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辅助车间网络集中监控系统设计

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2020年4月19日
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一期工程辅助车间网络集中监控系统设计
1.引言
随着电力系统改革的进一步深入，保证设备优质高效的运行，提高劳动生产率，进一步提高经济效益成了电厂发展的目标。火电厂辅助系统的自动化控制是全厂热工控制的重要组成，其自动化水平直接影响全厂的自动化水平。就当前来看，各辅助车间控制系统互不联系，形成多个自动化信息孤岛，造成运行管理不便，人员浪费严重，生产效率不高，影响全厂自动化水平的进一步提高。随着计算机控制技术的发展，通讯及网络技术的成熟，将火电厂各辅助车间联成一体，实现辅助系统的集中监控已成为大势所趋，从而大大提高机组运行的效率；采用网络通讯技术加强电厂的运行与管理工作也逐步在推广应用之中。在大中型电站控制与管理系统中，采用当今先进的计算机及网络通讯技术将整个电站实现集中监控的基础条件已经成熟。实现辅助车间集中监控系统，是实现全厂集中监控的前提和基础。
辅助车间网络集中监控系统是一个集成了覆盖全厂各辅机控制系统的信息系统，实现与全厂SIS系统、MIS系统的无缝连接及信息交换，实现了电厂辅机控制系统网络的一体化、信息的资源化、决策的科学化。此项工程的实施，可大大提高了我厂的自动化水平，为电厂各辅机控制系统的安全运行奠定了良好的基础。

2全厂辅助车间网络集中监控系统简介
根据我厂辅助系统控制特点，将整个辅助车间网络集中控制系统划分为以下几个部分：
Ø 水集中控制网络系统
包括反渗透预脱盐控制系统、锅炉补给水系统、净水系统、补给水泵房系统、工业废水系统、脱硝制氨控制系统、生活污水系统等；
Ø 凝结水精处理控制系统
Ø 输煤控制系统
Ø 除灰控制系统
Ø 除渣控制系统
Ø 电除尘控制系统
各子系统的控制机柜分别布置在各系统车间附近，除输煤控制室设置值班员以外，辅助车间的操作最终以集控室操作为主，就地控制室作为过渡及调试维护使用。上位机操作员站集中布置在集中控制室，实现操作监控功能，控制系统经过网络服务器与SIS进行通讯，在主控室的监控终端实现对辅助系统监控。

图1：全厂辅网系统网络结构图
如图1，全厂辅助车间集中监控网络采用冗余星型以太网结构，以100MBPS TCPIP的光纤以太网作为信息传递和数据传输的媒体。同时配置了一台数据服务器、两台网络核心交换机、8台操作员站布置在集中控制室，2台工程师站布置在DCS中央控制室。
这种辅助车间集中监控系统方案可分为三层：现场层(物理层)、控制层和监控层。
现场层包括现场I/O站和其它控制接口设备，对现场信号进行处理及输出控制信号。
控制层具体实施各辅助子系统的控制程序，并提供辅助操作功能。
监控层实施按水、煤、灰工艺系统分开的辅助车间监控，包括过程监视、控制操作、系统维护等，包括操作员站、工程师站和服务器。
各层之间经过通讯网络实现连接，构成一个完整的控制系统。在三个层之间经过通讯网络连接在一起，有两种通讯方式：现场I/O站与控制层CPU站之间的RIO通讯和控制层与监控层间的以太网通讯。

图2：辅网系统与现场设备数据交换图
2.1全厂辅网PLC配置介绍
根据全厂辅助车间系统的工艺要求及重要性要求不同，我们对各子控制系统采用了不同的配置方案。首先，我们对辅助车间各子系统的硬件PLC统一为Schneider Quantum系列的PLC。其次针对辅机系统中的重要系统或工艺较复杂的系统，我们选用的是可靠性高、性能好的冗余热备控制器140CPU67160；而针对类似于生活污水处理这种控制点数不多的系统，我们在满足工艺、控制要求的前提下，提高性价比，选用了140CPU11303作为主控制器。最后我们统一辅助车间各子系统与监控计算机之间通讯协议为Modbus TCP/IP工业以太网。

2.2全厂辅网网络配置介绍
为了保证整个辅助车间网络监控系统的网络运行良好，我们在全厂辅网设置了2台主交换机—Hirschmann Mach 4002作为网络核心交换机，用来连接服务器、操作员站、工程师站、SIS系统以及各子系统的交换机。网络连接设备采用100MBPS冗余以太网交换机，以两台主交换机为核心，各个联网设备经过光纤构成2个完全相同的镜像星型网络。核心交换机连接操作员站、工程师站、数据库服务器、各控制子系统及SIS系统等。服务器、操作员站及工程师站经过冗余介质与核心交换机连接。网络核心交换机经过冗余单模光纤分别与各辅助车间控制系统的子交换机连接，构成网络的主干。一台IBM 高性能服务器经过以太网直接与各子系统的Quantum PLC通讯，从PLC中采集实时数据，存储于服务器中，承担辅控网系统的数据采集、存储、处理和服务工作。为在系统调试、启动初期以及生产巡检时方便运行操作，各辅助车间程控系统还设有各自的监控上位机。

2.3全厂辅网系统特点介绍
对网络控制系统进行合理设计，在硬件及通讯上大量采用冗余配置和优化配置，提高系统平均无故障时间（MTBF），减少故障次数，降低非正常运行下的网络流量，防止网络通讯阻塞。
（1）选用性能可靠的施耐德双机热备冗余PLC，并采用冗余CPU、冗余IO网络、冗余通讯网络、冗余交换机的安全配置。该系统的优点在于，当一路网络通讯发生故障时，系统冗余的数据传输回路将使系统的通讯不会受到影响；当一只CPU发生故障时，系统中处于热备的CPU将无扰动地自动投入运行，切换时间不超过PLC的一个扫描周期，不会影响逻辑运行；如果一台交换机出现故障，也不会影响系统的正常运行。如果系统中某个I/O模块发生故障，允许对发生故障的模块进行热插拔，在不断电的情况下直接更换同型号模块。
（2）采用双路电源互投系统和在线UPS电源对整个PLC控制系统及网络系统进行供电，以提高整个辅助车间网络系统供电的可靠性。
（3）选用Hirschmann Mach 4002作为辅助车间网络核心交换机，MS30作为水集中控制系统交换机，这些交换机是完全工业级网络产品，牢靠的重负荷设计，确保了整个网络系统的稳定、可靠运行。
（4）为了保证整个辅助车间网络控制系统的通讯质量，我们采用了冗余网络配置，即操作员站、工程师站以及服务器配置了冗余以太网卡、PLC机架冗余以太网通讯模块、子系统冗余交换机、冗余核心交换机、冗余通讯介质等。整个网络具有单点容错功能，当任一点断开或某一节点发生故障时整个网络能够正常通信，不会影响到系统的正常运行。
（5）在辅网系统中我们还采取有效措施来防止各类计算机病毒的侵害和数据丢失。为保证网络系统的运行安全，我们安装了防火墙软件，并根据不同用户设置相应的访问权限和网络管理措施等。

2.4全厂辅网系统上位机站功能特点
1) 辅助车间网络监控系统软件是基于多任务、多平台、实时性好、开放性好的集成软件包。标准画面和用户组态画面均为汉化系统。
操作员站的基本功能如下：
Ø 监视系统内每一个模拟量和数字量
Ø 显示并确认报警
Ø 显示操作指导
Ø 建立趋势画面并获得趋势信息
Ø 自动和手动控制方式的选择
Ø 调整过程设定值和偏置等
工程师站的基本功能如下：
Ø 程序开发
Ø 系统诊断
Ø 控制系统组态
Ø 数据库管理和维护
Ø 画面的编辑及修改
2) 显示功能：具有多窗口的工艺系统流程图、报警画面、趋势图、指导画面、控制画面、参数修改画面、故障诊断画面、动态画面等各种监视画面。调用任何LCD画面均能在1秒的时间内完全显示出来。同时任何操作指令均在1秒或更短的时间内完全被执行，从发出操作指令到返回信号输入至操作站上显示的总时间小于2秒。
3) 安全功能：分别设定操作员和系统员的进入口令。在运行环境下，应屏蔽操作系统中所有热键，从而锁定系统自由进出。系统受电后自动恢复运行状态。在上位机监控平台时设定操作站的优先级来保证控制室内操作站与现场人机接口同时操作的安全性。
4) 历史数据管理：可对所有采集数据任意设定存取间隙和存取方式。
5) 监控tag及调试：应采用结构化tag定义。既可经过tag定义随时修改每个测点的有效状态、报警管理、历史数据、死区与PLC系统通讯参数等，同时按修改实时数据库的tag值来执行调试操作。
6) 数据库接口与数据通讯：具备开放性的实时数据可接受任何任务的访问并与其交换数据。系统具备复制和分发功能，将信息分送给其它的通用数据库应用程序，支持SQL、ODBC或OLE DB的应用程序。
7) 在工程师站上生成的任何显示画面和趋势图等，均能经过网络加载到各操作员站。PLC控制系统程序的组态和修改可在辅助车间网络监控系统的工程师站上进行，并经过网络下载到程序控制系统的PLC中。经过网络，工程师站应能调出系统内任一子系统中的系统组态信息和有关数据，还能够使操作人员将组态的数据从工程师站下载到各子系统的PLC和操作员站。另外，当重新组态的数据被确认后，系统能自动地刷新其内存。

3.结束语
电厂辅助车间网络集中监控系统能够实现减岗增效、提高全厂管理水平、提高劳动生产率，进而提高电厂的竞争力，使其在面对电力改革的深化过程中处于有利的地位。