基于PLC的機(jī)組DCS監(jiān)控開(kāi)關(guān)站方案研究

王學(xué)奎　劉金永

摘要：研究了核電廠機(jī)組DCS遠(yuǎn)距離通過(guò)PLC監(jiān)控開(kāi)關(guān)站內(nèi)電氣設(shè)備的問(wèn)題，對(duì)在建和已建其他核電機(jī)組中開(kāi)關(guān)站電氣系統(tǒng)納入機(jī)組DCS的方式進(jìn)行簡(jiǎn)要討論。指出了現(xiàn)有模式下，核電廠內(nèi)開(kāi)關(guān)站與機(jī)組DCS通信存在的一些問(wèn)題，給出開(kāi)關(guān)站采用PLC與DCS通信控制的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)開(kāi)關(guān)站設(shè)置PLC并作為單獨(dú)的控制子站，監(jiān)控站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)，并經(jīng)過(guò)光纖傳輸至DCS，能可靠實(shí)現(xiàn)機(jī)組DCS通過(guò)PLC監(jiān)控開(kāi)關(guān)站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，方案在核電廠應(yīng)用效果較好。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控;PLC;DCS;MODBUS

中圖分類(lèi)號(hào)：TM621.3;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.016

1 前言

PLC（Programmable Logic Controller），可編程邏輯控制器，主要為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程電氣控制設(shè)計(jì)研發(fā)，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，在工業(yè)控制的過(guò)程中得到了非常廣泛的使用，在實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化方面具有非常重要的意義[1]。

隨著大工程系統(tǒng)集成復(fù)雜度提高，PLC不再作為一個(gè)簡(jiǎn)單的工業(yè)控制器來(lái)使用，還可以建立一個(gè)工控站，與外部系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)信息傳輸與開(kāi)關(guān)控制，這對(duì)核電機(jī)組DCS（Distributed Control System）遠(yuǎn)距離監(jiān)控開(kāi)關(guān)站內(nèi)的開(kāi)關(guān)設(shè)備有很好的借鑒作用。在核電廠內(nèi)，開(kāi)關(guān)站是核電廠與電網(wǎng)的連接樞紐，有一套NCS（Network Control System）系統(tǒng)負(fù)責(zé)站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，屬于電網(wǎng)管轄。開(kāi)關(guān)站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)核電機(jī)組的運(yùn)行安全也有很重要的作用。核電廠內(nèi)機(jī)組功率大，相應(yīng)的輔助設(shè)備多，占地面積也大，而開(kāi)關(guān)站一般是幾個(gè)發(fā)電機(jī)組的公用站，所以開(kāi)關(guān)站與機(jī)組運(yùn)行中心距離較遠(yuǎn)（一般在1 km以上），直接與機(jī)組DCS通信，無(wú)法實(shí)現(xiàn)。機(jī)組DCS系統(tǒng)屬于工業(yè)控制系統(tǒng)，有一套完整的設(shè)計(jì)思路和通信體系，開(kāi)關(guān)站屬于涉網(wǎng)設(shè)備，電網(wǎng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和內(nèi)部通信中有著自己的規(guī)范，兩者均是一套完整的體系，且均適應(yīng)對(duì)應(yīng)行業(yè)的發(fā)展，技術(shù)成熟，不容易更改。在開(kāi)關(guān)站內(nèi)設(shè)計(jì)PLC，與機(jī)組DCS通信從而控制站內(nèi)設(shè)備，成為核電廠開(kāi)關(guān)站設(shè)計(jì)的一種重要思路。

2 當(dāng)前核電機(jī)組DCS監(jiān)控開(kāi)關(guān)站方案分析

目前部分在建和已建核電廠的常規(guī)做法是采用硬接線(xiàn)方式將開(kāi)關(guān)站內(nèi)電氣量直接接入機(jī)組DCS系統(tǒng)，目前嶺澳、紅沿河和寧德核電站均采用此方式。硬接線(xiàn)傳輸信號(hào)雖然可靠、迅速，但是信息數(shù)量有限，而且擴(kuò)展性能不理想，自動(dòng)化程度較低，當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，會(huì)遇到信號(hào)受干擾不穩(wěn)等問(wèn)題[2]。

如果采用開(kāi)關(guān)站內(nèi)的NCS系統(tǒng)（電力網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)）與DCS長(zhǎng)距離通信，會(huì)帶來(lái)電力系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與DCS通信規(guī)約不一致、DCS命令出口時(shí)間延長(zhǎng)、NCS的二次安防復(fù)雜化等問(wèn)題。陽(yáng)江核電站起初設(shè)計(jì)為硬接線(xiàn)方式，考慮到距離問(wèn)題，后續(xù)改成了通信傳輸方式，在開(kāi)關(guān)站內(nèi)增加遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備，由機(jī)組DCS與NCS通信，從而控制站內(nèi)設(shè)備。過(guò)程中，需要通信協(xié)議的轉(zhuǎn)化，對(duì)設(shè)備提出了很高的要求。最終通過(guò)增加站內(nèi)通信模塊，仍以硬接線(xiàn)方式傳輸開(kāi)關(guān)信號(hào)，未能實(shí)現(xiàn)DCS對(duì)開(kāi)關(guān)站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控。

3 PLC在開(kāi)關(guān)站內(nèi)的設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備的性能更加可靠，設(shè)備的體積也更加微型化，無(wú)論成本還是空間，均有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)通信技術(shù)的融人，為PLC技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，比如應(yīng)用較為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，通過(guò)自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)使信息通訊質(zhì)量得到提高[3]。

3.1 PLC控制電路設(shè)計(jì)

采用PLC簡(jiǎn)單控制網(wǎng)絡(luò)，主要指在一個(gè)主站當(dāng)中設(shè)置一臺(tái)PLC和一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)，從站中設(shè)置多臺(tái)PLC或者一臺(tái)PC機(jī)，主站的主要作用是對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制、編程、報(bào)警等。PLC系統(tǒng)布置在500 kV開(kāi)關(guān)站內(nèi)，是一個(gè)獨(dú)立的控制子站，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)站內(nèi)電氣量的測(cè)量、開(kāi)關(guān)站位置狀態(tài)的監(jiān)測(cè)以及分合斷路器，PLC對(duì)站內(nèi)系統(tǒng)的設(shè)備的控制電路如圖1所示。圖1中所采用的設(shè)備是浙大中控公司生產(chǎn)的PLC系統(tǒng)，由于接入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量大，采用了分散式設(shè)計(jì)，不同的數(shù)據(jù)量由不同的卡件采集，如圖1中FW351是模擬量輸入卡件，通過(guò)內(nèi)部的跳線(xiàn)，可以定義輸入模擬量的類(lèi)型，如4-20mA、0- 10 mA、1-5V，0- 1OV等，卡件的使用需要配入底層的端子板，用來(lái)端接現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備接線(xiàn)。由于外部接人的信號(hào)均為有源模擬量，所以無(wú)需配置電源。FW366是信號(hào)輸入卡件，與TB366配合使用，接入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)，包括開(kāi)關(guān)站位置、報(bào)警信息等。FW367是輸出卡件，與TB367配合使用，通過(guò)繼電器輸出，控制外部開(kāi)關(guān)站的分操作，實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出。

3.2 機(jī)組DCS與PLC通信控制方案

通信采用MODBUS協(xié)議，該協(xié)議經(jīng)過(guò)多年的實(shí)際應(yīng)用，已經(jīng)成為一種應(yīng)用于工業(yè)控制器上的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議[4]。由于距離較遠(yuǎn)，常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)成本過(guò)大，采用光纖通信可減少信號(hào)的損耗，同時(shí)能提高通信可靠性。每一個(gè)核電廠只有一個(gè)500 kU/220 kV開(kāi)關(guān)站系統(tǒng)，兩臺(tái)機(jī)組均要通過(guò)PLC控制站內(nèi)的開(kāi)關(guān)設(shè)備，方案設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到PLC側(cè)系統(tǒng)的獨(dú)立，采用如圖2的設(shè)計(jì)方案。

各系統(tǒng)分別配置2塊通信接口卡FW248、2塊TB248-U端子板，第1塊FW248與IDCS進(jìn)行冗余通信，第2塊FW248與2DCS進(jìn)行冗余通信。每塊通信端子板的冗余通信端口分別對(duì)應(yīng)2塊網(wǎng)關(guān)接入DCS系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)每條通信鏈路均為一主一從MODBUS冗余通信要求。

FW248作為MODBUS-RTU SLAVE（從站）掛于MODBUS-TCP網(wǎng)關(guān)串行總線(xiàn)下，位于以太網(wǎng)上的MODBUS-TCP Client（主站：機(jī)組DCS）向MODBUS-TCP網(wǎng)關(guān)發(fā)送訪問(wèn)請(qǐng)求，網(wǎng)關(guān)將該訪問(wèn)請(qǐng)求進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換并發(fā)送至FW248通信卡，F(xiàn)W248返回訪問(wèn)結(jié)果至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將該結(jié)果進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換并發(fā)送至MODBUS-TCP Client（主站：機(jī)組DCS）。

4 工程案例應(yīng)用分析

開(kāi)關(guān)站PLC系統(tǒng)與機(jī)組DCS通信方案的設(shè)計(jì)在臺(tái)山核電得到了很好應(yīng)用，目前1號(hào)機(jī)組已商運(yùn)，2號(hào)機(jī)組也即將并網(wǎng)，兩臺(tái)機(jī)組均通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)站內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)的監(jiān)控。在開(kāi)關(guān)站PLC柜內(nèi)，同時(shí)設(shè)有就地顯示和控制屏幕，能就地顯示數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至機(jī)組DCS，也可以就地操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)的控制。與開(kāi)關(guān)站內(nèi)NCS系統(tǒng)完全分開(kāi)，保證了電網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了機(jī)組DCS對(duì)開(kāi)關(guān)站內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)的監(jiān)控，且監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)于其他項(xiàng)目增多數(shù)倍，實(shí)現(xiàn)機(jī)組DCS對(duì)開(kāi)關(guān)站的全方位監(jiān)控。

5 結(jié)語(yǔ)

PLC技術(shù)的發(fā)展，為多系統(tǒng)聯(lián)合控制提供了很好的解決方案，PLC可作為一個(gè)微型獨(dú)立的控制站，通過(guò)擴(kuò)展接口，可以接收很多現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)要求提供了很好的設(shè)計(jì)思路。方案中，PLC作為一個(gè)子站能夠獨(dú)立監(jiān)控開(kāi)關(guān)站內(nèi)的設(shè)備數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)光纖通信，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，而且穩(wěn)定性強(qiáng)。對(duì)其他核電廠項(xiàng)目的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒，同時(shí)對(duì)負(fù)載多系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的的設(shè)計(jì)，也提供了很好的設(shè)計(jì)思路。

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