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隔河巖電廠改造分析論文
摘要：本文結(jié)合清江隔河巖水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元改造工程，重點探討了在國內(nèi)大型水電廠首次使用施耐德以太網(wǎng)產(chǎn)品實現(xiàn)直接上網(wǎng)LCU的新型結(jié)構(gòu)，討論了在這種結(jié)構(gòu)下實現(xiàn)輸入、輸出、電源、CPU、聯(lián)接等冗余策略，特別是在二元輸入情況下，實現(xiàn)開關(guān)量輸入冗余的方法。分析了國際電工委員會IEEE1131五種語言FBD、LD、SFC、ST、IL各自不同特點，討論了使用結(jié)構(gòu)化文本（ST）編寫PLC程序應(yīng)采用的策略和方法。分析了使用交流采樣裝置與變送器的策略。討論了在水電廠現(xiàn)地進行LCU改造縮短工期的有效途徑。
關(guān)鍵詞：水電廠現(xiàn)地控制單元改造結(jié)構(gòu)無人值班
經(jīng)過多年努力，計算機監(jiān)控系統(tǒng)在水電廠及其它領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。對于水電廠來說，采用一套結(jié)構(gòu)合理、功能完善、可靠性高、人機界面友好的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，是水電廠提高安全生產(chǎn)水平，實現(xiàn)“無人值班（關(guān)門運行）”的環(huán)節(jié)。非常可喜的是，經(jīng)過國內(nèi)同行們的努力，國內(nèi)計算機監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展很快，已經(jīng)接近或達到同類產(chǎn)品的國際先進水平。
隨著近幾年計算機硬件、軟件的快速發(fā)展，國內(nèi)計算機監(jiān)控技術(shù)不斷得到發(fā)展。本文作者參加了清江隔河巖水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造工程，現(xiàn)就該廠LCU改造的特點，改造中所采用的新技術(shù)及LCU新型結(jié)構(gòu)，進行初步探索，談一下個人的看法，不當(dāng)之處，希望批評指正。
1．監(jiān)控系統(tǒng)改造的目標
隔河巖水電廠原采用加拿大的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，已穩(wěn)定運行多年，為該廠安全生產(chǎn)及創(chuàng)國內(nèi)一流水電廠作出了應(yīng)有的貢獻。但隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，對電力系統(tǒng)、對電廠的要求越來越高，向國際的一流水電廠的技術(shù)、管理水平看齊，創(chuàng)建國際一流水電廠，從而實現(xiàn)管理水平高、技術(shù)先進、人員進一步精練、關(guān)門運行的目標，勢在必行。一方面，原有的系統(tǒng)功能已不能滿足要求，另一方面?zhèn)淦穫浼嗀浽絹碓嚼щy，而且價格非常高，對電廠的安全運行形成隱患。為此對老系統(tǒng)必須進行更新改造，以便為創(chuàng)國際一流水電廠打下堅實的基礎(chǔ)。對于LCU，改造的方法是：現(xiàn)地設(shè)備僅保留原有的盤柜柜體、自動準同期裝置和24V電源、照明等少量附件，其它全部拆除，取而代之的是新的LCU，采用施耐德公司Quantum系列PLC作為控制器。中國水利水電科學(xué)研究院自動化所提供了五套LCU，本文作者參加了LCU的研制、現(xiàn)場安裝調(diào)試等改造工作，本文是對改造工作的總結(jié)和思考。
2．LCU改造的特點
2．1控制流程方式不同
原監(jiān)控系統(tǒng)是加拿大CAE研制的，CAE的模式與國內(nèi)的一貫做法有很大差異。比如，開機有九大步，停機也有九大步。對于常規(guī)水電廠的機組，而我們的一貫做法是五態(tài)轉(zhuǎn)換，所謂五態(tài)即停機態(tài)、空轉(zhuǎn)態(tài)、空載態(tài)、發(fā)電態(tài)、不定態(tài)（前四種狀態(tài)中過渡狀態(tài)稱為不定態(tài)）。（對于有調(diào)相任務(wù)的機組，還有調(diào)相態(tài)；對于抽水蓄能機組，還有水泵態(tài)；但不在討論的常規(guī)機組范圍之內(nèi)。）機組一定處于五種狀態(tài)之中。機組的開機、停機、解列、解列后并網(wǎng)等操作，不過就是機組在的停機態(tài)、空轉(zhuǎn)態(tài)、空載態(tài)、發(fā)電態(tài)四種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。雖然兩種表示方法實質(zhì)是一致的，但習(xí)慣于五態(tài)轉(zhuǎn)換的人，要熟悉開機、停機各九大步，需要一定的時間。考慮到電廠從運行人員到檢修維護人員都諳熟這開、停機九大步這一因素，雖然編程與調(diào)試都需要付出較大的努力去適應(yīng)，還是采用了原來的開、停機九大步形式，以方便電廠人員的運行與維護。
2．2使用結(jié)構(gòu)化文本語言來編程
原有計算機監(jiān)控系統(tǒng)的LCU的程序是使用文本化語言編寫的，它的風(fēng)格與C語言相類似。與機組開停機形式采用各九大步相類似，由于電廠維護人員熟悉文本化語言，要求全部采用文本化的編程語言編寫LCU的程序。在使用可編程控制器（以下稱為PLC）時，我們通常使用梯形圖的語言。它的好處是編程易學(xué)、直觀、與電氣二次展開圖極為相似，非常適合電廠人員掌握，可以使現(xiàn)場維護人員方便的進行對程序的維護。在隔河巖計算機監(jiān)控系統(tǒng)LCU部分改造中，采用了施耐德（Shneider）公司的Quantum系列PLC，編程軟件采用Concept2.2。該軟件支持國際電工委員會IEEE1131的標準的全部五種語言，即：支持FBD（FunctionBlockDiagram功能塊圖）、SFC（SequentialFunctionChart順序功能圖）、LD（LaddarDiagram梯形圖）、ST（StructuredText結(jié)構(gòu)化文本）和IL（Instructionpst指令表）五種語言。前三種語言是圖形方式，后兩種是文本方式。由于指令表IL語言指令的特點，具有可讀性差，指令簡單，不直觀，可移植能力差，非結(jié)構(gòu)化文本（有JUMP指令），數(shù)據(jù)處理能力不強（無循環(huán)FOR語句），只能適合較小規(guī)模的控制。ST語言是一種結(jié)構(gòu)化的文本語言。它與C語言很相似。它不僅具有豐富的邏輯處理能力，它還具有IF、CASE、FOR、WHILE、REPEAT、EXIT、EMPTY等語句，數(shù)據(jù)處理能力非常強，沒有GOTO、JUMP或類似的指令。因此，它的移植性很好,有利于程序的標準化。它與FBD、LD、SFC相比，不夠直觀，與電氣二次展開圖相去較遠。另外，它的不足之處是占用較多內(nèi)存且掃描周期要長一些（均與FBD、LD、SFC相比）。上面提到了LD語言的一些優(yōu)點，F(xiàn)BD圖與電氣二次的`原理圖更接近。FBD、SFC、LD都不具備IF、CASE、FOR、WHILE、REPEAT、EXIT、EMPTY等語句，數(shù)據(jù)處理能力不夠強。根據(jù)我個人使用情況，比較可取的方法有：（1）全部使用ST；（2）使用ST與FBD相結(jié)合；（3）使用ST與LD相結(jié)合。（2）和（3）兩種方法能夠?qū)煞N語言的特點結(jié)合起來，是比較好的方式。因為用數(shù)據(jù)處理能力強的文本化語言處理數(shù)據(jù)，用直觀性好的LD或FBD編制順控流程，現(xiàn)場的技術(shù)人員能夠比較容易接受、容易理解、容易接受。現(xiàn)場的技術(shù)人員最關(guān)心的是順控流程。我個人比較傾向于（3）的方式。
但是對于熟悉使用C語言或類似C語言的其它文本化語言的工程技術(shù)人員來說，或者對于特別復(fù)雜的順控流程用LD或FBD實現(xiàn)很困難的情況，使用結(jié)構(gòu)化文本ST語言是一個明智的選擇。隔河巖的情況就是這樣，他們原來加拿大CAE計算機監(jiān)控的LCU的全部流程是用類似C語言的文本化的語言編制的，他們的機組順控流程也很復(fù)雜，因此電廠要求所有流程使用ST語言編制。這樣，改造后的LCU的程序，與原來的程序風(fēng)格上接近，電廠的技術(shù)人員比較容易理解和維護。實踐證明，選擇ST語言是正確的。
2．3PLC直接上網(wǎng)
經(jīng)過多年探索和實踐，計算機監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用分層、分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也就是按照被控設(shè)備分成單元，即LCU。現(xiàn)在較為普遍的LCU一般由工控機、控制器（PLC：用于數(shù)據(jù)采集和控制）、自動準同期裝置、轉(zhuǎn)速裝置、變送器、電源等附件組成。工控機作為計算機監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)上的一個結(jié)點，各種數(shù)據(jù)經(jīng)過工控機送到網(wǎng)上各個結(jié)點，控制命令經(jīng)工控機下達到控制器等設(shè)備。因此工控機的可靠性顯得非常重要。雖然工控機是工控產(chǎn)品，由于它的風(fēng)扇、硬盤驅(qū)動器、軟驅(qū)等旋轉(zhuǎn)部件的存在，可靠性就有所降低。針對這種情況，人們把眼光紛紛投向以太網(wǎng)，考慮PLC的直接上網(wǎng)。現(xiàn)在國際上知名的幾大廠家的PLC均能夠?qū)崿F(xiàn)直接上網(wǎng)，如施耐德公司全線的Quantum系列、Premium系列等、通用電氣公司GE90-70系列、GE90-30系列、VersaMAX系列等、西門子公司的有關(guān)PLC、羅克韋爾PLC的有關(guān)系列控制器。
在隔河巖計算機監(jiān)控改造工程中，采用了直接上網(wǎng)的形式。但它的結(jié)構(gòu)還是符合分層分布（單元）式的結(jié)構(gòu)原則。這種結(jié)構(gòu)是符合“無人值班（關(guān)門運行）”的目標的。
2．4冗余結(jié)構(gòu)
雙機熱備冗余
現(xiàn)在PLC的可靠性是很高的，但為了把大型、特大型機組的可靠性提高到更高的水平，特別是滿足隔河巖這種大型骨干電廠“無人值班（關(guān)門運行）”對LCU的要求，同時也利于維護（一臺運行，另一臺可處于編程狀態(tài)），采用了雙機（CPU）熱備結(jié)構(gòu)。雙機熱備的實現(xiàn)有兩種放方式，一是硬件方式，一是軟件方式。硬件方式如施耐德公司Quantum系列PLC雙機熱備、通用電氣公司GE90-70系列雙機熱備等；軟件方式通用電氣公司GE90-30系列雙機熱備有一般硬件的方式性能比較好。但是不管那種方式，都要達到無擾切換。也就是切換的過程要保證控制連續(xù)進行、數(shù)據(jù)不丟失。這一點是非常重要的。
在隔河巖計算機監(jiān)控改造工程中，采用了施耐德公司Quantum系列PLC雙機熱備結(jié)構(gòu)。當(dāng)主控CPU故障或電源失去時，自動切換到備用CPU，備用CPU自動升為主控CPU，實現(xiàn)無擾切換。當(dāng)進行維護時，可以手動進行主、備單元的切換。這樣，可以提高可靠性指標。
光纖以太網(wǎng)冗余
對于LCU來說，它與系統(tǒng)的其它結(jié)點的連接方式，或說組網(wǎng)方式，現(xiàn)在普遍采用以太網(wǎng)，而且采用光纖作為介質(zhì)。單網(wǎng)的可靠性已經(jīng)很高，但考慮其它不可預(yù)見的機械物理上的等因數(shù)，可以考慮采用雙光纖以太網(wǎng)。
隔河巖計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用了雙光纖以太網(wǎng)。從LCU（PLC）而言，它的雙光纖以太網(wǎng)工作方式不需要切換，而且是同時工作（ALLINWORKING）的方式。這樣，不需要切換，一旦一號網(wǎng)故障，二號網(wǎng)可以零時間切換過去。由此可以獲得很高的性能。這是由Quantum系列PLC的以太網(wǎng)實現(xiàn)的功能。
與遠程機箱的聯(lián)結(jié)電纜冗余
一般情況，一個LCU單元需要幾個擴展機箱。如隔河巖項目，它有五個擴展機箱。在Quantum系列PLC上，它有兩種連接方式，一種是遠程RIO（RemoteInput/Output）方式，一種是分布DIO（DistributedInput/Output）方式。隔河巖項目采用的是RIO方式，它的擴展機箱稱為遠程站（RemoteDrop）。
一般情況下，主機箱采用與擴展機箱采用單纜連接已經(jīng)足夠。但采用雙纜可以獲得更高的可靠性。如在龍羊峽水電廠，單機32萬千瓦，PLC的主機箱在上游側(cè)，其中一個遠程站在下游側(cè)。在該電站，采用雙纜連接主機箱與該遠程站，一跟從左側(cè)走線，一跟從右側(cè)走線，這樣一旦一側(cè)有火災(zāi)、機械損傷等不可預(yù)見性的因素，不影響系統(tǒng)的正常運行。
在隔河巖計算機監(jiān)控改造工程中，也采用了雙纜的結(jié)構(gòu)。
輸入冗余
一般來說，輸入的冗余應(yīng)該采用三取二的方法，即少數(shù)服從多數(shù)的方法。通用電氣公司GE系列PLC有這樣的硬件結(jié)構(gòu)，從CPU、輸入、輸出都三重冗余，以滿足可靠性極高的情形，如冶金領(lǐng)域的高爐。但是它的投資大，在水電行業(yè)實在沒有必要。但是，對于少數(shù)重要的信號，如用于事故停機、緊急事故停機的信號、重要設(shè)備如出口斷路器的狀態(tài)信號有兩路信號輸入，就存在如何處理的問題。在隔河巖計算機監(jiān)控改造工程中，就遇到這樣的問題。處理的方法是采用安全傾向因子，在不同的狀態(tài)、過程中，可以采用不同的安全傾向因子，這樣用一對冗余信號加一組安全傾向因子，就可以得到在不同的狀態(tài)、過程中一組信號。一個安全傾向因子可以是幾個甚至更多個信號的邏輯運算結(jié)果。
5）輸出冗余
對于部分重要設(shè)備，如滅磁開關(guān)、出口斷路器，為保證其在任何情況下的高可靠性動作，需要對每一個這樣的設(shè)備配置兩個開出通道，即配置冗余的通道，已保證其可靠性。有些電廠的出口斷路器。如隔河巖的，分閘就是兩個線圈，正常工作線圈和后備線圈，任何一個線圈勵磁，斷路器都會分閘。實際上就是設(shè)備的冗余。國電公司在“無人值班（關(guān)門運行）征求意見稿”中有過這樣的要求。
一般，冗余的通道動作策略有兩種：
一種是采用兩個冗余通道同時動作的策略；
另一種是采用在第一個通道動作失敗后，冗余的第二通道再動做的策略。
顯然同時動作不是很好，因為正常情況下，設(shè)備會正常動作。這種情況下，第二通道動作沒有必要，可能造成第一通道動作失敗后，第二冗余通道動作不能正常動作。
采用后一種辦法較好。監(jiān)視第一個通道動作，在一定時間內(nèi)，狀態(tài)沒有反饋回來，第二通道動作。這樣，第二通道幾乎沒有“表現(xiàn)的機會”，一旦讓他表演，他會“準確而恰如其分地表演”。在隔河巖計算機監(jiān)控改造工程中，就是采用這種方案，取得了比較理想的效果。
電源的冗余
電源的重要性不言而喻。再好的設(shè)備，不提供電源，什么都無從談起。在隔河巖計算機監(jiān)控改造工程中，采用了電源冗余技術(shù)。隔河巖電廠的主電源為DC110V，I/O電源為DC24V。在遠程站中，采用兩塊電源模塊相冗余，在CPU機箱采用單電源（每一個CPU機箱占用獨立的底板）。電廠提供兩路DC110V電源，一路DC110V電源提供給其中一個CPU機箱電源模塊和遠程站的一個電源模塊，另一路DC110V電源提供給另一個CPU機箱電源和遠程站的另一個電源模塊。兩路DC110V各通過DC/DC轉(zhuǎn)換產(chǎn)生DC24V，兩路DC24V之間形成冗余。正常情況下，兩路DC110V都供電，兩個CPU機箱一主一備正常工作，DC24V正常工作，遠程站上的兩塊電源各承擔(dān)該機箱一半負荷。當(dāng)一路DC110V故障時，其中一個CPU機箱能夠正常工作（當(dāng)備用CPU機箱上電源失去時，沒有什么操作，也沒有什么影響。當(dāng)主用CPU失去電源時，備用CPU無擾動切成主CPU），一路DC24V正常工作，遠程站上的其中一塊電源承擔(dān)該機箱全部負荷。這樣就實現(xiàn)了電源的冗余。
2．5交流采樣與變送器
交流采樣的使用越來越多，大有代替變送器的趨勢。但是，現(xiàn)在對于交流采樣的理解不是那么清楚。隔河巖計算機監(jiān)控改造工程中，關(guān)于交流采樣與變送器處理與使用是比較恰當(dāng)?shù)摹⒑线m的，是值得其它電站（廠）借鑒的。這里所說的合理與恰當(dāng)，當(dāng)然指的是交流量的處理，因為現(xiàn)在對于直流及非電量只能采用變送器進行采集處理。具體處理方法是：對于機組同期、機組有功功率、機組電壓（無功功率）、導(dǎo)葉開限等實時性、可靠性要求高的控制環(huán)節(jié)，采用變送器。而采用交流采樣裝置采集發(fā)電機的三相電流、三相電壓（相、線）、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等電氣參數(shù)。
2．6采用CableFast快速配線系統(tǒng)
按照常規(guī)的接線方式，各種I/O模塊到盤柜端子需要配線。隔河巖水電廠機組單機容量大，考慮的較完善，因此I/O點數(shù)多。開關(guān)量輸入有320點，開關(guān)量輸出有128點，溫度點數(shù)有64點，非電氣模擬量輸入有32點，模擬量輸出8點。共有I/O模塊25塊，每個模塊有40端子需要與端子現(xiàn)聯(lián)，至少要有1000線需要接。但現(xiàn)場安裝改造時間非常有限，必須采取效率更高的方法。采用施耐德的快速接線系統(tǒng)CableFast是一種好的解決方法。CableFast快速配線系統(tǒng)是施耐德公司的標準產(chǎn)品，它將Quantum接線端子與端子塊預(yù)先用電纜連接好，端子塊可以直接安裝在DIN導(dǎo)軌上，外部接線可以直接接在端子塊上，這樣就減少了配線的工作量，節(jié)省了大量時間，是一種比較好的方式。
2．7精心設(shè)計認真準備
為了使現(xiàn)場的配線、改造的工作量最小，也為以后的維護方便，需要精心地進行設(shè)計。合理布局，合理配置。一般外部端子接線不要改變，這樣就可以減少施工時間。另外，要進行充分的準備，各種配件、各種工具等，否則就會影響工期。在隔河巖現(xiàn)場改造過程中，我們較好解決了這個問題，使得現(xiàn)場的改造、裝配工作有條不紊地進行，在保障工期地前提下，使裝配地工藝操作原進口設(shè)備地工藝水平，得到電廠地好評。
3．結(jié)語
在清江隔河巖水電廠現(xiàn)地控制單元（LCU）改造中，在結(jié)構(gòu)、技術(shù)路線、實現(xiàn)方法上都有所創(chuàng)新。主要體現(xiàn)在水電行業(yè)首次使用QUANTUMPLC直接上網(wǎng)（取消工控機），體現(xiàn)在采用了雙機熱備冗余、雙網(wǎng)、部分I/O冗余及電源的冗余。
隔河巖水電廠的LCU尤其是機組LCUI/O點數(shù)多，是一般同規(guī)模機組的3到4倍。而且監(jiān)控系統(tǒng)的改造要求高，特別是時間短。在不到三周的時間里，要進行現(xiàn)場安裝、配線、調(diào)試，時間非常緊。經(jīng)過與電廠等有關(guān)方面的積極配合，隔河巖水電廠計算機改造工程已基本完成。目前，設(shè)備運行良好，預(yù)期的目標基本實現(xiàn)，效果是好的。