冗余以太網(wǎng)接口，符合IEEE802.3/u標(biāo)準(zhǔn)，通訊速率10/100 Mbps自適應(yīng)，冗余PLC交換數(shù)據(jù)主要有主PLC狀態(tài)信息、主系統(tǒng)CPU所有寄存器狀態(tài)信息及IO數(shù)據(jù)等。熱備冗余技術(shù)特點(diǎn)有以下3點(diǎn)：

(4) 支持熱插拔

NJ400系列模塊所有模塊(通訊模塊、CPU模塊和I/O模塊)均支持帶電拔插，當(dāng)個(gè)別模塊出現(xiàn)損壞時(shí)，支持系統(tǒng)在不斷電且不影響其他模塊正常運(yùn)行的情況下，更換備用模塊；從而不影響連續(xù)生產(chǎn)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(5) 主從PLC切換條件

主CPU運(yùn)行故障、LAN口斷開(kāi)、通訊模塊故障等情況下進(jìn)行主、從PLC系統(tǒng)切換；也可以通過(guò)程序方式被用戶進(jìn)行切換。

(6) 通訊方式及協(xié)議

NJ400支持基于串行通訊及以太網(wǎng)的多種工業(yè)通訊協(xié)議，諸如Profibus、CAN、CANopen、DeviceNet、TCP/IP、Modbus TCP/RTU、OPC等通訊方式，可以便捷連接多種工業(yè)智能設(shè)備。

在此次項(xiàng)目升級(jí)中，主、從PLC IO主站與遠(yuǎn)程IO從站之間通過(guò)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)架構(gòu)連接，保證了運(yùn)行的可靠性；采用基于以太網(wǎng)定制的TCP/IP通訊在滿足大字節(jié)包吞吐的同時(shí)，保證了數(shù)據(jù)更新的實(shí)時(shí)性。

(7) 模塊故障自診斷

PLC會(huì)周期性地進(jìn)行各模塊故障自診斷檢測(cè)，診斷內(nèi)容有CPU、以太網(wǎng)、電源及IO的運(yùn)行狀況，并將診斷結(jié)果上報(bào)CPU模塊。同時(shí)，所有模塊的面板上都有不同顏色的LED狀態(tài)指示燈：包括運(yùn)行燈、故障燈、網(wǎng)絡(luò)通信指示燈等。LED狀態(tài)指示燈的亮、閃、滅組合代表了模塊不同的運(yùn)行狀況。

(8)支持遠(yuǎn)程編程與調(diào)試

CPU自帶網(wǎng)口連接VPN網(wǎng)絡(luò)方式搭建安全網(wǎng)絡(luò)通路，基于NAPro軟件可通過(guò)遠(yuǎn)程方式進(jìn)行程序上傳和下載。此功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)維護(hù)，不僅提高了水電廠對(duì)設(shè)備故障的綜合防范能力和診斷水平，也減少了設(shè)備工程師的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用成本。

(9)支持SCC順序控制圖編程

NAPro軟件除了提供IEC61131—3標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言外，也針對(duì)水電廠控制存在大量順序控制邏輯需求，開(kāi)發(fā)了新型順序控制圖(SCC)編程語(yǔ)言。SCC是一種簡(jiǎn)潔的圖形化結(jié)構(gòu)語(yǔ)言，所見(jiàn)即所得，無(wú)需用戶具備深厚的PLC編程基礎(chǔ)亦可完成程序的編寫，大大降低了編程入門的難度，提升了編程效率。

3 工程項(xiàng)目應(yīng)用介紹

3.1 低壓氣系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)介

李家峽水電站低壓氣系統(tǒng)的主要作用為：機(jī)組制動(dòng)用風(fēng)、設(shè)備檢修用風(fēng)、水輪機(jī)剪斷銷用風(fēng)、水輪機(jī)空氣圍帶用風(fēng)等提供風(fēng)源。該電站共設(shè)5臺(tái)低壓壓縮機(jī)、4個(gè)低壓儲(chǔ)氣罐，其中ZW—10/7型活塞式壓縮機(jī)有2臺(tái)，S100型螺桿式壓縮機(jī)有3臺(tái)，制動(dòng)風(fēng)儲(chǔ)氣罐2個(gè)，設(shè)備檢修儲(chǔ)氣罐2個(gè)；4個(gè)儲(chǔ)氣罐設(shè)有聯(lián)絡(luò)閥與其相連，其中制動(dòng)風(fēng)儲(chǔ)氣罐出口各設(shè)有1個(gè)單向閥，確保機(jī)組停機(jī)制動(dòng)時(shí)設(shè)備安全穩(wěn)定可靠(見(jiàn)圖2)。

每臺(tái)空壓機(jī)會(huì)設(shè)置排氣壓力保護(hù)、冷卻水壓力保護(hù)、潤(rùn)滑油壓力保護(hù)，通過(guò)傳感器送至PLC進(jìn)行智能判斷，當(dāng)超出臨界值后發(fā)出報(bào)警。預(yù)留空壓機(jī)振動(dòng)、潤(rùn)滑油溫度等通過(guò)傳感器接入系統(tǒng)的通道，后續(xù)通過(guò)智能算法進(jìn)行空壓機(jī)狀態(tài)故障診斷、趨勢(shì)分析和狀態(tài)評(píng)估。

3.2 低壓氣系統(tǒng)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)

4臺(tái)儲(chǔ)氣罐壓力表與5臺(tái)空壓機(jī)啟停與邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系：

檢修儲(chǔ)氣罐(V1， V2)上的2塊聯(lián)絡(luò)電接點(diǎn)壓力表動(dòng)作時(shí)， 啟停1、2、3號(hào)空壓機(jī)，檢修儲(chǔ)氣罐任意一個(gè)出口壓力表動(dòng)作時(shí)啟停1、2、3號(hào)空壓機(jī)中的1臺(tái)，依次輪換。

制動(dòng)儲(chǔ)氣罐(V3， V4) 上的2塊聯(lián)絡(luò)電接點(diǎn)壓力表動(dòng)作時(shí)， 啟停4、5號(hào)空壓機(jī)，制動(dòng)儲(chǔ)氣罐任意一個(gè)出口壓力表動(dòng)作時(shí)啟停4、5號(hào)低壓機(jī)中的1臺(tái)，依次輪換。

空壓機(jī)啟停壓力值如下所示(見(jiàn)表2)。

表2 空壓機(jī)啟停壓力值

空壓機(jī)運(yùn)行邏輯控制流程以檢修儲(chǔ)氣系統(tǒng)為例介紹，3臺(tái)空壓機(jī)對(duì)應(yīng)2臺(tái)儲(chǔ)氣罐。制動(dòng)儲(chǔ)氣系統(tǒng)控制流程一致，僅少1臺(tái)空壓機(jī)參與輪控。每臺(tái)空壓機(jī)根據(jù)運(yùn)行啟動(dòng)次數(shù)和運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行主、備輪換(見(jiàn)圖3)。

3.2.1 手動(dòng)控制功能

在自動(dòng)控制無(wú)法操作、控制器出現(xiàn)故障的特殊情況以及氣系統(tǒng)設(shè)備處在調(diào)試、檢修階段時(shí)，需考慮采用手動(dòng)方式；此時(shí)，屏蔽上位機(jī)系統(tǒng)操作。

3.2.2 自動(dòng)控制功能

當(dāng)控制切換開(kāi)關(guān)置于“自動(dòng)”位置時(shí)，PLC根據(jù)壓力開(kāi)關(guān)或者壓力變送器輸入信號(hào)結(jié)合內(nèi)部程序邏輯完成空壓機(jī)的啟停控制輸出。當(dāng)PLC檢測(cè)到設(shè)備故障時(shí)，發(fā)出設(shè)備故障報(bào)警信號(hào)，在柜體上點(diǎn)亮指示燈并上送至監(jiān)控系統(tǒng)。自動(dòng)控制功能具備以下特點(diǎn)：

(1)信號(hào)檢測(cè)功能

壓力變送器輸出的4～20 mA模擬量信號(hào)與檢測(cè)開(kāi)關(guān)輸出的開(kāi)關(guān)量一起參與自動(dòng)控制，信號(hào)檢測(cè)采用模擬量為主，開(kāi)關(guān)量為輔的冗余配置方案，兩者相互校驗(yàn)確保檢測(cè)信號(hào)可靠。

(2)人機(jī)交互功能

控制柜設(shè)置1臺(tái)傲拓NA2000系列液晶顯示屏，實(shí)時(shí)顯示被控參數(shù)實(shí)時(shí)值、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障信息及查詢和修改系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等。

(3)保護(hù)和報(bào)警功能

PLC軟件具有故障自診斷功能，對(duì)PLC模塊故障、測(cè)量回路斷線等故障能及時(shí)判斷，通過(guò)PLC及時(shí)報(bào)警。另外，還編制PLC保護(hù)程序，避免空壓機(jī)在短時(shí)間內(nèi)間歇地頻繁啟動(dòng)(跳動(dòng))。

在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)立即報(bào)警，并停止故障設(shè)備的運(yùn)行，自動(dòng)投入備用設(shè)備運(yùn)行，并將故障信號(hào)上送LCU系統(tǒng)。

(4)冗余通訊功能

現(xiàn)地控制單元雙機(jī)冗余PLC控制系統(tǒng)通過(guò)Modbus TCP通訊協(xié)議的方式通過(guò)各自CMM通訊模

塊，獨(dú)立MAC網(wǎng)口分別上送中壓機(jī)0網(wǎng)及1網(wǎng)，確保信息可靠上送。及時(shí)向LCU發(fā)送控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)壓力(液位)、主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障(設(shè)備的狀態(tài)、累計(jì)啟動(dòng)次數(shù)、故障記錄)，以及系統(tǒng)本身的故障、事故等信息。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次升級(jí)改造方案在保留原有氣系統(tǒng)主設(shè)備的基礎(chǔ)上，采用國(guó)產(chǎn)自主可控冗余NJ400 PLC進(jìn)行了電氣控制系統(tǒng)的升級(jí)。NJ400 PLC雙機(jī)冗余熱備架構(gòu)及支持熱插拔等特點(diǎn)，提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性。NJ400 PLC具備的豐富通訊接口、SCC新型編程方式、模塊智能診斷和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)維護(hù)等功能，極大提升了電站核心設(shè)備的智能性和運(yùn)維效率。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，各項(xiàng)性能參數(shù)及功能均優(yōu)于進(jìn)口品牌。該項(xiàng)目的成功應(yīng)用也驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)自主可控PLC在水電站重要輔助控制設(shè)備上未來(lái)推廣應(yīng)用的可行性。