王革新（1965－）

    浙江臺(tái)州人，工程師，從事火力發(fā)電廠(chǎng)熱工過(guò)程自動(dòng)化管理和應(yīng)用。

1  概述

目前，我國(guó)多數(shù)大型火電廠(chǎng)的輔助系統(tǒng)是各自獨(dú)立、互不相連的。各輔助系統(tǒng)多采用可編程邏輯控制器（PLC）與上位機(jī)相結(jié)合的監(jiān)控模式，有各自的控制室和生產(chǎn)運(yùn)行人員。這種傳統(tǒng)的、分散型的監(jiān)控模式，造成設(shè)備和人員的重復(fù)配置，不利于集中管理和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)將各自獨(dú)立的輔助子系統(tǒng)連接成網(wǎng)，在維持原有控制設(shè)備分布的同時(shí)，在相對(duì)統(tǒng)一的控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)同類(lèi)輔助系統(tǒng)的集中監(jiān)控操作，正成為電廠(chǎng)輔助車(chē)間提高控制水平的發(fā)展方向和實(shí)現(xiàn)“減人增效”目標(biāo)的重要手段，也是電廠(chǎng)消除自動(dòng)化“孤島”現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)管控一體化的前提和基礎(chǔ)。

根據(jù)電廠(chǎng)輔助車(chē)間自身的特點(diǎn)，在構(gòu)建集中監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，需要著力解決四個(gè)方面的問(wèn)題：

(1)  構(gòu)建具有遠(yuǎn)距離傳輸能力、易于擴(kuò)展的、具有較高的帶寬和傳輸速率、具有良好的抗干擾能力和高可靠性工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)；

(2)  解決不同廠(chǎng)商的控制設(shè)備使用的不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、接口標(biāo)準(zhǔn)之間的數(shù)據(jù)通訊問(wèn)題，切實(shí)保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠傳輸；

(3)  設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)統(tǒng)一風(fēng)格的友好人機(jī)界面，從而滿(mǎn)足對(duì)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的監(jiān)控需要；

(4)  由于全廠(chǎng)輔控系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)龐大（一般大型電廠(chǎng)有15000點(diǎn)左右），需要解決輔控系統(tǒng)實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)可靠性和穩(wěn)定性問(wèn)題。

2  輔控網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性

由于輔控網(wǎng)絡(luò)連接著整個(gè)發(fā)電廠(chǎng)水、煤、灰等輔助控制系統(tǒng)，必須是實(shí)時(shí)的、可靠的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。控制系統(tǒng)早期采用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和政治等方面的原因，市場(chǎng)上沒(méi)有能夠統(tǒng)一到單一的標(biāo)準(zhǔn)，形成多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)并存的局面。由于不同現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之間的技術(shù)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)特征都不同，基于不同現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的產(chǎn)品之間不能實(shí)現(xiàn)透明信息互訪(fǎng)。而以太網(wǎng)以其速度快、技術(shù)發(fā)展迅速、擴(kuò)展性強(qiáng)、可以無(wú)限擴(kuò)展、協(xié)議開(kāi)放、便于自主開(kāi)發(fā)、設(shè)備通用、價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)控制系統(tǒng)領(lǐng)域。

2.1 輔控網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性

以太網(wǎng)在過(guò)去很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)被認(rèn)為不適合工業(yè)應(yīng)用是因?yàn)樵缙谝蕴W(wǎng)通信的不確定性。但是，交換技術(shù)、全雙工通信、快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)、VLAN、IGMP、端口優(yōu)先級(jí)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)使得以太網(wǎng)具有了實(shí)時(shí)性，成為一個(gè)確定性的網(wǎng)絡(luò)，也使以太網(wǎng)成為工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中首選的傳輸方式。交換技術(shù)打破了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的5-4-3原則，使以太網(wǎng)的規(guī)模和覆蓋范圍大幅度提高，從而戰(zhàn)勝眾多的局域網(wǎng)技術(shù)而一枝獨(dú)秀。

為了滿(mǎn)足電廠(chǎng)輔控系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性的要求，在選用以太網(wǎng)交換機(jī)時(shí)應(yīng)選用低延遲的工業(yè)交換機(jī)產(chǎn)品。辦公自動(dòng)化交換機(jī)產(chǎn)品的收發(fā)延遲一般約2～3毫秒，而工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)的收發(fā)延遲需要控制在數(shù)個(gè)微秒級(jí)，才能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求。

此外，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議，如Ethernet/IP等，會(huì)產(chǎn)生大量的多播數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到多播數(shù)據(jù)時(shí)，普通交換機(jī)會(huì)將其作為廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 即將它傳送到所有的端口。所以必須選擇支持IGMP Snooping的工業(yè)交換機(jī)，它能識(shí)別多播數(shù)據(jù)包并只將它發(fā)送到指定的端口。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大時(shí)，為了防止廣播風(fēng)暴，還應(yīng)采用VLAN技術(shù)克服交換網(wǎng)絡(luò)中廣播對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的限制，進(jìn)一步擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。在實(shí)時(shí)性要求較高的情況下，或者對(duì)三網(wǎng)合一的系統(tǒng)（如數(shù)據(jù)、視頻和音頻合一），需要選用支持端口優(yōu)先級(jí)的交換機(jī)產(chǎn)品，以確保實(shí)時(shí)性要求高的控制數(shù)據(jù)或語(yǔ)音以高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸。

2.2  輔控網(wǎng)絡(luò)的可靠性

由于發(fā)電廠(chǎng)輔控網(wǎng)絡(luò)連接著全廠(chǎng)的輔助控制系統(tǒng)，關(guān)系著全廠(chǎng)輔助系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)可靠性成為構(gòu)建輔控網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要考慮的一個(gè)最主要因素。可靠性可以用公式描述為：

R=MTBF／(MTBF+MTI-R)

其中R為可靠性，MTBF為平均無(wú)故障時(shí)間，MTI-R為平均故障修復(fù)時(shí)間。因此，增大可靠性的有效思路是增大平均無(wú)故障時(shí)間或者減少平均故障修復(fù)時(shí)間。

在構(gòu)建電廠(chǎng)輔控的過(guò)程中，一方面要盡量遵循“管理集中、控制分散”的原則，減少風(fēng)險(xiǎn)的集中，并采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)滿(mǎn)足不同的冗余要求。由于電廠(chǎng)電磁干擾大，應(yīng)盡量采用光纖介質(zhì)來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)的抗電磁干擾能力。另一方面在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的選型時(shí)需要考慮電磁兼容性、工作溫度、防震等指標(biāo)是否能滿(mǎn)足電廠(chǎng)惡劣環(huán)境的要求。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)一般是和控制器一起安裝在控制柜中，因此必須是工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，最好采用卡軌方式安裝，無(wú)風(fēng)扇散熱方式，工作溫度范圍需要從0到55～60℃。此外，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的MTBF值一般要遠(yuǎn)小于組成元素的MTBF值，但在很大程度上它也取決于組成元素的MTBF值，因此在選擇工業(yè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品時(shí)需要選擇MTBF值盡可能高的產(chǎn)品，一般情況下現(xiàn)場(chǎng)卡軌式交換機(jī)的MTBF值要在15年以上。

同時(shí)，要盡量減小平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR。因此需要選用帶有SNMP網(wǎng)絡(luò)管理功能的交換機(jī)，這樣可以采用WEB方式或網(wǎng)絡(luò)管理軟件對(duì)交換機(jī)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、診斷、故障定位和管理。需要注意的是SNMP網(wǎng)絡(luò)管理概念非常廣泛，對(duì)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)來(lái)說(shuō)，對(duì)SNMP TRAP(故障陷阱)的支持可以在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警。

3  輔控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊

在發(fā)電廠(chǎng)的輔助系統(tǒng)中，控制設(shè)備往往不同生產(chǎn)廠(chǎng)商的產(chǎn)品，通訊設(shè)備的接口協(xié)議也不盡相同。因此，在組建全廠(chǎng)輔控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，必須要有統(tǒng)一的通信和接口方式來(lái)解決不同種類(lèi)設(shè)備間的通訊問(wèn)題。依據(jù)上述對(duì)輔控網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性的分析，以及發(fā)電廠(chǎng)的實(shí)際情況，在構(gòu)建輔控網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)時(shí)，建議注意以下幾點(diǎn)：

(1)  輔控網(wǎng)絡(luò)最好采用工業(yè)以太網(wǎng)，因?yàn)槟壳爸挥泄I(yè)以太網(wǎng)可以提供從工廠(chǎng)設(shè)備層到廠(chǎng)級(jí)信息的全網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)支持，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和PLC專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)還不可能提出這么大范圍的信息傳輸能力。為了符合電廠(chǎng)未來(lái)的發(fā)展和改造，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)最好采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有網(wǎng)管功能，同時(shí)支持IE瀏覽器管理。

(2)  輔控系統(tǒng)和PLC、監(jiān)控軟件接口，以及與第三方通信接口最好采用OPC規(guī)范，并且要求OPC支持遠(yuǎn)程通信。

(3)  為了符合國(guó)家對(duì)電廠(chǎng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全的規(guī)定，輔控網(wǎng)絡(luò)與電廠(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的接口必須是單向通信，數(shù)據(jù)只能從輔控系統(tǒng)送到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

4  高可用性輔控網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

組建高可用性的發(fā)電廠(chǎng)輔控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可采用多種方案，根據(jù)筆者對(duì)輔控網(wǎng)絡(luò)的工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的特性，星環(huán)混合型輔控網(wǎng)絡(luò)具有最高的可靠性和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，如圖1所示。

每個(gè)輔助車(chē)間控制配置有就地備用操作站，以及冗余工業(yè)交換機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)輔助控制系統(tǒng)通過(guò)冗余的交換機(jī)上聯(lián)到集控室。當(dāng)全部完成輔控系統(tǒng)改造，進(jìn)行集中控制，也可以取消就地備用操作站。現(xiàn)場(chǎng)輔助控制系統(tǒng)交換機(jī)采用超級(jí)冗余環(huán)技術(shù)（如赫斯曼電子公司的Hyper-Ring）配置成容錯(cuò)環(huán)網(wǎng)，當(dāng)環(huán)網(wǎng)某一點(diǎn)發(fā)生故障，系統(tǒng)可以在<300ms的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常工作，PLC和交換機(jī)端口可以根據(jù)需要配置不同的冗余度。輔控系統(tǒng)集中控制中心網(wǎng)絡(luò)也配置成容錯(cuò)環(huán)網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)輔控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和集控中心網(wǎng)絡(luò)之間采用環(huán)間冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)之間的冗余連接，確保冗余切換時(shí)間<300ms。

圖1  星環(huán)混合形結(jié)構(gòu)輔控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

 這樣，整個(gè)輔控網(wǎng)絡(luò)不僅具有環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的切換快速、安全可靠的特點(diǎn)，還綜合了星形網(wǎng)絡(luò)多路交換、施工方便、擴(kuò)展靈活的功能，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。

5  高可用性輔控網(wǎng)絡(luò)的軟件配置

為了組建高可用性輔控網(wǎng)絡(luò)，除了配置冗余交換機(jī)、PLC通訊模板及對(duì)等操作員站和容錯(cuò)服務(wù)器外，還必須合理配置整個(gè)輔控系統(tǒng)的監(jiān)控軟件架構(gòu)。監(jiān)控軟件是輔控系統(tǒng)的核心，它完成了與PLC或其它智能儀表的通訊接口和驅(qū)動(dòng)，實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的定義，工藝系統(tǒng)畫(huà)面的組態(tài)、鏈接和實(shí)時(shí)監(jiān)控，報(bào)警、報(bào)表、故障查詢(xún)、事故追憶等功能的實(shí)現(xiàn)。因此，所有輔控子系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控軟件必須選擇高性能的可靠的統(tǒng)一的產(chǎn)品。

由于全廠(chǎng)輔控系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)龐大，全廠(chǎng)輔控系統(tǒng)軟件架構(gòu)最好采用基于分布式過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)的客戶(hù)/服務(wù)器（DBC）模式。雖然基于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的客戶(hù)/服務(wù)器的控制系統(tǒng)需要監(jiān)控的I/O點(diǎn)數(shù)巨大，但由于只通過(guò)區(qū)域（或現(xiàn)場(chǎng)）服務(wù)器與現(xiàn)場(chǎng)操作站通信，集控層操作站的數(shù)據(jù)由服務(wù)器廣播而來(lái)，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信負(fù)荷不會(huì)產(chǎn)生很大的影響，對(duì)集控層的操作站的硬件要求也大大降低，但由于要實(shí)現(xiàn)全廠(chǎng)輔助系統(tǒng)集中監(jiān)控，要求服務(wù)器或現(xiàn)場(chǎng)操作站必須冗余配置或配置容錯(cuò)服務(wù)器。另外，最好設(shè)單獨(dú)的歷史站，用于降低服務(wù)器的負(fù)荷和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

6  結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合火力發(fā)電廠(chǎng)輔助控制系統(tǒng)的實(shí)際情況，從工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和輔控系統(tǒng)軟件架構(gòu)等幾方面出發(fā)，初步探討了組建高可用性輔控網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，希望能供有關(guān)的工程技術(shù)人員參考。

此外，全廠(chǎng)輔控系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，除了本文探討的技術(shù)外，很大程度上取決于輔助系統(tǒng)本身的可用性，如執(zhí)行機(jī)構(gòu)質(zhì)量、限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作是否靈活可靠、變送器是否準(zhǔn)確無(wú)誤；另外，由于控制中心遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)，所有自動(dòng)控制流程所涉及的一次設(shè)備應(yīng)是可控的，不能有手動(dòng)閥之類(lèi)的設(shè)備，這樣才能確保在控制中心對(duì)各輔助系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)控。