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王革新（1965－）

    浙江臺州人，工程師，從事火力發(fā)電廠熱工過程自動化管理和應用。

1  概述

目前，我國多數(shù)大型火電廠的輔助系統(tǒng)是各自獨立、互不相連的。各輔助系統(tǒng)多采用可編程邏輯控制器（PLC）與上位機相結合的監(jiān)控模式，有各自的控制室和生產(chǎn)運行人員。這種傳統(tǒng)的、分散型的監(jiān)控模式，造成設備和人員的重復配置，不利于集中管理和提高勞動生產(chǎn)率。利用先進的網(wǎng)絡技術和通信技術將各自獨立的輔助子系統(tǒng)連接成網(wǎng)，在維持原有控制設備分布的同時，在相對統(tǒng)一的控制室內(nèi)實現(xiàn)對多個同類輔助系統(tǒng)的集中監(jiān)控操作，正成為電廠輔助車間提高控制水平的發(fā)展方向和實現(xiàn)“減人增效”目標的重要手段，也是電廠消除自動化“孤島”現(xiàn)象，實現(xiàn)管控一體化的前提和基礎。

根據(jù)電廠輔助車間自身的特點，在構建集中監(jiān)控系統(tǒng)時，需要著力解決四個方面的問題：

(1)  構建具有遠距離傳輸能力、易于擴展的、具有較高的帶寬和傳輸速率、具有良好的抗干擾能力和高可靠性工業(yè)控制網(wǎng)絡；

(2)  解決不同廠商的控制設備使用的不同網(wǎng)絡協(xié)議、接口標準之間的數(shù)據(jù)通訊問題，切實保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠傳輸；

(3)  設計并開發(fā)統(tǒng)一風格的友好人機界面，從而滿足對實際生產(chǎn)運行的監(jiān)控需要；

(4)  由于全廠輔控系統(tǒng)I/O點數(shù)龐大（一般大型電廠有15000點左右），需要解決輔控系統(tǒng)實時和歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)可靠性和穩(wěn)定性問題。

2  輔控網(wǎng)絡的實時性和可靠性

由于輔控網(wǎng)絡連接著整個發(fā)電廠水、煤、灰等輔助控制系統(tǒng)，必須是實時的、可靠的工業(yè)控制網(wǎng)絡。控制系統(tǒng)早期采用的現(xiàn)場總線技術，由于技術、經(jīng)濟和政治等方面的原因，市場上沒有能夠統(tǒng)一到單一的標準，形成多種現(xiàn)場總線并存的局面。由于不同現(xiàn)場總線之間的技術特點與設計特征都不同，基于不同現(xiàn)場總線的產(chǎn)品之間不能實現(xiàn)透明信息互訪。而以太網(wǎng)以其速度快、技術發(fā)展迅速、擴展性強、可以無限擴展、協(xié)議開放、便于自主開發(fā)、設備通用、價格便宜等優(yōu)勢迅速占領控制系統(tǒng)領域。

2.1 輔控網(wǎng)絡的實時性

以太網(wǎng)在過去很長時間內(nèi)被認為不適合工業(yè)應用是因為早期以太網(wǎng)通信的不確定性。但是，交換技術、全雙工通信、快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)、VLAN、IGMP、端口優(yōu)先級等網(wǎng)絡技術的出現(xiàn)使得以太網(wǎng)具有了實時性，成為一個確定性的網(wǎng)絡，也使以太網(wǎng)成為工業(yè)自動化網(wǎng)絡中首選的傳輸方式。交換技術打破了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的5-4-3原則，使以太網(wǎng)的規(guī)模和覆蓋范圍大幅度提高，從而戰(zhàn)勝眾多的局域網(wǎng)技術而一枝獨秀。

為了滿足電廠輔控系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)通信實時性的要求，在選用以太網(wǎng)交換機時應選用低延遲的工業(yè)交換機產(chǎn)品。辦公自動化交換機產(chǎn)品的收發(fā)延遲一般約2～3毫秒，而工業(yè)級以太網(wǎng)交換機的收發(fā)延遲需要控制在數(shù)個微秒級，才能保證整個網(wǎng)絡的傳輸延遲滿足實時控制的要求。

此外，現(xiàn)代網(wǎng)絡控制協(xié)議，如Ethernet/IP等，會產(chǎn)生大量的多播數(shù)據(jù)。當接收到多播數(shù)據(jù)時，普通交換機會將其作為廣播數(shù)據(jù)進行處理， 即將它傳送到所有的端口。所以必須選擇支持IGMP Snooping的工業(yè)交換機，它能識別多播數(shù)據(jù)包并只將它發(fā)送到指定的端口。在網(wǎng)絡規(guī)模比較大時，為了防止廣播風暴，還應采用VLAN技術克服交換網(wǎng)絡中廣播對網(wǎng)絡規(guī)模的限制，進一步擴大了網(wǎng)絡的覆蓋范圍，提高了網(wǎng)絡的性能。在實時性要求較高的情況下，或者對三網(wǎng)合一的系統(tǒng)（如數(shù)據(jù)、視頻和音頻合一），需要選用支持端口優(yōu)先級的交換機產(chǎn)品，以確保實時性要求高的控制數(shù)據(jù)或語音以高優(yōu)先級數(shù)據(jù)幀進行傳輸。

2.2  輔控網(wǎng)絡的可靠性

由于發(fā)電廠輔控網(wǎng)絡連接著全廠的輔助控制系統(tǒng)，關系著全廠輔助系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，網(wǎng)絡可靠性成為構建輔控網(wǎng)絡時需要考慮的一個最主要因素。可靠性可以用公式描述為：

R=MTBF／(MTBF+MTI-R)

其中R為可靠性，MTBF為平均無故障時間，MTI-R為平均故障修復時間。因此，增大可靠性的有效思路是增大平均無故障時間或者減少平均故障修復時間。

在構建電廠輔控的過程中，一方面要盡量遵循“管理集中、控制分散”的原則，減少風險的集中，并采用不同的拓撲結構滿足不同的冗余要求。由于電廠電磁干擾大，應盡量采用光纖介質(zhì)來增加網(wǎng)絡的抗電磁干擾能力。另一方面在網(wǎng)絡產(chǎn)品的選型時需要考慮電磁兼容性、工作溫度、防震等指標是否能滿足電廠惡劣環(huán)境的要求。工業(yè)現(xiàn)場交換機一般是和控制器一起安裝在控制柜中，因此必須是工業(yè)級設計，最好采用卡軌方式安裝，無風扇散熱方式，工作溫度范圍需要從0到55～60℃。此外，整個網(wǎng)絡的MTBF值一般要遠小于組成元素的MTBF值，但在很大程度上它也取決于組成元素的MTBF值，因此在選擇工業(yè)網(wǎng)絡產(chǎn)品時需要選擇MTBF值盡可能高的產(chǎn)品，一般情況下現(xiàn)場卡軌式交換機的MTBF值要在15年以上。

同時，要盡量減小平均故障修復時間MTTR。因此需要選用帶有SNMP網(wǎng)絡管理功能的交換機，這樣可以采用WEB方式或網(wǎng)絡管理軟件對交換機和整個網(wǎng)絡系統(tǒng)進行組態(tài)、診斷、故障定位和管理。需要注意的是SNMP網(wǎng)絡管理概念非常廣泛，對于工業(yè)網(wǎng)絡交換機來說，對SNMP TRAP(故障陷阱)的支持可以在最短時間內(nèi)實現(xiàn)故障報警。

3  輔控網(wǎng)絡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊

在發(fā)電廠的輔助系統(tǒng)中，控制設備往往不同生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品，通訊設備的接口協(xié)議也不盡相同。因此，在組建全廠輔控網(wǎng)絡系統(tǒng)時，必須要有統(tǒng)一的通信和接口方式來解決不同種類設備間的通訊問題。依據(jù)上述對輔控網(wǎng)絡的實時性和可靠性的分析，以及發(fā)電廠的實際情況，在構建輔控網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)時，建議注意以下幾點：

(1)  輔控網(wǎng)絡最好采用工業(yè)以太網(wǎng)，因為目前只有工業(yè)以太網(wǎng)可以提供從工廠設備層到廠級信息的全網(wǎng)絡的技術支持，現(xiàn)場總線和PLC專用網(wǎng)絡還不可能提出這么大范圍的信息傳輸能力。為了符合電廠未來的發(fā)展和改造，網(wǎng)絡交換機最好采用模塊化結構，具有網(wǎng)管功能，同時支持IE瀏覽器管理。

(2)  輔控系統(tǒng)和PLC、監(jiān)控軟件接口，以及與第三方通信接口最好采用OPC規(guī)范，并且要求OPC支持遠程通信。

(3)  為了符合國家對電廠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡安全的規(guī)定，輔控網(wǎng)絡與電廠實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的接口必須是單向通信，數(shù)據(jù)只能從輔控系統(tǒng)送到實時數(shù)據(jù)庫。

4  高可用性輔控網(wǎng)絡的拓撲結構

組建高可用性的發(fā)電廠輔控網(wǎng)絡系統(tǒng)可采用多種方案，根據(jù)筆者對輔控網(wǎng)絡的工程實施經(jīng)驗及工業(yè)網(wǎng)絡的特性，星環(huán)混合型輔控網(wǎng)絡具有最高的可靠性和系統(tǒng)實時性，如圖1所示。

每個輔助車間控制配置有就地備用操作站，以及冗余工業(yè)交換機，現(xiàn)場輔助控制系統(tǒng)通過冗余的交換機上聯(lián)到集控室。當全部完成輔控系統(tǒng)改造，進行集中控制，也可以取消就地備用操作站。現(xiàn)場輔助控制系統(tǒng)交換機采用超級冗余環(huán)技術（如赫斯曼電子公司的Hyper-Ring）配置成容錯環(huán)網(wǎng)，當環(huán)網(wǎng)某一點發(fā)生故障，系統(tǒng)可以在<300ms的時間內(nèi)恢復正常工作，PLC和交換機端口可以根據(jù)需要配置不同的冗余度。輔控系統(tǒng)集中控制中心網(wǎng)絡也配置成容錯環(huán)網(wǎng)，現(xiàn)場輔控系統(tǒng)網(wǎng)絡和集控中心網(wǎng)絡之間采用環(huán)間冗余技術實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)之間的冗余連接，確保冗余切換時間<300ms。

圖1  星環(huán)混合形結構輔控網(wǎng)絡系統(tǒng)

 這樣，整個輔控網(wǎng)絡不僅具有環(huán)形網(wǎng)絡的切換快速、安全可靠的特點，還綜合了星形網(wǎng)絡多路交換、施工方便、擴展靈活的功能，提高了系統(tǒng)的可靠性和實時性。

5  高可用性輔控網(wǎng)絡的軟件配置

為了組建高可用性輔控網(wǎng)絡，除了配置冗余交換機、PLC通訊模板及對等操作員站和容錯服務器外，還必須合理配置整個輔控系統(tǒng)的監(jiān)控軟件架構。監(jiān)控軟件是輔控系統(tǒng)的核心，它完成了與PLC或其它智能儀表的通訊接口和驅動，實時/歷史數(shù)據(jù)庫的定義，工藝系統(tǒng)畫面的組態(tài)、鏈接和實時監(jiān)控，報警、報表、故障查詢、事故追憶等功能的實現(xiàn)。因此，所有輔控子系統(tǒng)的上位機監(jiān)控軟件必須選擇高性能的可靠的統(tǒng)一的產(chǎn)品。

由于全廠輔控系統(tǒng)I/O點數(shù)龐大，全廠輔控系統(tǒng)軟件架構最好采用基于分布式過程數(shù)據(jù)庫的客戶/服務器（DBC）模式。雖然基于分布式數(shù)據(jù)庫的客戶/服務器的控制系統(tǒng)需要監(jiān)控的I/O點數(shù)巨大，但由于只通過區(qū)域（或現(xiàn)場）服務器與現(xiàn)場操作站通信，集控層操作站的數(shù)據(jù)由服務器廣播而來，因此對網(wǎng)絡系統(tǒng)的通信負荷不會產(chǎn)生很大的影響，對集控層的操作站的硬件要求也大大降低，但由于要實現(xiàn)全廠輔助系統(tǒng)集中監(jiān)控，要求服務器或現(xiàn)場操作站必須冗余配置或配置容錯服務器。另外，最好設單獨的歷史站，用于降低服務器的負荷和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

6  結語

本文結合火力發(fā)電廠輔助控制系統(tǒng)的實際情況，從工業(yè)以太網(wǎng)的技術特點、拓撲結構和輔控系統(tǒng)軟件架構等幾方面出發(fā)，初步探討了組建高可用性輔控網(wǎng)絡的關鍵技術，希望能供有關的工程技術人員參考。

此外，全廠輔控系統(tǒng)能否實現(xiàn)設計目標，除了本文探討的技術外，很大程度上取決于輔助系統(tǒng)本身的可用性，如執(zhí)行機構質(zhì)量、限位開關動作是否靈活可靠、變送器是否準確無誤；另外，由于控制中心遠離現(xiàn)場，所有自動控制流程所涉及的一次設備應是可控的，不能有手動閥之類的設備，這樣才能確保在控制中心對各輔助系統(tǒng)進行有效的監(jiān)控。