施耐德 PLC 应用于水电厂现地控制单元改造系统

    1 引言

    现今世界，能源问题已成为制约经济高速发展和环境保护的因素，施耐德电气一直致力于改善客户在电力领域的绩效和日常生活水平。作为能源优化领域的企业，施耐德电气集团业务包括5大市场：能源和基础设施、工业、数据中心和网络、楼宇以及住宅等领域提供产品和服务。

    凭借其独特的产品系列，施耐德电气开发了全系列的集成化、智能型和通讯型的解决方案，使供电更安全、可靠，全面实现自动化，节能增效作用更加明显，建筑物内的舒适度和通信也获得了有效的管理。依靠超过100,000名员工的参与，施耐德电气将帮助人类充分地利用他们的能源。

    随着国民经济的发展，对电力系统、电厂的要求越来越高。对于水电厂来说，装备一套结构合理、功能完善、可靠性高的现地控制单元，是水电厂提高安全生产水平，实现“无人值班”的重要环节。

    PLC = Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的部分。

    2 原有设备问题分析

    2.1 原有现地单元

    原有现地控制单元包含一面盘柜，柜内安装了Modicon984-145型PLC，参见图1。该PLC属于凑型的PLC，基本的控制和数据采集功能都可以实现；与一体化工控机以及上位机采用了MB+网方式通信，该PLC仅具有一个RS-233口，协议固定为MODBUS，规约只能是MODBUS从站。

　　图1 原有盘柜布置图

    2.2 原系统存在问题

    （1） 整个电站的通信采用一个MB+网，当通信线路一个地方发生故障可能会影响整个电站的运行，对电厂的安全运行形成隐患；

    （2） 对外通信扩展不方便，许多外部设备的信息无法采集到PLC中去；

    （3） 随着外部控制设备的更新改造，所需测控点数增加，原有配置已无法满足要求；

    （4） 当地显示界面即一体化工控机故障率比较高；

    （5） 备品备件订货越来越困难。

    3 技改方案分析

    （1） 全部更新

    把原有设备全部更新，改用Quantum PLC。全部更新，原有设备要全部报废，这样改造的成本较高，同时现场配线、安装等工作量都较大，改造周期较长。

    （2） 扩展DI/DO新屏

    扩展一面屏，增加开关量输入和输出点数，PLC仍采用Modicon984，和上位机通信仍需采用MB+方式。由于仅仅是对原有系统进行扩充，增加了相关的点数，整个系统的功能特点以及可靠性等并没有过提高，这种方案改造的意义不大。

    （3） 扩展PLC新屏

    原有屏柜保持，新扩展一面屏柜，采用Quantum PLC，Quantum PLC与原有PLC采用MB+网进行通信；与上位机通信方式改用以太网通信，即PLC直接上以太网，在新增屏柜上安装一台通信管理机。

    在充分利用原有设备的基础上，增加了一套Quantum PLC，数据处理能力得到很大的提高，Quantum PLC具有无与伦比的网络连接能力，特别是应用于MODBUS　PLUS网络的站间通讯（Peer Cop）技术，其快速、准确、可靠的性能充分满足功能要求，在新盘柜和旧盘柜之间即采用MB+网进行通迅，高速MB+网络的通讯功能也得到了充分的利用，上位机的通迅改用了以太网方式，提高了速度和可靠性，同时改造过程中工作量也增加的不是很多，具有可行性。

    4 系统设计

    系统配置方案如图2所示。在该方案中，原有Modicon984 PLC配置以及盘柜布置和外部接线不作任何更改；增加了一套盘柜，盘柜内安装了一套Quantum PLC，PLC配置有140CPU 11303S，增加了开入模件、开出模件、模入模件、以太网通信模件。这就弥补配置点数不足的问题，同时解决了与上位机通信的问题。

　　图2 原配盘柜与扩展盘柜

    4.1 数据采集和处理功能

    原配置Modicon984 PLC和新增Quantum PLC都具数据采集功能，都配有相应的数据采集模件，两套PLC共同完成现地控制单元的数据采集功能；Modicon984 PLC采集到的所有数据通过MB+网络，采用Peer Cop方式送到Quantum PLC中去，Quantum PLC对所有的数据进行处理，即数据处理功能全部由Quantum PLC完成，这就充分利用了Quantum PLC高速的数据处理功能。

    4.2 控制和调节功能

    Modicon984 PLC和新增Quantum PLC都配有开关量输出模件，即都具有控制和调节功能；Modicon984 PLC中的开出点，既可以由Modicon984 CPU控制也可以由Quantum PLC控制，两者是‘或’的关系；Quantum PLC通过MB+网络，采用Peer Cop方式把开出点信息送到Modicon984 PLC中去，同时Modicon984 PLC也编有程序，可以实现对开出点的控制，这主要是用来实现对辅机或自启动流程的控制。

    4.3 人机界面

    在新增盘柜，装有触摸屏，触摸屏与Quantum PLC通迅，这样可以实现所有数据的实时动态显示，同时可以下发相关的控制令给Quantum PLC，Quantum PLC接受到控制命令后进行解释执行。

    4.4 对外通信

    在新增盘柜，安装有以太网通信模件和通信管理机，以太网通信模件用来和上位机系统通信。通信管理机主要是把现场辅助设备的运行信息进行采集，同时把采集到的数据信息送到Quantum CPU里，其自身具有八个RS-232串口，这样整个现地控制单元的外部通信功能大大增强。

    4.5 系统结构主要特点

    （1） 原有Modicon984 PLC相当于一个智能I/O，自身可以运行PLC程序，这样一些流程就保持不变，而这些控制功能又不受所扩展盘的影响；而对Quantum PLC来说，可以把Modicon984 PLC当一个扩展I/O来处理，它可以处理Modicon984 PLC所有的开关量、模拟量等；

    （2） Modicon984 PLC和新增Quantum PLC采用Peer Cop方式，通过高速MB+网络进行通信，实践证明，通信快速、准确、可靠。

    5 软件的功能和实现

    5.1 Modicon984 PLC程序功能设计

    （1） 编写简单的程序，以实现Quantum PLC和Modicon984 PLC可以同时控制Modicon984 PLC的开出点。

    （2） 把开关量、模拟量进行处理，送到指定的寄存器，以便通过Peer Cop方式一齐传输到Quantum PLC;

    （3） 简单的辅机流程和自启动流程

    由于原配置Modicon984CPU不支持Concept编程，所以仍需用MODSOFT组态软件来编写。

    5.2 Quantum PLC程序功能设计

    （1） 发电机组的开停机流程、功率自动调节流程等；

    （2） 对所有采集到数据进行处理分析；

    （3） 接受上位机和触摸屏所发的控制命令并解释执行。

    编程软件采用了组态软件Concept2.6，该软件支持梯形图（LD）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）等多PLC编程语言，能保证系统的各类控制功能的需求。

    6 结束语

    本现地控制单元改造方案，在结构、技术路线、实现方法上都有所创新，该系统的结构设计合理，技术路线和实现方法完全可行；改造实施简单，大大减少了安装、配线的工作量，改造工程实施完成几个月来，运行非常稳定，达到了预期的目标，该方案的成功应用为国内老电厂LCU的技术改造提供了典型范例，对提高发电厂的自动化的水平有重要的现实意义。