PLC直接上網(wǎng)結(jié)構(gòu)智能設備接入方式探討 PLC論文

劉 曉 波

（中國水利水電科學研究院 自動化研究所 100038）

[摘要]本文簡述了國內(nèi)水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)變化發(fā)展歷史和變化過程，對計算機監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元的結(jié)構(gòu)發(fā)展方向進行了探討。重點探討了近幾年開始應用PLC直接上網(wǎng)LCU結(jié)構(gòu)及其特點，主要討論了在該種模式下智能設備接入的方式、速率、可靠性、編程的復雜性、可接入設備的數(shù)量等方面的特點。本文通過比較分析的方法對這些問題作了比較詳細的探討，并得到下面結(jié)論：（1）PLC直接上網(wǎng)的LCU結(jié)構(gòu)優(yōu)于經(jīng)過工控機上網(wǎng)LCU結(jié)構(gòu)；（2）智能設備以直接接入PLC現(xiàn)地總線方式最好；（3）智能設備經(jīng)串口轉(zhuǎn)換接入PLC或經(jīng)串口直接上網(wǎng)方式，具有普遍應用意義；（4）智能設備直接上網(wǎng)是很有前途的方式。本文也討論了在PLC直接上網(wǎng)模式下，如何實現(xiàn)CPU、輸入、輸出、電源和機箱聯(lián)接電纜等冗余策略，為大型、特大型水電廠實現(xiàn)無人值班的目標，提供了可借鑒的方法。

關(guān)鍵詞：水電廠 無人值班 計算機監(jiān)控系統(tǒng) 現(xiàn)地控制單元 結(jié)構(gòu)

Research on Structure Development of Local Control Uints of Computerized Supervision and Control System

Liu Xiaobo

（Department of Automation，IWHR 100038 ）

Abstract：This paper reviews the development history and process of local control units of Computerized Supervision and control system，researches the development direction of LCU structure ,focuses its attention on the structure of LCU structure of PLC linking to local area net directly and its characteristics．It compares different methods of intellective devices linking to LCU in their modes, speed, stability, program complexity and the number of linking intellective devices. After discussion, the author gets results: (1) the structure of PLC linking to LAN is better than the structure of IPC linking to LAN. (2) the mode of intellective devices joints LCU through PLC field bus is better. (3) intellective devices joints LCU through PLC serial ports or intellective devices joints to LAN through PLC serial ports may apply in every PLC. (4) the mode of intellective devices joints to LAN directly will be promising in the future .It discusses the redundancy strategy on how to realize input ，output，power，CPU in the mode new structure．This helps huge and cadreman hydropower plants to realize the target of no-man on duty.

Keywords: Hydropower plant, No-man on duty, Computerized Supervision and control system, Local control units, Structure.

自從二十世紀八十年代中期，計算機監(jiān)控系統(tǒng)在水電廠開始應用以來，它在水電廠應用越來越廣泛。新建電廠大多數(shù)都采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)與新機組同步投運，絕大多數(shù)沒有采用監(jiān)控系統(tǒng)的老水電廠已經(jīng)或正在進行以計算機監(jiān)控系統(tǒng)為中心的綜合自動化改造。計算機監(jiān)控系統(tǒng)是水電廠創(chuàng)國內(nèi)一流水電廠基礎，更是創(chuàng)國際一流水電廠，實現(xiàn)“無人值班，關(guān)門運行"的前提條件。

隨著計算機監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)水電廠應用不斷擴大，計算機監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也在不斷地變化發(fā)展。近一二十年，計算機按照摩爾定律迅速發(fā)展，對監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展影響很大。論文作者從事計算機監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地控制單元（以下簡稱LCU）研制工作，愿意將近來LCU結(jié)構(gòu)變化趨勢與大家共同分析探討，希望同行專家能多提寶貴意見。

1．計算機監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)發(fā)展情況

在二十世紀八十年代初期，水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)處在探索階段。其典型的結(jié)構(gòu)是集中式結(jié)構(gòu)。這主要受當時硬件資源的限制。當時可供選擇的計算機設備種類少且價格高，限制了其它結(jié)構(gòu)方式的發(fā)展。其主要缺點是靈活性差、可靠性差、實時性差。

到二十世紀九十年代中期，逐漸形成現(xiàn)在計算機監(jiān)控普遍采用的模式：分層、分布、開放。目前，領(lǐng)先公司的產(chǎn)品已達到全分層、全分布、全開放、面向?qū)ο蟆Ｋ^分層是指計算機監(jiān)控系統(tǒng)按功能分成現(xiàn)地控制層、廠站控制層、梯調(diào)（或集中）控制層（根據(jù)實際需要設立該控制層）。現(xiàn)地控制層的功能是現(xiàn)地數(shù)據(jù)的采集并上送給廠站控制層及梯調(diào)控制層（以下將廠站控制層、梯調(diào)或集中控制層簡稱為上位系統(tǒng)），根據(jù)指令或自啟動執(zhí)行順控流程。監(jiān)控系統(tǒng)的實時性主要由現(xiàn)地控制層來保證，因此它要具有非常好的實時性和很高的可靠性。廠站控制層根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)運行工況，由運行人員對現(xiàn)場設備發(fā)出控制命令（設備不成組），或根據(jù)負荷曲線或根據(jù)電網(wǎng)頻率變化自動進行控制（設備成組情況）。梯調(diào)（或集中）控制層是廠站層的延伸，在流域梯級電站或電站群的情況下設立，負責所管轄電站的經(jīng)濟運行和統(tǒng)一調(diào)度。上位系統(tǒng)要求具有良好的人機聯(lián)系手段，完善的功能，較高的運算速度，長期穩(wěn)定運行的性能，較強的與其它系統(tǒng)聯(lián)接或通訊能力。分布是指將現(xiàn)地控制層依據(jù)現(xiàn)場設備分成一個一個單元，每個單元建立相對獨立LCU。在水電廠監(jiān)控系統(tǒng)中，一般每臺機組設一個LCU，開關(guān)站、公用設備、廠用電設備、大壩等依據(jù)控制設備的多少、設備的布置及資金情況設一個LCU或若干個LCU。分布使監(jiān)控系統(tǒng)功能得到分散，各層有各層的功能，根據(jù)各層功能要求設置各層設備，使不同層計算機設備的性能得到充分發(fā)揮。分布使現(xiàn)地設備的控制彼此獨立，有利于設備獨立運行、方便維護檢修。分層、分布使計算機監(jiān)控系統(tǒng)功能分配合理，可靠性提高，設備維護檢修非常方便。開放（性）主要指監(jiān)控系統(tǒng)的軟件適應硬件的程度，以及監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點可擴展性。實踐證明，計算機監(jiān)控系統(tǒng)的分層、分布、開放的模式是正確的，是經(jīng)得起時間考驗的。

2．LCU結(jié)構(gòu)及改進的必要性

到目前為止，普遍使用的LCU結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖一中虛框內(nèi)為LCU部分，可以看出LCU主要由工控機和可編程控制器（以下簡稱PLC）構(gòu)成。擴展串口部分作為工控機串口的擴展提供與其它智能裝置、設備通訊接口。PLC作為主控制器，采集LCU開關(guān)量輸入、脈沖量輸入、 數(shù)字量輸入、模擬量輸入，根據(jù)給定的指令或流程自啟動控制（開關(guān)量）輸出，對設備進行控制。在有些情況下，LCU還要通過模擬量輸出驅(qū)動指示儀表。從這種結(jié)構(gòu)可以看出，PLC作為LCU數(shù)據(jù)采集與控制的中心，它的實時性、可靠性非常重要。從工程中使用較多的幾家國外著名的PLC廠家如施耐德、通用電氣、西門子、羅克韋爾、ABB等PLC產(chǎn)品上看，都是完全工業(yè)化的產(chǎn)品，可靠性高、實時性好，適于惡劣環(huán)境下使用。

這種結(jié)構(gòu)中的工控機，是作為LCU主機而存在的。它的主要任務是將PLC采集的數(shù)據(jù)進行標度變換、越限報警、數(shù)據(jù)打包等數(shù)據(jù)處理功能，并將LCU的所有數(shù)據(jù)上送到上位系統(tǒng)。同時，上位系統(tǒng)的控制命令經(jīng)工控機下達給PLC。工控機作為網(wǎng)絡接口，起承上啟下的樞紐作用，它的任何故障，都使PLC與上位系統(tǒng)中斷通訊。它的數(shù)據(jù)處理能力強，可以做為現(xiàn)地LCU的人機聯(lián)系手段，為現(xiàn)地維護和設備試驗提供方便。工控機與上位系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的速率早期為10Mbps，現(xiàn)在多為100Mbps。10Mbps與100Mbps兩種速率均能滿足數(shù)據(jù)交換的要求，當然100Mbps速度更快一些。

3．PLC直接上網(wǎng)及智能設備接入問題

隨著計算機硬件、軟件的快速發(fā)展，特別是網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展，著名工控廠家及系統(tǒng)集成商都大力開發(fā)以太網(wǎng)產(chǎn)品，關(guān)注PLC的直接上網(wǎng)問題。現(xiàn)在國際上知名的PLC廠家產(chǎn)品均能夠?qū)崿F(xiàn)直接上網(wǎng)，如施耐德公司全線的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、西門子公司的有關(guān)PLC、羅克韋爾PLC的有關(guān)系列控制器等。

采用直接上網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，必須妥善解決PLC直接上網(wǎng)后智能設備的接入問題。采用直接上網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，堅持分層分布（單元）式的結(jié)構(gòu)原則，就是要達到與LCU有關(guān)的各種數(shù)據(jù)采集和控制都必須由LCU來實現(xiàn)的目標。現(xiàn)在，LCU一般都需要與一定數(shù)量的智能設備進行通訊。在有工控機結(jié)構(gòu)的LCU結(jié)構(gòu)中，通訊實現(xiàn)是比較容易的，通訊的方式也比較靈活。但在采用PLC直接上網(wǎng)的結(jié)構(gòu)后，就必須考慮各種PLC產(chǎn)品特性對接入LCU智能設備的影響。PLC與工控機相比，通訊接口少，方式比較少。LCU智能設備接入問題，解決的總的方法有兩種，一種是直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換接入PLC，一種是直接接入以太網(wǎng)。由于各種PLC產(chǎn)品分別產(chǎn)于不同的公司，它們的特性也各不相同，因此實現(xiàn)智能設備接入PLC的方法有多種多樣。在比較國外主要PLC產(chǎn)品特性基礎上，在滿足分層分布（單元）式的結(jié)構(gòu)原則前提條件下，對智能設備接入LCU的方法進行分析對比，從它們的特性中，力圖找出共性的方法，側(cè)重于通訊速率、實現(xiàn)方式、是否需要編程、接入智能設備的數(shù)量、是否易于維護等方面。

3．1直接接入PLC

每種PLC CPU上的串口或一般通訊模塊的串口所支持的普遍方式是從（Slave）方式，即使它支持主（Master）方 式，相應通訊協(xié)議也是專有協(xié)議,不是開放的協(xié)議。對于一些PLC如GE90系列PLC，它有一種模塊，該模塊通訊方式為主方式，可以使用不同通訊協(xié)議編程，與智能設備通訊，這是解決方法之一。結(jié)構(gòu)圖見圖二。

這種方法智能設備與PLC的數(shù)據(jù)交換的速率是串口的速率，智能設備采集的數(shù)據(jù)可以在PLC控制流程中使用。設備通訊協(xié)議一致且數(shù)量不多時，比較適合這種方式。因為智能設備多，總的通訊速度就會較慢，通訊協(xié)議不一致，就會占用該模塊較多內(nèi)存。

3．2通過現(xiàn)場總線直接接入PLC

對于部分PLC，一些智能設備可以通過現(xiàn)場總線直接接入PLC。這種方式較好，因為現(xiàn)場總線的方式，其可靠性、速率與直接插入PLC機箱的模塊是相同的，而且接入的地點比較靈活，距離可以比較遠。這種方式不需要編程，可以接入較多設備，非常方便，是一種很好的方法。參見結(jié)構(gòu)圖二。

3．3間接接入PLC

直接接入PLC的方法不具有普遍性，不是每一種PLC都可以實現(xiàn)的。下面兩種方法可以在更大范圍使用。尤其是經(jīng)串口接入PLC的方法，是一種普遍的方法。

3．3．1經(jīng)串口轉(zhuǎn)換接入PLC

PLC一般具有豐富的通訊模塊可供選擇，多數(shù)PLC的CPU模塊具有一到兩個串口。由于這些串口多支持從（Slave）方式通用協(xié)議，智能設備也多為從方式，兩者通訊不能實現(xiàn)。有些串口雖支持主（Master）的通訊方式，但通訊協(xié)議多為不公開的專有協(xié)議，智能串口設備很少能支持這些協(xié)議。因此，解決方法之一是采用一種裝置，它一側(cè)接入PLC串口，另一側(cè)接入智能設備。該裝置起協(xié)議轉(zhuǎn)換作用，而且它對兩側(cè)都可以是主方式。這種方式可以接入較多串口設備。這是一種很有前途的、比較經(jīng)濟的方式，可以適用每一種PLC產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)圖參見圖三。

3．3．2經(jīng)轉(zhuǎn)換接入現(xiàn)場總線進入PLC

為了解決PLC串口從方式不能直接接入PLC的問題，有些PLC廠家如施耐德，它開發(fā)一種網(wǎng)橋裝置，一邊接串口設備，一邊接PLC的現(xiàn)場總線MB+。它有兩種，一種支持同一種開放的協(xié)議如MODBUS，不需編程，另一種支持各個串口協(xié)議可以不同，但需要編程。參見結(jié)構(gòu)圖三。

3．4串口設備經(jīng)轉(zhuǎn)換（不經(jīng)PLC）上網(wǎng)

前面幾種方法都直接或間接通過PLC接入智能設備。現(xiàn)在，通過一種串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器裝置，它的一側(cè)接入串口設備，另一側(cè)接入局域以太網(wǎng)。串口設備側(cè)不需任何改變，上位系統(tǒng)直接采集串口設備的信號。這樣一個LCU需要有幾個IP地址。這種方式可以接入大量的智能設備。是一種很有前途的方法。其結(jié)構(gòu)圖見圖四。

3．5智能設備直接接入以太網(wǎng)

隨著時間的推移，越來越多的設備將可以直接上網(wǎng)，因此可以采取智能設備直接上網(wǎng)的方式,速率可以達到10Mbps或100Mbps，將會很有應用前景。但一個LCU需要有幾個IP地址。其結(jié)構(gòu)圖見圖五。

3．6幾種方式的比較

將PLC直接上網(wǎng)模式下，智能設備接入LCU情況按速率、方式、編程進行比較，并給出總體評價，見下表：

上表給出了六種方式接入智能設備的方法，本文作者認為：

（1）PLC直接上網(wǎng)的LCU結(jié)構(gòu)優(yōu)于經(jīng)過工控機上網(wǎng)LCU結(jié)構(gòu)；因為LCU整體可靠性得到提高；

（2）智能設備以直接接入PLC現(xiàn)地總線方式從比較好，因為應用簡單、速率快等，在可以選擇直接接入現(xiàn)場總線的設備時，盡量采用這種方式。

（3）智能設備經(jīng)串口轉(zhuǎn)換接入PLC方式，是一種較優(yōu)的方法，它雖然與PLC產(chǎn)品有關(guān)，但可以在每種PLC產(chǎn)品上使用，接入智能設備數(shù)量也較多，經(jīng)濟性能也較好。

（4）智能設備經(jīng)串口轉(zhuǎn)換上網(wǎng)方式和智能設備直接上網(wǎng)方式是很有應用前景的兩種方式。因為這兩種方法都與具體的PLC產(chǎn)品無關(guān)，是一種具有普遍意義的方法，值得引起注意。

4．結(jié)語

結(jié)合工程項目，不斷加強現(xiàn)地控制單元（LCU）結(jié)構(gòu)研究，有利于提高LCU的可靠性、穩(wěn)定性、免維護性，有利于水電廠創(chuàng)建國際一流水電廠，實現(xiàn)“無人值班，關(guān)門運行”的目標。本文作者所在中國水利水電科學研究院自動化所已經(jīng)在實際水電廠中使用幾種PLC利用幾種方式實現(xiàn)了PLC直接上網(wǎng)，并較好解決了智能設備接入問題，在國內(nèi)這方面，處于領(lǐng)先地位。通過繼續(xù)研究，使LCU及計算機監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加合理，以最大程度滿足水利水電用戶的需要。