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    近年來隨著計算機技術、網絡通信技術的迅猛發展，PLC從控制功能、處理速度、聯網能力等各方面得到了很大提高。尤其PLC網絡通訊功能的發展，使得許多電廠借助計算機通訊網絡，實現了輔助車間的相對集中監控及系統的自動運行。華能德州電廠三期工程水系統即采用相對集中的原則進行了規劃設計，并已完全投入運行，達到了設計要求。經過2年多的運行，運行比較穩定，但也暴露了一些問題和不足。

1   水系統集中監控方案

    華德電廠三期擴建工程安裝2臺660MW的燃煤發電機組。由于各輔助車間的布局比較分散，根據各系統的相似性和互通性以及安裝位置，將三期輔助車間設置了水、煤、灰三個集中控制室，水系統集中控制室主要監控所有水處理及其輔助設備。

1.1 控制范圍及控制方式
    三期工程水系統涉及范圍較大，控制設備較多，但其地理位置又相距較遠，我們結合水系統設備的地理分布、在生產過程中的重要性以及國內計算機網絡技術的應用，借鑒國內兄弟電廠經驗，將水系統控制方案初步設計為采用PLC+CRT集中監控，控制室布置在補給水車間內，操作員在此完成補給水處理（包括反滲透）、凈水室、公用水泵房、補水閥門切換間、制氫站、循環水弱酸處理、循環水加氯、氣浮處理、生活污水處理、工業污水處理、雨水泵房、凝結水處理、汽水取樣和加藥系統等所有水系統設備的遠方監控。
    根據工藝系統的布置，將各水系統劃歸為四個控制區：補給水處理控制區、循環水弱酸處理控制區、污水處理控制區、凝結水處理和汽水取樣、加藥控制區。
    補給水處理控制區包括以下系統：補給水處理（包括反滲透裝置）、補水閥門切換間、凈水室和公用水泵房。
    污水處理控制區包括以下系統：工業污水處理、生活污水處理和氣浮處理。
    循環水處理控制區包括以下系統：循環水弱酸處理、循環水加氯、制氫站和雨水泵房。
    凝結水處理區包括以下系統：凝結水精處理、汽水取樣和化學加藥系統。
    作為控制中心的補給水處理系統采用獨立的PLC控制，污水處理控制區采用遠程I/O作為補給水控制系統的一個子站循環水處理區和凝結水處理區均采用獨立的PLC控制，并均通過網絡連接的方式接入水系統集中控制室內。控制室內不再設常規控制儀表盤。

1.2 監視及控制系統結構
    水系統集中控制按PLC（下層）+上位計算機（上層）的系統結構設計。需接入上位機系統的下位PLC系統有：循環水弱酸處理的PLC系統、循環水加氯的PLC系統、制氫站的PLC系統、凝結水精處理的PLC系統、汽水取樣和加藥的PLC系統。

    要實現水系統集中控制的目標，集中控制網絡的設計和實施方案是實現水系統集中控制的核心部分，一者要求該網絡能夠敷設通訊的距離較遠、實時性強；二者要求該網絡可靠性強且便于不同系統的連網；第三為便于系統連接，PLC的選型、上位機軟件應盡量統一，同時應考慮分布式數據庫的應用。
    通過收資論證，我們確定采用兩級網絡系統來構成整個集中監控系統，各控制區的PLC系統連接在工業控制主干網上面，上位機系統通過工業控制主干網實現對各個PLC系統進行訪問，具體結構見附圖-1。補給水處理系統、循環水弱酸處理系統PLC選用A-B公司的PLC-5系列產品，并選用CONTROLNET網絡為主干網，為保證控制系統的可靠性， PLC的CPU模件、電源模件、通訊接口模件均應冗余配置。其他控制系統均采用A-B公司的PLC，且必須具有與CONTROLNET網絡通訊連接的能力。
    系統配置4臺上位機，上位機監控軟件采用Intellution iFix，并基于簡體中文版WINdows NT 4.0及以上版本環境下運行，使系統具有較好的運行實時性，又有良好的開放性。

1.2.1第一級網絡-工業控制主干網絡
    主干網絡采用冗余CONTROLNET網絡，它是A-B公司近幾年推出的開放型現代化高速工業控制網絡。CONTROLNET屬于IEC標準子集之二，是主要用于PLC與計算機之間的通信網絡，也可在邏輯控制或過程控制系統中用于連接串行、并行的I/O設備、人機界面等。數據傳輸速率可達到5Mbps，其介質采用同軸電纜或光纖，其主要特點為：

    l CONTROLNET采用了并行時間域多路存取（CTDMA）技術，一是提高了網絡帶寬的有效使用率。數據一旦發送到網絡上，多個節點能夠同時接受，當更多設備連接到網絡時也不會增加網絡的通訊量。二是數據可同時到達各節點，保證各節點的精確同步化。
    l CONTROLNET設計了通信調度的時間分片方法，即滿足了對時間有嚴格要求的控制數據的傳輸要求，又滿足了信息量大、對時間沒有苛求的數據與程序的傳輸。
    l CONTROLNET通信采用虛擬令牌訪問機制。網絡上不存在專門起令牌作用的幀，令牌隱含在普通數據幀中。完全避免了介質訪問沖突的發生。
    各下位PLC和上位機均連接于CONTROLNET，通過CONTROLNET實現各系統之間及與上位機的數據共享和數據交換。

1.2.2第二級網絡-TCP/IP以太網
    為實現上位機之間的數據庫共享以及各種資源共享（文件、打印機等），選用了兩臺基于TCP/IP的100M網絡交換機實現上位機之間的通訊。每臺上位機上配備兩塊以太網卡，分別與兩臺網絡交換機連接，實現互為熱備用的功能。同時網絡交換機還可提供與DCS的通訊接口。

1.2.3分布式數據庫的設計概念：
    根據初步統計，系統集中后系統I/O點要達到3200點左右。根據經驗，上位機系統軟件所需要的中間點數（標簽名）約為實際I/O點的2.0-2.5倍。由此可見標簽量可達到10000點，如每臺上位機均裝有所有系統的數據庫，勢必會導致一級控制網絡的負荷量很大，從而影響整個控制系統的響應速度，無法滿足數據刷新的要求。為解決以上問題，將數據庫進行了分開配置，將#1和#2上位機作為補給水處理控制區和污水處理控制區的上位機，兩臺上位機裝有一致的FIX數據庫，它們之間的關系是互為備用且可獨立操作，對可執行的操作同步反應。#3和#4上位機作為循環水控制區、凝結水精處理、汽水取樣和加藥等的上位機，兩者數據庫一致并互為備用。
    通過冗余的二級網絡（以太網TCP/IP）來實現數據庫之間的通訊，從而實現數據庫的集中。對于操作員來講，這四臺上位機功能會完全一致。同時100兆高速太網交換機等硬件保證了上位機之間調用分布式數據庫的速度，在此情況下的數據庫調用絕對不會影響整個通訊網絡的負荷率。

2、系統出現的問題和不足：

    經過各方人員的共同努力，整個網絡均投入運行，基本達到設計要求。但在調試和試生產過程中也暴露了一些問題和不足。

2.1  網絡結構設計不盡合理
    各系統控制主干網均采用CONTROLNET網絡，上位機與下位機的通訊也采用CONTROLNET網絡，使得整個水系統控制網絡相當龐大，系統標簽量達到10000點。這樣使得整個網絡通訊量相當大，網絡負荷率較高，尤其上位機反應時間感覺較慢。并且由于各系統都通過同一網絡進行通訊，如某通訊點出現故障將影響整個網絡，因此網絡的可靠性不高。
    當然這樣的網絡結構主要是受當時PLC網絡通訊功能的限制。目前隨著各品牌PLC網絡通訊能力的發展，尤其ETHERNET以其通訊量大，造價低得到各品牌廠家的重視，各系統控制主干網已普遍采用ETHERNET，即各PLC內部采用各自的控制網（如：A-B的DH+、CONTROLNET；SIEMENS的PROFIBUS；MODICON的MODBUS、MODBUS+等），各控制系統之間及與上位機之間通訊均采用ETHERNET。這樣使得各系統PLC的控制網絡相對獨立，可靠性較高；同時與其它系統或上位機的數據交換不通過控制網絡使得控制網絡的負荷率降低，通訊速度得到提高。
    華德電廠三期工程兩臺機組作為新近投產機組不可能進行大的改造，并且系統運行基本正常。不過為提高系統的可靠性，也對網絡進行了一定的優化，目前已將控制網絡分為兩部分，即補給水處理控制區和污水處理控制區為#1網絡，循環水處理控制區和凝結水處理控制區作為#2網絡。#1和#2上位機連接到#1網絡，#3和#4上位機連接到#2網絡，上位機之間通過網絡交換機進行數據交換。使系統可靠型得到了一定提高，控制網絡負荷率得到了降低。

2.2 PLC遠程I/O站設置不合理
    污水處理控制區采用遠程I/O作為補給水控制系統的一個子站，與CPU的所有數據交換（包括中間標簽量）均通過CONTROLNET，使得網絡通訊數據量增加不少，加重了控制網絡的負荷率。
    由于污水處理與補給水處理從工藝流程來說相對獨立，相互之間沒有連鎖關系和數據交換，且該系統具有一定規模，因此采用獨立的PLC比較合理，不宜設置遠程I/O站。
    一般設置I/O站的原則為：通訊距離較遠，與主系統存在一定連鎖或工藝關聯，數據通訊量不大（根據整個系統規模，一般不超過5%）。

2.3 PLC的選型沒有統一
    為保證各系統PLC的通訊能力，在設計招標階段就注重了PLC的統一選型，但到了合同執行階段發現雖然要求了PLC品牌的統一，但由于整個網絡結構確定較晚，一些系統沒有對具體的通訊接口進行要求，因此出現了一些問題。
    如凝結水精處理系統，該控制系統廠家所配PLC為AB  PLC-5/60，符合合同要求，但系統網絡為DH+，沒有CONTROLNET接口。為此經與網絡承包商研究，不得不另外在凝結水精處理控制室增加一個CONTROLNET網關，將DH+與CONTROLNET進行轉換，網關作為CONTRLONET網絡的一個節點，以實現與CONTROLNET的通訊。
    同樣汽水取樣、化學加藥控制系統所配PLC為AB  SLC-5/04，但系統只配備了一塊CONTROLNET SCANNER，僅能用于I/O擴展，不能用于聯網。因此另行增加了一塊CONTROLNET RS232C接口模件，實現了與CONTROLNET網絡的連接。
    總之由于PLC網絡接口的不統一，致使網絡結構更加復雜，并增加了一定投資費用。

3  結束語

    網絡結構設置是否合理直接關系到控制系統的正常穩定運行。一個系統網絡結構的設置應進行充分論證，及早確立。相信隨著PLC網絡能力的強化和控制功能的增強，控制網絡結構的設置必會更加合理、完善。