NA400可編程控制器在水電自動化中的應用

　　本文首先介紹了國產NA400可編程控制器的系統體系結構及配置，重點從編程與調試環境、系統通信網絡、系統可靠性設計、針對水電廠的設計、性能價格比等方面介紹了NA400可編程控制器的技術特點，最后介紹了以NA400可編程控制器為核心控制平臺的工程應用實例。NA400可編程控制器與傳統PLC相比在順序控制圖編程、特色功能塊、系統的開放性和可靠性等方面具有明顯的特點。

　　1、引言

　　可編程控制器作為一種通用工業控制器，廣泛應用于各種工業控制領域。目前中國PLC市場主要廠商為Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、GE-Fanuc等國際大公司，歐美公司在大、中型PLC領域占有絕對優勢，日本公司在小型PLC領域占據十分重要的位置，韓國和中國臺灣的公司在小型PLC領域也有一定市場份額，大陸國產PLC的市場份額幾乎可以忽略。國內曾有研究單位開發PLC產品，后因種種原因沒有發展起來。值得欣慰的是，國內已有公司開始拓展PLC業務，并在中國PLC市場有了一定聲音。但其產品主要集中在低端小型PLC上，在大中型PLC研究上國內尚無具有自主知識產權的產品。

　　南大傲拓科技多年來一直致力于可編程控制器的研究，產品涵蓋從小型一體化PLC到大型PLC的全系列產品，公司在水利、水電、水處理、重型裝備業、物流等等控制領域得到廣泛應用。NA400可編程控制器由南大傲拓科技江蘇有限公司自主設計與研發，本產品已獲得CE認證，并將進行FC認證和船級社認證，已獲得專利和軟件著作權多項。NA400可編程控制器和同類產品相比具有明顯的優勢，主要表現在：系統體系結構先進，模塊安裝位置靈活，內部通信網絡采用現場總線，打破國外同檔次PLC采用多總線的模式，大大提高了PLC的抗干擾能力和環境適應能力。國內唯一一套自主開發的全面支持IEC61131-3國際標準的軟件系統，并具有獨創的順序控制圖編程語言。該PLC具有在線監視、在線修改、在線調試、在線仿真等功能，方便用戶的開發與調試。

　　NA400可編程控制器采用了嵌入式軟件、硬件技術和現場總線技術等技術開發的。針對不同的應用開發了NA600大型PLC、NA400中大型PLC、NA200小型PLC等多種不同類型的PLC，分別應用于大型水電站、中小型水電站及輔機、閘門等不同的應用場合。本文將從NA400可編程控制器體系結構、系統配置、技術特點、工程應用實例等幾方面介紹NA-PLC及水電廠的應用。

　　2、NA400可編程控制器體系結構與特點

　　2.1 體系結構：

　　NA400可編程控制器采用LAN/FieldBud系統體系結構(如圖1所示)，提供標準的以太網接口完成與上微機系統的通信，通信規約采用開放的、標準ModBus TCP規約。CPU模件和I/O模件之間采用現場總線作為內部總線及擴展總線，現場總線特有的高可靠性和對現場環境的適應能力，使得NA400可編程控制器系列PLC系統配置的靈活性和可靠性也大大提高。圖1以雙CPU雙以太網熱備冗余、單CPU雙以太網和單CPU雙以太網三種典型的應用。為水電廠的應用提供靈活的系統配置方式，適用于更加廣泛的現場應用。

　　2.2 系統配置：

　　NA400可編程控制器提供三種系統配置，包括單CPU單以太網模式、單CPU雙以太網冗余模式、雙CPU冗余模式，多種靈活的系統配置模式可以更好地適用多種不同的實際應用。提供了多種類型模件包括電源模件、三種不同類型的CPU模件、串口通信模件(提供8個標準的RS232/RS485)、開關量輸入模件、SOE模件、開關量輸出模件、模擬量輸入模件(電流型和電壓型)、溫度量模件等。

NA400控制系統架構圖

　　2.3 技術特點

　　2.3.1 通信網絡

　　(1) 以太網通訊接口

　　CPU模件集成10M/100M以太網接口，支持Modbus/TCP規約，支持雙以太網冗余配置。

　　(2) 串口通訊功能

　　NA400可編程控制器提供了串口通訊模塊，并可自由配置模塊的數量。每個串口通訊模塊提供4個串口，每個串口均支持RS-232/RS-485接口標準，并且全部支持編程。

　　(3) 現場總線網絡

　　NA400可編程控制器采用現場總線網絡，具有通訊速率快、抗干擾能力強、成本低、結構簡單、實時性好等特點，并且具有很好的擴展性，易于實現模塊的靈活配置，且對于現場環境及安裝要求都不是很高，同時為系統擴展及遠程控制都提供了方便。NA400可編程控制器支持ProfiBus-DP、CANOpen、ModBus等不同類型的現場總線接口，可以方便地與其他系統連接。

　　2.3.2 高可靠性設計

　　(1) 全智能I/O設計和一系列安全性、可靠性設計為系統的安全可靠運行提供了保障

　　¨ 開入模件的光電隔離和軟件濾波功能;

　　¨ 開出回路密碼鎖設計，開出模件的反讀、校核及執行繼電器的聯合控制保證在任何情況下不會發生誤動;

　　¨ 溫度量模件先進的每路獨立橫流源設計大大提高了采集速度和抗干擾性;

　　¨ 模擬量模件飛度電容的設計方法保證了內部電路和外界干擾的絕對隔離，大大提高了采集精度，最大限度地降低了模擬量漂移。

　　(2) 雙機熱備冗余設計

　　NA400可編程控制器提供了雙機熱備冗余方案。無需用戶編程，監控模塊之間實時自動備份數據，一旦一個監控模塊癱瘓，另一個監控模塊可單獨運行，不會對控制系統產生影響。

　　(3) 滿足一系列電磁兼容性國際標準

　　為了提高PLC系統的可靠性、在設計過程中遵循了電磁兼容性國際標準，通過設計開發中的針對性的設計。NA400可編程控制器的電氣技術指標及電磁兼容性如下：

　　¨ 環境溫度：-10℃~60℃;

　　¨ 浪涌抗擾度：4kV(共模)/2kV(差模)，4級(IEC61000-4-5);

　　¨ 振蕩及抗擾度：2.5kV(共模)/1kV(差模)，3級(IEC61000-4-12);

　　¨ 快速瞬變：±4kV(電源)/±2kV(I/O)，4級(IEC61000-4-4);

　　¨ 靜電放電：±15kV(空氣)/±8kV(接觸)，4級(IEC61000-4-2);

　　¨ 輻射電磁場抗干擾：10V/m，頻率80MHz~1GHz，3級(IEC61000-4-3)。

　　2.3.3 針對水電廠的設計

　　¨ 方便的可視化流程圖編程語言，使復雜控制流程的實現變得非常簡單;

　　¨ 全漢化的梯形圖設計大大提高了梯形圖程序的可讀性;

　　¨ 針對水電廠的專用功能塊設計使其更適宜于水電廠(脈沖型開出、SOE);

　　¨ 獨有的SOE模件大大提高了事件分辨率(<1ms)

　　¨ 多串口模件設計，大大提高了與其它智能設備的通信能力。

　　¨ 方便的現地人機接口，提供了與觸摸屏的串行通訊接口，支持Modbus通訊協議。可與多種觸摸屏直接連接，無需增加輔助設備，也無需編寫通訊驅動程序。

　　2.4 更高的性價比

　　¨ CPU模件集成以太網接口(節省了網絡模件)

　　¨ 串口通信模件提供的豐富通信接口;

　　¨ 擴展無需擴展模件(節省了擴展模件);

　　¨ 雙機熱備冗余僅靠一條冗余電纜即可完成(節省了熱備模件)。

　　3. NAPro編程軟件

　　NA-PLC編程與調試開發工具——NAPro軟件，支持符合IEC61131-3國際標準的編程語言及獨創的順序控制圖語言，并提供收費合理的軟件定制化服務。NAPro不但支持在線調試、在線下載，還將支持數據以曲線形式顯示。該軟件系統配置簡單、編程易學，并提供斷點、單步執行、監視執行和調試執行等調試手段，適合國內的思維習慣，其方便性大大優于國外PLC編程軟件。

　　3.1支持IEC61131-3國際標準的編程語言

　　支持全部5種IEC61131-3編程語言，同一項目中的任一代碼段均可選擇不同的語言編程，且可相互調用。這5種編程語言包括：LD：梯形圖、ST：結構文本、IL：指令表、FBD：功能塊圖、SFC：順序功能圖。

　　3.2 獨創的順序控制圖(SCC)編程語言

　　在控制領域中，大量使用的控制操作為順序控制方式，為此NAPro提供了獨創的順序控制圖，它是一種簡單的圖形化過程描述，非常直觀方便。

　　3.3 多任務

　　NAPro支持多達64個任務(優先級0~63)，優先級0為主任務，循環執行，其它任務均為周期執行，可設置任務周期。此外，還支持定時器中斷任務和外部硬件中斷任務。

　　3.4 事故追憶功能

　　NAPro具有事故追憶功能，對事故發生前后的重要參數進行追憶記錄，以供運行人員分析事故。一張追憶表中可以有多個啟動源，可以追憶多個測點。最大存儲數據可達128Mbytes。

　　除上述特色功能外，NAPro軟件具有豐富的運算控制功能、實時的在線監測功能、完備的在線修改功能、強大的在線調試功能、完善的仿真功能、友好的軟件設計界面、有效的診斷工具等特色設計。

　　4. 工程應用實例

　　多年來NA系列可編程控制器已在水利、水電自動化、煤炭自動化、物流、重型裝備業等行業。NA400可編程控制器在中小型水電廠計算機監控系統中得到了大量應用，下面介紹NA400可編程控制器在某中型水電廠的典型應用。

　　4.1工程概述

　　老虎山電站總裝機為2*12500kW，發電機額定電壓6.3kV。沖擊式立式機組。

　　電站計算機監控系統分為主控級和現地控制單元級，主控級和現地控制單元級采用100Mbps光纖相連。

　　監控系統主要由以下幾部分組成：

　　(1) 主機/操作員工作站 2套

　　配置兩臺主機/操作員工作站，安裝于老虎山電站控制室。

　　主機的功能包括對整個電廠的運行管理、數據庫管理、綜合計算、AGC及AVC計算和處理、事故和故障的分析處理等。兩臺主機采用冗余工作方式，任何一臺主機故障，系統仍可正常運行，提高了系統的安全可靠性。

　　主機同時供運行值班人員使用，具有圖形顯示、全廠運行監視和控制功能、發操作控制命令、作定值修改、設定與變更工作方式等功能。

　　全廠所有的操作控制都可以通過鼠標器及鍵盤而實現;通過彩色顯示器可以對全廠的生產、設備運行作實時監視，并取得所需的各種信息;主機同時兼工程師工作站的功能，供工程師維護系統及參數修改;采用雙機，互為冗余熱備，切換無擾動;配置聲卡、音箱和語言軟件，設置語音報警系統作為電站監控系統的一部分，對電站故障和事故發語音報警，提醒運行人員;具有語音報警、測試等功能。

　　操作員工作站是高性能、多任務、多用戶型通用型工作站，配有足夠的通信接口，各種存儲器帶保護裝置，防止和避免因電源或不正確操作造成信息丟失和改變。

　　(2) 通信工作站 1套

　　設一套通信工作站，該機完成與全站電子電能表、消防報警裝置、取水口閘門控制系統及其它裝置的接口，該機完成與上級調度系統的通訊。

　　(3) 打印機 1臺

　　配1臺A3黑白激光打印機用于操作及報警記錄(主要為報警記錄)等打印，另電站已配一臺針式打印機用于報表的打印，兩臺工作打印機可互為備用。

　　(4) GPS衛星時鐘同步系統 1套

　　采用GPS衛星時鐘系統對監控系統的主控級計算機和各現地控制單元(LCU)進行時鐘同步。

　　(5) 網絡設備 1套

　　一電站配3COM的10/100Mbps以太網交換機3C16470一臺，網絡符合工業通用的國際標準IEEE802.3以及TCP/IP規約。

　　主計算機、通信服務器和各LCU通過10/100M網絡交換機聯結成快速以太網絡，網絡介質主要為光纖電纜，單網，網絡速率為100Mbps;

　　(6) 現地控制單元(LCU)

　　LCU共4套，老虎山站：機組LCU 2套、公用開關站LCU 1套、開關站LCU 1套，實現對各生產對象的監控。

　　LCU向上直接通過100Mbps快速以太網與上位機通信;PLC和觸摸屏通過串行口相互通信;

　　每套機組LCU配一臺通信管理機通過串行口與本單元的PLC通信;通信管理機負責微機轉速裝置、微機溫度巡檢裝置、交流采樣裝置、微機保護及其他智能裝置與PLC進行通信。

　　LCU主要完成數據的采集及數據預處理功能，同時也具有控制操作和監視功能。其設計能保證當它與主機系統脫離后仍然能實現對機組進行必要的監視和控制功能，這些功能包括機組的開、停操作;有功、無功負荷增、減;機組運行狀態及參數的監視，而當其與主機恢復聯系后又能自動地服從上位機系統的控制和管理。

　　4.2 系統結構圖

　　4.3 系統優勢

　　NA400 PLC針對電力行業具有獨特的功能特點，其中SOE模塊分辨率為1ms，時間記錄精確，性能可靠;背板自帶GPS對時接口，無需軟件、硬件配置，系統自動完成對時功能，操作簡單實用;CMM401串口通訊模塊，可以擴展4或8個RS232串口，每個串口支持C語言自定義編程，使用方便，與CPU交換數據采用現場總線，數據交換速率快，操作簡單。其他廠家PLC沒有針對電力行業特有功能進行開發，系統實現上存在一定的缺陷，同時價格成本比較高。

　　5. 結語

　　NA-PLC具有傳統通用PLC的所有特點，是通用的工業控制平臺，可以廣泛地應用于多種工業控制。同時NA400可編程控制器又具有顯著的特點使在應用中更靈活、更方便。為適用順序控制的特點、解決傳統PLC調試困難、不直觀的缺點，NA400可編程控制器開發了順序控制圖語言，使順序控制過程的實現簡單、調試直觀;為提高在電力系統應用的方便性對傳統梯形圖語言功能塊進行了擴充，增加了SOE功能塊、脈沖型開出等獨具特色的功能塊使用戶編程更加方便;NA400可編程控制器所具有的以太網遠程編程與調試功能可以方便地解決遠方(如遠程控制中心等)對現地LCU的編程與維護，為電廠實現“無人值班”(少人值守)、甚至關門運行提供了技術基礎。