西门子6ES7551-1AB00-0AB0

　　经过多年努力，计算机监控系统在水电厂及其它领域的应用越来越广泛。对于水电厂来说，采用一套结构合理、功能完善、可靠性高、人机界面友好的计算机监控系统，是水电厂提高安全生产水平，实现“无人值班（关门运行）”的环节。非常可喜的是，经过国内同行们的努力，国内计算机监控技术的发展很快，已经接近或达到同类产品的国际先进水平。

　　随着近几年计算机硬件、软件的快速发展，国内计算机监控技术不断得到发展。本文作者参加了清江隔河岩水电厂计算机监控系统改造工程，现就该厂LCU改造的特点，改造中所采用的新技术及LCU新型结构，进行初步探索，谈一下个人的看法，不当之处，希望批评指正。

1.监控系统改造的目标

　　隔河岩水电厂原采用加拿大的计算机监控系统，已稳定运行多年，为该厂安全生产及创国内水电厂作出了应有的贡献。但随着国民经济的发展，对电力系统、对电厂的要求越来越高，向国际的水电厂的技术、管理水平看齐，创建国际水电厂，从而实现管理水平高、技术先进、人员进一步精练、关门运行的目标，势在必行。一方面，原有的系统功能已不能满足要求，另一方面备品备件订货越来越困难，而且价格非常高，对电厂的安全运行形成隐患。为此对老系统必须进行更新改造，以便为创国际水电厂打下坚实的基础。对于LCU，改造的方法是：现地设备仅保留原有的盘柜柜体、自动准同期装置和24V电源、照明等少量附件，其它全部拆除，取而代之的是新的LCU，采用施耐德公司 系列PLC作为控制器。中国水利水电科学研究院自动化所提供了五套LCU，本文作者参加了LCU的研制、现场安装调试等改造工作，本文是对改造工作的总结和思考。

2.LCU改造的特点

　　2.1控制流程方式不同

　　原监控系统是加拿大CAE研制的，CAE的模式与国内的一贯做法有很大差异。比如，开机有九大步，停机也有九大步。对于常规水电厂的机组，而我们的一贯做法是五态转换，所谓五态即停机态、空转态、空载态、发电态、不定态（前四种状态中过渡状态称为不定态）。（对于有调相任务的机组，还有调相态;对于抽水蓄能机组，还有水泵态;但不在讨论的常规机组范围之内。）机组一定处于五种状态之中。机组的开机、停机、解列、解列后并网等操作，不过就是机组在的停机态、空转态、空载态、发电态四种状态间的转换。虽然两种表示方法实质是一致的，但习惯于五态转换的人，要熟悉开机、停机各九大步，需要一定的时间。考虑到电厂从运行人员到检修维护人员都谙熟这开、停机九大步这一因素，虽然编程与调试都需要付出较大的努力去适应，还是采用了原来的开、停机九大步形式，以方便电厂人员的运行与维护。

2.2使用结构化文本语言来编程

　　原有计算机监控系统的LCU的程序是使用文本化语言编写的，它的风格与C语言相类似。与机组开停机形式采用各九大步相类似，由于电厂维护人员熟悉文本化语言，要求全部采用文本化的编程语言编写LCU的程序。在使用可编程控制器（以下称为PLC）时，我们通常使用梯形图的语言。它的好处是编程易学、直观、与电气二次展开图极为相似，非常适合电厂人员掌握，可以使现场维护人员方便的进行对程序的维护。在隔河岩计算机监控系统LCU部分改造中，采用了施耐德（Shneider）公司的 系列PLC，编程软件采用Concept2.2。该软件支持国际电工委员会IEEE1131的标准的全部五种语言，即：支持FBD（Function Block Diagram功能块图）、SFC（Se Function Chart顺序功能图）、LD（Laddar Diagram梯形图）、ST（Structured Text结构化文本）和IL（Instruction pst指令表）五种语言。前三种语言是图形方式，后两种是文本方式。由于指令表IL语言指令的特点，具有可读性差，指令简单，不直观，可移植能力差，非结构化文本（有JUMP指令），数据处理能力不强（无循环FOR语句），只能适合较小规模的控制。ST语言是一种结构化的文本语言。它与C语言很相似。它不仅具有丰富的逻辑处理能力，它还具有IF、CASE、FOR、WHILE、REPEAT、EXIT、EMPTY等语句，数据处理能力非常强，没有GOTO、 JUMP或类似的指令。因此，它的移植性很好,有利于程序的标准化。它与FBD、LD、SFC相比，不够直观，与电气二次展开图相去较远。另外，它的不足之处是占用较多内存且扫描周期要长一些（均与FBD、LD、SFC相比）。上面提到了LD语言的一些优点，FBD图与电气二次的原理图更接近。FBD、 SFC、LD都不具备IF、CASE、FOR、WHILE、REPEAT、EXIT、EMPTY等语句，数据处理能力不够强。根据我个人使用情况，比较可取的方法有：（1）全部使用ST;（2）使用ST与FBD相结合;（3）使用ST与LD相结合。（2）和（3）两种方法能够将两种语言的特点结合起来，是比较好的方式。因为用数据处理能力强的文本化语言处理数据，用直观性好的LD或FBD编制顺控流程，现场的技术人员能够比较容易接受、容易理解、容易接受。现场的技术人员关心的是顺控流程。我个人比较倾向于（3）的方式。

　　但是对于熟悉使用C语言或类似C语言的其它文本化语言的工程技术人员来说，或者对于特别复杂的顺控流程用LD或FBD实现很困难的情况，使用结构化文本ST语言是一个明智的选择。隔河岩的情况就是这样，他们原来加拿大CAE计算机监控的LCU的全部流程是用类似C语言的文本化的语言编制的，他们的机组顺控流程也很复杂，因此电厂要求所有流程使用ST语言编制。这样，改造后的LCU的程序，与原来的程序风格上接近，电厂的技术人员比较容易理解和维护。实践证明，选择ST语言是正确的。

　　2.3 PLC直接上网

　　经过多年探索和实践，计算机监控系统普遍采用分层、分布的系统结构，也就是按照被控设备分成单元，即LCU。现在较为普遍的LCU一般由工控机、控制器（PLC：用于数据采集和控制）、自动准同期装置、转速装置、变送器、电源等附件组成。工控机作为计算机监控系统内部网上的一个结点，各种数据经过工控机送到网上各个结点，控制命令经工控机下达到控制器等设备。因此工控机的可靠性显得非常重要。虽然工控机是工控产品，由于它的风扇、硬盘驱动器、软驱等旋转部件的存在，可靠性就有所降低。针对这种情况，人们把眼光纷纷投向以太网，考虑PLC的直接上网。

　　现在国际上的几大厂家的PLC均能够实现直接上网，如施耐德公司全线的系列、Premium系列等、通用电气公司GE90-70系列、GE90-30系列、VersaMAX系列等、西门子公司的有关PLC、罗克韦尔PLC的有关系列控制器。

　　在隔河岩计算机监控改造工程中，采用了直接上网的形式。但它的结构还是符合分层分布（单元）式的结构原则。这种结构是符合“无人值班（关门运行）”的目标的。

　　2.4 冗余结构

　　双机热备冗余

　　现在PLC的可靠性是很高的，但为了把大型、特大型机组的可靠性提高到更高的水平，特别是满足隔河岩这种大型骨干电厂“无人值班（关门运行）”对 LCU的要求，同时也利于维护（一台运行，另一台可处于编程状态），采用了双机（CPU）热备结构。双机热备的实现有两种放方式，一是硬件方式，一是软件方式。硬件方式如施耐德公司系列PLC双机热备、通用电气公司GE90-70系列双机热备等;软件方式通用电气公司GE90-30系列双机热备有一般硬件的方式性能比较好。但是不管那种方式，都要达到无扰切换

　　也就是切换的过程要保证控制连续进行、数据不丢失。这一点是非常重要的。

　　在隔河岩计算机监控改造工程中，采用了施耐德公司系列PLC双机热备结构。当主控CPU故障或电源失去时，自动切换到备用CPU，备用CPU自动升为主控CPU，实现无扰切换。当进行维护时，可以手动进行主、备单元的切换。这样，可以提高可靠性指标。

　　光纤以太网冗余

　　对于LCU来说，它与系统的其它结点的连接方式，或说组网方式，现在普遍采用以太网，而且采用光纤作为介质。单网的可靠性已经很高，但考虑其它不可预见的机械物理上的等因数，可以考虑采用双光纤以太网。

　　隔河岩计算机监控系统采用了双光纤以太网。从LCU（PLC）而言，它的双光纤以太网工作方式不需要切换，而且是同时工作（ALL IN WORKING）的方式。这样，不需要切换，一旦一号网故障，二号网可以零时间切换过去。由此可以获得很高的性能。这是由 系列PLC的以太网实现的功能

  ①分析被控对象并提出控制要求
详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对 PLC 控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。
②确定输入／输出设备
根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与 PLC 有关的输入/输出设备，以确定 PLC 的 I/O 点数。
③选择 PLC
PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O 模块、电源等的选择
④分配 I/O 点并设计 PLC 外围硬件线路
分配 I/O 点：画出 PLC 的 I/O 点与输入/输出设备的连接图或对应关系表。
PLC 外围硬件线路：画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进 入 PLC 的控制电路等。由PLC的 I/O 连接图和 PLC 外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。
⑤程序设计
包括控制程序；初始化程序；检测、故障诊断和显示等程序；保护和连锁程序。根据产生现场信号的方式不同， 软件模拟调试。
⑥硬件实施
设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图；设计系统各部分之间的电气互连图；根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。 由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。
⑦联机调试
联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从 PLC 只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。 如不符合要求， 则对硬件和程序作调整。 通常只需修改部份程序即可。 全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到 EPROM 中，以防程序丢失。
⑧整理和编写技术文件
技术文件包括设计说明书、硬件原理图、 安装接线图、 电气元件明细表、 PLC 程序以及使用说明书等。    ①采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰
在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU 电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在，对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好电源，而对于变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源，并没受到足够的重视，虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以，对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少PLC系统的干扰。
此外，为了保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源（UPS）供电，提高供电的安全可靠性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。
 ②电缆选择的敖设
为了减少动力电缆辐射电磁干扰，不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敖设，以减少电磁干扰。
③硬件滤波及软件抗干扰结合措施
由于电磁干扰的复杂性，要根本消除迎接干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。
信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。对干较低信噪比的模拟量信号，常因现场瞬时干扰而产生较大波动，若仅用瞬时采样植进行控制计算会产生较大误差，为此可采用数字滤波方法。
现场模拟量信号经A／D转换后变成离散的数字信号，然后将形成的数据按时间序列存入PLC内存。再利用数字滤波程序对其进行处理，滤去噪声部分获得单纯信号，可对输入信号用m次采样值的平均值来代替当前值，但并不是通常的每采样m次求一次平均值，而是每采样一次就与近的m－l次历史采样值相加，此方法反应速度快，具有很好的实时性，输入信号经过处理后用干信号显示或回路调节，有效地抑制了噪声干扰。
由干工业环境恶劣，干扰信号较多， I／ O信号传送距离较长，常常会使传送的信号有误。为提高系统运行的可靠性，使PLC在信号出错倩况下能及时发现错误，并能排除错误的影响继续工作，在程序编制中可采用软件容错技术。
④正确选择接地点，完善接地系统
接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。
系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于22 mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2Ω，接地极好埋在距建筑物10 ～ 15m远处（或与控制器间不大于50m），而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。
信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。