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
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)
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。