PLC CS1D在火电厂135MW机组现场总线控制系统（FCS）中的应用 陈 萍 [摘要] 本文介绍了现场总线控制系统（FCS）的特点，分析了火电厂的工艺特点，并针对这些特点在白杨河火电厂2*135MW机组现场总线控制系统中的应用探讨了PLC CS1D、现场总线Controller Link和DeviceNet的选择。 [关键词] FCS 现场总线 火电厂 CS1D Controller Link DeviceNet 前言 随着计算机网络技术的发展，由全数字现场控制系统代替数字与模拟分散型控制系统已成为工业化控制系统结构发展的必然趋势。以现场总线为基础的全数字控制系统是当今世界各国关注的热点问题。 现场总线控制系统是一种全数字、串行、双向的通信系统，通过该系统将传感器、执行器与控制器等“现场”设备相互联结起来，形成具有控制功能的系统。它最大的优势就是：可互操作性、数据有效性、易扩展和低费用以及更高的安全性的特点。 众所周知，电力行业以其要求高可靠性、快速性而著称，目前电力行业如火力发电厂所采用的电力监控系统多为分布式控制系统（Distributed Control System,简称DCS），以分散控制、集中管理为特点，其检测点数达到了数千点甚至万点以上，因此大量信息在DCS的出入口处形成了“瓶颈”，影响了系统的可靠性，增加了工程设计、施工与维护的难度与工作量，其危险分散、控制集中的特点并不能彻底实现。 而现场总线控制系统（FieldBus Control System，简称FCS），将电厂DCS中控制站的功能彻底分散给智能型现场设备，从而形成独立的控制回路，这样减轻了DCS的负担，提高了系统的可靠性，而且节约了大量的电缆，极大的降低了系统的运营和维护成本。 目前比较流行的现场总线如ControlNet，DeviceNet，Profibus，FF等，但仍然没有形成一个统一的现场总线标准。在我国，DeviceNet已于今年4月通过了国家标准，成为我国唯一的现场总线标准（GB/T 18858.3-2002）。欧姆龙公司作为ODVA协会的成员之一，积极参与倡导这一标准，并成为其产品制造商之一，在火力发电厂进行了成功的应用。 本文以CS1D在白杨河电厂135MW的2套火力发电机组4#机组和5#机组中的成功应用来探讨欧姆龙PLC CS1D在现场总线控制系统中的应用。这是继华能福州电厂1号350MW发电机组使用现场总线并且用PLC来进行整个系统控制的又一个实例。 系统分析 白杨河火力发电厂4-5#机组改造系统包括模拟量控制系统（MCS）、顺序控制系统（SCS）、锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）、数字电液控制系统（DEH）、吹灰控制系统、电气监控系统（ECS）和公用系统七大系统。 MCS将锅炉、汽机和发电机组作为一个整体进行控制，使锅炉和汽机同时响应控制要求，确保机组快速和稳定地满足负荷的变化，并保持稳定的运行。同时，它将系统划分为若干个子系统，并且协调控制系统与其他系统如DEH、BPC等之间的动作。因此，这里主要包括锅炉控制、汽机控制和发电机组控制及MCS对它们之间的协调控制。锅炉控制系统主要是根据机组的负荷指令来对燃料（煤）和风量进行控制，多为模拟量的回路控制，如给煤机控制、二次风量控制、一次风压力控制、床温控制等等。汽机控制则是控制系统根据机组负荷指令，向汽机控制系统（DEH）发出汽机调门开度指令信号，从而对汽轮机的转速和负荷进行控制。旁路控制（BPC）主要用于控制锅炉内产生的过量蒸汽。控制系统能提供滑压运行方式，并能以协调控制、锅炉跟随和汽机跟随的方式全自动运行。SCS主要用于启/停一系列的设备，因此要求控制系统具备快速地响应能力。FSSS包括燃烧器控制系统（BCS）和燃料安全系统（FSS）。BCS主要用来管理燃烧器的投入和切除，FSS则用于防止炉膛内燃料和空气混合物产生的不安全工况，因此要求系统具备极高地可靠性。DEH主要对汽轮机的转速和负荷进行控制。由于汽轮机在电力生产中所处的重要位置，因此要求对汽轮机的控制能够迅速响应系统的负荷，从而对转速加以调整，并且系统的动态性能（转速超调量、响应时间等）要求在一定的范围内。另外，吹灰控制系统、ECS和公用系统在电力生产中也对控制系统提出了很高的要求。 结合上述火力发电生产的工艺要求，比较现有DCS系统和FCS系统，经过招投标，最后我们推荐选择了欧姆龙公司PLC CS1D和包括了Ethernet、Controller Link、DeviceNet网络在内的现场总线控制系统。系统的整体结构框图如图1所示。 图1：白杨河电厂现场总线控制系统结构图 系统硬件结构及选择 从90年代以来，根据国家规定，火电厂都是采用的基于4C技术的DCS系统，因此工厂人员普遍接触的都是DCS系统，对PLC没有多少实际的操作和维护经验。因此选择PLC时应考虑其易用性和先进性，另外货源是否充足、中文资料是否齐备、备品备件是否容易、技术服务是否方便等等问题也应当考虑在内。 根据前文分析及火力发电特殊工艺的要求，我们选用了Omron的新型PLC CS1D。因为控制系统（如MCS、DEH等）要求极高的可靠性和快速性，因此必须选择带冗余CPU的FCS系统。CS1D是欧姆龙高度可靠的可编程控制器PLC系统，在同一个底板上可安装双CPU、双电源、双通信模块（Ethernet模块或Controller Link模块）、一个双机DPL单元，从而实现了真正的硬件上的冗余。CS1D能连续控制操作，并在错误或误操作下不需要关断整个系统就恢复。甚至当运行CPU单元中发生错误时，备用CPU单元可连续操作，这样就防止了系统关机。同时，有了双机电源单元和通信单元，CS1D提供了供电系统或活动通信单元中发生错误时的高度可靠性，而且，CS1D提供了各种维护功能，如在线单元更换和双机操作的自动恢复，使系统发生错误时不关整个系统就能进行连续控制操作和快速恢复。 在本FCS系统中，根据系统快速性和可靠性的要求，对包括MCS、DEH、SCS、FSSS等在内的控制系统中，全部采用了CS1D构成双机冗余系统。冗余系统可将可能发生的风险降低到规定的水平以下，并最大限度的降低所需的费用，提高系统的性能。CS1D的高速的CPU处理速度（基本指令的处理速度为20ns），是在硬件上支持顺序控制系统高速性的基础，它在同等档次PLC产品中的CPU处理速度是最快的。冗余系统则是在硬件上支持可靠性的基础，是目前仅有的真正的硬双机冗余系统。（当然，理论上讲，控制系统的快速性和稳定性主要受系统的控制结构和调节方式等因素的影响，但是硬件的高速可靠性是实现系统稳定性和快速性的前提和条件，因此，我们这里主要讨论了系统的硬件架构及选型）。 系统的网络构成及选择 白杨河火电厂现场总线控制系统的结构以面向网络为基础。系统中，系统级设备采用以太网Ethernet和光纤环网Controller Link等通用网络设备连接高性能的微机、工作站、服务器，在被控设备现场则采用PLC CS1D，再通过现场总线与基础层的智能I/O设备、智能仪表、远程I/O等相连接构成现场控制子系统，与厂级系统结合形成整个现场总线控制系统。 智能控制器通过现场总线DeviceNet将现场数据采集上来后（这里使用双绞线连接，传输速率为500Kbps），通过现场总线Controller Link（使用光纤，传输速率为2Mbps）快速的上传到工作站上，为了保证PLC与计算机、PLC与PLC之间的高速可靠的通信，将所有的PLC系统构成2个Controller Link 冗余令牌环网，对于重要的现场实时数据和历史数据，通过以太网（使用了同轴电缆，通信速率10Mbps）传送到数据库服务器或者管理级计算机，为了保证以太网传输的可靠性，在每台PLC上都安装了2个以太网模块，从而构成了冗余的以太网。 上面用到的三种网络分别属于三层：即信息层、控制层和设备层。Ethernet是最通用的信息层网络，采用TCP/IP协议进行信息传输。系统的拓扑结构采用星形连接的方式，构成双以太网模块的冗余网络。 Controller Link是高速现场总线，用来实现控制设备PLC与PLC以及计算机之间的通信。Controller Link采用N:N令牌总线或光纤环网，从而提高了对网络故障的处理能力，不会因为网络的单个节点发生故障而使整个网络停止运行。它在500m内的通信速率恒定为2Mps，最大的节点数62个，采用线缆时的通信距离，再不接续的情况下为1Km，采用光纤时节点间距为2Km，最大环网通信距离为30Km。Controller Link的性价比非常高，其特点主要有：1.高可靠性，具有RAS功能，可维护性好。2.大容量的数据链接功能使得用户不必编程也能很好的完成通信功能。3.灵活的网络互连。可以通过Omron PLC或ONC与其他网络进行互联，如常用的Ethernet，Profibus/DP，ModBus等，还可实现跨网络的数据共享。4.可以使用简单的双绞线电缆连接，或者采用GI光缆连接。 本系统在程控系统中（SCS）采用了现场总线-DeviceNet现场总线，构成远程I/O系统。对于现场控制单元，智能控制器加上现场总线技术应是一个很好的发展趋势，它具有如下技术特点： • 系统开放性； • 互可操作性与可用性； • 现场设备的智能化与功能自治性； • 系统结构的高度分散性； • 对现场环境的适应性。