隔河巖電廠(chǎng)改造分析論文

　　摘要：本文結合清江隔河巖水電廠(chǎng)計算機監控系統現地控制單元改造工程，重點(diǎn)探討了在國內大型水電廠(chǎng)首次使用施耐德以太網(wǎng)產(chǎn)品實(shí)現直接上網(wǎng)LCU的新型結構，討論了在這種結構下實(shí)現輸入、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(shí)現開(kāi)關(guān)量輸入冗余的方法。分析了國際電工委員會(huì )IEEE1131五種語(yǔ)言FBD、LD、SFC、ST、IL各自不同特點(diǎn)，討論了使用結構化文本（ST）編寫(xiě)PLC程序應采用的策略和方法。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(chǎng)現地進(jìn)行LCU改造縮短工期的有效途徑。

　　關(guān)鍵詞：水電廠(chǎng)現地控制單元改造結構無(wú)人值班

　　經(jīng)過(guò)多年努力，計算機監控系統在水電廠(chǎng)及其它領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛。對于水電廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，采用一套結構合理、功能完善、可靠性高、人機界面友好的計算機監控系統，是水電廠(chǎng)提高安全生產(chǎn)水平，實(shí)現“無(wú)人值班（關(guān)門(mén)運行）”的環(huán)節。非�？上驳氖�，經(jīng)過(guò)國內同行們的努力，國內計算機監控技術(shù)的發(fā)展很快，已經(jīng)接近或達到同類(lèi)產(chǎn)品的國際先進(jìn)水平。

　　隨著(zhù)近幾年計算機硬件、軟件的快速發(fā)展，國內計算機監控技術(shù)不斷得到發(fā)展。本文作者參加了清江隔河巖水電廠(chǎng)計算機監控系統改造工程，現就該廠(chǎng)LCU改造的特點(diǎn)，改造中所采用的新技術(shù)及LCU新型結構，進(jìn)行初步探索，談一下個(gè)人的看法，不當之處，希望批評指正。

　　1．監控系統改造的目標

　　隔河巖水電廠(chǎng)原采用加拿大的計算機監控系統，已穩定運行多年，為該廠(chǎng)安全生產(chǎn)及創(chuàng )國內一流水電廠(chǎng)作出了應有的貢獻。但隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展，對電力系統、對電廠(chǎng)的要求越來(lái)越高，向國際的一流水電廠(chǎng)的技術(shù)、管理水平看齊，創(chuàng )建國際一流水電廠(chǎng)，從而實(shí)現管理水平高、技術(shù)先進(jìn)、人員進(jìn)一步精練、關(guān)門(mén)運行的目標，勢在必行。一方面，原有的系統功能已不能滿(mǎn)足要求，另一方面備品備件訂貨越來(lái)越困難，而且價(jià)格非常高，對電廠(chǎng)的安全運行形成隱患。為此對老系統必須進(jìn)行更新改造，以便為創(chuàng )國際一流水電廠(chǎng)打下堅實(shí)的基礎。對于LCU，改造的方法是：現地設備僅保留原有的盤(pán)柜柜體、自動(dòng)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(dòng)化所提供了五套LCU，本文作者參加了LCU的研制、現場(chǎng)安裝調試等改造工作，本文是對改造工作的總結和思考。

　　2．LCU改造的特點(diǎn)

　　2．1控制流程方式不同

　　原監控系統是加拿大CAE研制的，CAE的模式與國內的一貫做法有很大差異。比如，開(kāi)機有九大步，停機也有九大步。對于常規水電廠(chǎng)的機組，而我們的一貫做法是五態(tài)轉換，所謂五態(tài)即停機態(tài)、空轉態(tài)、空載態(tài)、發(fā)電態(tài)、不定態(tài)（前四種狀態(tài)中過(guò)渡狀態(tài)稱(chēng)為不定態(tài)）。（對于有調相任務(wù)的機組，還有調相態(tài)；對于抽水蓄能機組，還有水泵態(tài)；但不在討論的常規機組范圍之內。）機組一定處于五種狀態(tài)之中。機組的開(kāi)機、停機、解列、解列后并網(wǎng)等操作，不過(guò)就是機組在的停機態(tài)、空轉態(tài)、空載態(tài)、發(fā)電態(tài)四種狀態(tài)間的轉換。雖然兩種表示方法實(shí)質(zhì)是一致的，但習慣于五態(tài)轉換的人，要熟悉開(kāi)機、停機各九大步，需要一定的時(shí)間�？紤]到電廠(chǎng)從運行人員到檢修維護人員都諳熟這開(kāi)、停機九大步這一因素，雖然編程與調試都需要付出較大的努力去適應，還是采用了原來(lái)的開(kāi)、停機九大步形式，以方便電廠(chǎng)人員的運行與維護。

　　2．2使用結構化文本語(yǔ)言來(lái)編程

　　原有計算機監控系統的LCU的程序是使用文本化語(yǔ)言編寫(xiě)的，它的風(fēng)格與C語(yǔ)言相類(lèi)似。與機組開(kāi)停機形式采用各九大步相類(lèi)似，由于電廠(chǎng)維護人員熟悉文本化語(yǔ)言，要求全部采用文本化的編程語(yǔ)言編寫(xiě)LCU的程序。在使用可編程控制器（以下稱(chēng)為PLC）時(shí)，我們通常使用梯形圖的語(yǔ)言。它的好處是編程易學(xué)、直觀(guān)、與電氣二次展開(kāi)圖極為相似，非常適合電廠(chǎng)人員掌握，可以使現場(chǎng)維護人員方便的進(jìn)行對程序的維護。在隔河巖計算機監控系統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(huì )IEEE1131的標準的全部五種語(yǔ)言，即：支持FBD（FunctionBlockDiagram功能塊圖）、SFC（SequentialFunctionChart順序功能圖）、LD（LaddarDiagram梯形圖）、ST（StructuredText結構化文本）和IL（Instructionpst指令表）五種語(yǔ)言。前三種語(yǔ)言是圖形方式，后兩種是文本方式。由于指令表IL語(yǔ)言指令的特點(diǎn)，具有可讀性差，指令簡(jiǎn)單，不直觀(guān)，可移植能力差，非結構化文本（有JUMP指令），數據處理能力不強（無(wú)循環(huán)FOR語(yǔ)句），只能適合較小規模的控制。ST語(yǔ)言是一種結構化的文本語(yǔ)言。它與C語(yǔ)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(yǔ)句，數據處理能力非常強，沒(méi)有GOTO、JUMP或類(lèi)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(guān)，與電氣二次展開(kāi)圖相去較遠。另外，它的不足之處是占用較多內存且掃描周期要長(cháng)一些（均與FBD、LD、SFC相比）。上面提到了LD語(yǔ)言的一些優(yōu)點(diǎn)，FBD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(yǔ)句，數據處理能力不夠強。根據我個(gè)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相結合；（3）使用ST與LD相結合。（2）和（3）兩種方法能夠將兩種語(yǔ)言的特點(diǎn)結合起來(lái)，是比較好的方式。因為用數據處理能力強的文本化語(yǔ)言處理數據，用直觀(guān)性好的LD或FBD編制順控流程，現場(chǎng)的技術(shù)人員能夠比較容易接受、容易理解、容易接受�，F場(chǎng)的技術(shù)人員最關(guān)心的是順控流程。我個(gè)人比較傾向于（3）的方式。

　　但是對于熟悉使用C語(yǔ)言或類(lèi)似C語(yǔ)言的其它文本化語(yǔ)言的工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，或者對于特別復雜的順控流程用LD或FBD實(shí)現很困難的情況，使用結構化文本ST語(yǔ)言是一個(gè)明智的選擇。隔河巖的情況就是這樣，他們原來(lái)加拿大CAE計算機監控的LCU的全部流程是用類(lèi)似C語(yǔ)言的文本化的語(yǔ)言編制的，他們的機組順控流程也很復雜，因此電廠(chǎng)要求所有流程使用ST語(yǔ)言編制。這樣，改造后的LCU的程序，與原來(lái)的程序風(fēng)格上接近，電廠(chǎng)的技術(shù)人員比較容易理解和維護。實(shí)踐證明，選擇ST語(yǔ)言是正確的。

　　2．3PLC直接上網(wǎng)

　　經(jīng)過(guò)多年探索和實(shí)踐，計算機監控系統普遍采用分層、分布的系統結構，也就是按照被控設備分成單元，即LCU�，F在較為普遍的LCU一般由工控機、控制器（PLC：用于數據采集和控制）、自動(dòng)準同期裝置、轉速裝置、變送器、電源等附件組成。工控機作為計算機監控系統內部網(wǎng)上的一個(gè)結點(diǎn)，各種數據經(jīng)過(guò)工控機送到網(wǎng)上各個(gè)結點(diǎn)，控制命令經(jīng)工控機下達到控制器等設備。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(pán)驅動(dòng)器、軟驅等旋轉部件的存在，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)�，F在國際上知名的幾大廠(chǎng)家的PLC均能夠實(shí)現直接上網(wǎng)，如施耐德公司全線(xiàn)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(mén)子公司的有關(guān)PLC、羅克韋爾PLC的有關(guān)系列控制器。

　　在隔河巖計算機監控改造工程中，采用了直接上網(wǎng)的形式。但它的結構還是符合分層分布（單元）式的結構原則。這種結構是符合“無(wú)人值班（關(guān)門(mén)運行）”的目標的。

　　2．4冗余結構

　　雙機熱備冗余

　　現在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(mǎn)足隔河巖這種大型骨干電廠(chǎng)“無(wú)人值班（關(guān)門(mén)運行）”對LCU的要求，同時(shí)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）熱備結構。雙機熱備的實(shí)現有兩種放方式，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(wú)擾切換。也就是切換的過(guò)程要保證控制連續進(jìn)行、數據不丟失。這一點(diǎn)是非常重要的。

　　在隔河巖計算機監控改造工程中，采用了施耐德公司Quantum系列PLC雙機熱備結構。當主控CPU故障或電源失去時(shí)，自動(dòng)切換到備用CPU，備用CPU自動(dòng)升為主控CPU，實(shí)現無(wú)擾切換。當進(jìn)行維護時(shí)，可以手動(dòng)進(jìn)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(lái)說(shuō)，它與系統的其它結點(diǎn)的連接方式，或說(shuō)組網(wǎng)方式，現在普遍采用以太網(wǎng)，而且采用光纖作為介質(zhì)。單網(wǎng)的可靠性已經(jīng)很高，但考慮其它不可預見(jiàn)的機械物理上的等因數，可以考慮采用雙光纖以太網(wǎng)。

　　隔河巖計算機監控系統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(shí)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(shí)間切換過(guò)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(shí)現的功能。

　　與遠程機箱的聯(lián)結電纜冗余

　　一般情況，一個(gè)LCU單元需要幾個(gè)擴展機箱。如隔河巖項目，它有五個(gè)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(chēng)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(chǎng)，單機32萬(wàn)千瓦，PLC的主機箱在上游側，其中一個(gè)遠程站在下游側。在該電站，采用雙纜連接主機箱與該遠程站，一跟從左側走線(xiàn)，一跟從右側走線(xiàn)，這樣一旦一側有火災、機械損傷等不可預見(jiàn)性的因素，不影響系統的正常運行。

　　在隔河巖計算機監控改造工程中，也采用了雙纜的結構。

　　輸入冗余

　　一般來(lái)說(shuō)，輸入的冗余應該采用三取二的方法，即少數服從多數的方法。通用電氣公司GE系列PLC有這樣的硬件結構，從CPU、輸入、輸出都三重冗余，以滿(mǎn)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(shí)在沒(méi)有必要。但是，對于少數重要的信號，如用于事故停機、緊急事故停機的信號、重要設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(wèn)題。在隔河巖計算機監控改造工程中，就遇到這樣的問(wèn)題。處理的方法是采用安全傾向因子，在不同的狀態(tài)、過(guò)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(guò)程中一組信號。一個(gè)安全傾向因子可以是幾個(gè)甚至更多個(gè)信號的邏輯運算結果。

　　5）輸出冗余

　　對于部分重要設備，如滅磁開(kāi)關(guān)、出口斷路器，為保證其在任何情況下的高可靠性動(dòng)作，需要對每一個(gè)這樣的設備配置兩個(gè)開(kāi)出通道，即配置冗余的通道，已保證其可靠性。有些電廠(chǎng)的出口斷路器。如隔河巖的，分閘就是兩個(gè)線(xiàn)圈，正常工作線(xiàn)圈和后備線(xiàn)圈，任何一個(gè)線(xiàn)圈勵磁，斷路器都會(huì )分閘。實(shí)際上就是設備的冗余。國電公司在“無(wú)人值班（關(guān)門(mén)運行）征求意見(jiàn)稿”中有過(guò)這樣的要求。

　　一般，冗余的通道動(dòng)作策略有兩種：

　　一種是采用兩個(gè)冗余通道同時(shí)動(dòng)作的策略；

　　另一種是采用在第一個(gè)通道動(dòng)作失敗后，冗余的第二通道再動(dòng)做的策略。

　　顯然同時(shí)動(dòng)作不是很好，因為正常情況下，設備會(huì )正常動(dòng)作。這種情況下，第二通道動(dòng)作沒(méi)有必要，可能造成第一通道動(dòng)作失敗后，第二冗余通道動(dòng)作不能正常動(dòng)作。

　　采用后一種辦法較好。監視第一個(gè)通道動(dòng)作，在一定時(shí)間內，狀態(tài)沒(méi)有反饋回來(lái)，第二通道動(dòng)作。這樣，第二通道幾乎沒(méi)有“表現的機會(huì )”，一旦讓他表演，他會(huì )“準確而恰如其分地表演”。在隔河巖計算機監控改造工程中，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。再好的設備，不提供電源，什么都無(wú)從談起。在隔河巖計算機監控改造工程中，采用了電源冗余技術(shù)。隔河巖電廠(chǎng)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(gè)CPU機箱占用獨立的底板）。電廠(chǎng)提供兩路DC110V電源，一路DC110V電源提供給其中一個(gè)CPU機箱電源模塊和遠程站的一個(gè)電源模塊，另一路DC110V電源提供給另一個(gè)CPU機箱電源和遠程站的另一個(gè)電源模塊。兩路DC110V各通過(guò)DC/DC轉換產(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(gè)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該機箱一半負荷。當一路DC110V故障時(shí)，其中一個(gè)CPU機箱能夠正常工作（當備用CPU機箱上電源失去時(shí)，沒(méi)有什么操作，也沒(méi)有什么影響。當主用CPU失去電源時(shí)，備用CPU無(wú)擾動(dòng)切成主CPU），一路DC24V正常工作，遠程站上的其中一塊電源承擔該機箱全部負荷。這樣就實(shí)現了電源的冗余。

　　2．5交流采樣與變送器

　　交流采樣的使用越來(lái)越多，大有代替變送器的趨勢。但是，現在對于交流采樣的理解不是那么清楚。隔河巖計算機監控改造工程中，關(guān)于交流采樣與變送器處理與使用是比較恰當的、合適的，是值得其它電站（廠(chǎng)）借鑒的。這里所說(shuō)的合理與恰當，當然指的是交流量的處理，因為現在對于直流及非電量只能采用變送器進(jìn)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(wú)功功率）、導葉開(kāi)限等實(shí)時(shí)性、可靠性要求高的控制環(huán)節，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(xiàn)）、有功功率、無(wú)功功率、功率因數等電氣參數。

　　2．6采用CableFast快速配線(xiàn)系統

　　按照常規的接線(xiàn)方式，各種I/O模塊到盤(pán)柜端子需要配線(xiàn)。隔河巖水電廠(chǎng)機組單機容量大，考慮的較完善，因此I/O點(diǎn)數多。開(kāi)關(guān)量輸入有320點(diǎn)，開(kāi)關(guān)量輸出有128點(diǎn)，溫度點(diǎn)數有64點(diǎn)，非電氣模擬量輸入有32點(diǎn)，模擬量輸出8點(diǎn)。共有I/O模塊25塊，每個(gè)模塊有40端子需要與端子現聯(lián)，至少要有1000線(xiàn)需要接。但現場(chǎng)安裝改造時(shí)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(xiàn)系統CableFast是一種好的解決方法。CableFast快速配線(xiàn)系統是施耐德公司的標準產(chǎn)品，它將Quantum接線(xiàn)端子與端子塊預先用電纜連接好，端子塊可以直接安裝在DIN導軌上，外部接線(xiàn)可以直接接在端子塊上，這樣就減少了配線(xiàn)的工作量，節省了大量時(shí)間，是一種比較好的方式。

　　2．7精心設計認真準備

　　為了使現場(chǎng)的配線(xiàn)、改造的工作量最小，也為以后的維護方便，需要精心地進(jìn)行設計。合理布局，合理配置。一般外部端子接線(xiàn)不要改變，這樣就可以減少施工時(shí)間。另外，要進(jìn)行充分的準備，各種配件、各種工具等，否則就會(huì )影響工期。在隔河巖現場(chǎng)改造過(guò)程中，我們較好解決了這個(gè)問(wèn)題，使得現場(chǎng)的改造、裝配工作有條不紊地進(jìn)行，在保障工期地前提下，使裝配地工藝操作原進(jìn)口設備地工藝水平，得到電廠(chǎng)地好評。

　　3．結語(yǔ)

　　在清江隔河巖水電廠(chǎng)現地控制單元（LCU）改造中，在結構、技術(shù)路線(xiàn)、實(shí)現方法上都有所創(chuàng )新。主要體現在水電行業(yè)首次使用QUANTUMPLC直接上網(wǎng)（取消工控機），體現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(chǎng)的LCU尤其是機組LCUI/O點(diǎn)數多，是一般同規模機組的3到4倍。而且監控系統的改造要求高，特別是時(shí)間短。在不到三周的時(shí)間里，要進(jìn)行現場(chǎng)安裝、配線(xiàn)、調試，時(shí)間非常緊。經(jīng)過(guò)與電廠(chǎng)等有關(guān)方面的積極配合，隔河巖水電廠(chǎng)計算機改造工程已基本完成。目前，設備運行良好，預期的目標基本實(shí)現，效果是好的。