plc直接上网结构智能设备接入方式探讨(1)

PLCPLC 直接上网结构智能设备接入方式探直接上网结构智能设备接入方式探 讨讨(1)(1) 摘要：本文简述了国内水电厂计算机监控系统变化发 展历史和变化过程，对计算机监控系统现地控制单元的结 构发展方向进行了探讨。重点探讨了近几年开始应用 PLC 直接上网 LCU 结构及其特点，主要讨论了在该种模式下智 能设备接入的方式、速率、可靠性、编程的复杂性、可接 入设备的数量等方面的特点。本文通过比较分析的方法对 这些问题作了比较详细的探讨，并得到下面结论：（1） PLC 直接上网的 LCU 结构优于经过工控机上网 LCU 结构； （2）智能设备以直接接入 PLC 现地总线方式最好；（3） 智能设备经串口转换接入 PLC 或经串口直接上网方式，具 有普遍应用意义；（4）智能设备直接上网是很有前途的方 式。 关键词：水电厂无人值班计算机监控系统现地控制单 元结构 自从二十世纪八十年代中期，计算机监控系统在水电 厂开始应用以来，它在水电厂应用越来越广泛。新建电厂 大多数都采用计算机监控系统与新机组同步投运，绝大多 数没有采用监控系统的老水电厂已经或正在进行以计算机 监控系统为中心的综合自动化改造。计算机监控系统是水 电厂创国内一流水电厂基础，更是创国际一流水电厂，实 现“无人值班，关门运行“的前提条件。 随着计算机监控系统在国内水电厂应用不断扩大，计 算机监控系统的结构也在不断地变化发展。近一二十年， 计算机按照摩尔定律迅速发展，对监控系统结构的发展影 响很大。论文作者从事计算机监控系统的现地控制单元 （以下简称 LCU）研制工作，愿意将近来 LCU 结构变化趋势 与大家共同分析探讨，希望同行专家能多提宝贵意见。 1计算机监控系统整体结构发展情况 在二十世纪八十年代初期，水电厂计算机监控系统处 在探索阶段。其典型的结构是集中式结构。这主要受当时 硬件资源的限制。当时可供选择的计算机设备种类少且价 格高，限制了其它结构方式的发展。其主要缺点是灵活性 差、可靠性差、实时性差。 到二十世纪九十年代中期，逐渐形成现在计算机监控 普遍采用的模式：分层、分布、开放。目前，领先公司的 产品已达到全分层、全分布、全开放、面向对象。所谓分 层是指计算机监控系统按功能分成现地控制层、厂站控制 层、梯调（或集中）控制层（根据实际需要设立该控制层） 。 现地控制层的功能是现地数据的采集并上送给厂站控制层 及梯调控制层（以下将厂站控制层、梯调或集中控制层简 称为上位系统） ，根据指令或自启动执行顺控流程。监控系 统的实时性主要由现地控制层来保证，因此它要具有非常 好的实时性和很高的可靠性。厂站控制层根据监控系统运 行工况，由运行人员对现场设备发出控制命令（设备不成 组） ，或根据负荷曲线或根据电网频率变化自动进行控制 （设备成组情况） 。梯调（或集中）控制层是厂站层的延伸， 在流域梯级电站或电站群的情况下设立，负责所管辖电站 的经济运行和统一调度。上位系统要求具有良好的人机联 系手段，完善的功能，较高的运算速度，长期稳定运行的 性能，较强的与其它系统联接或通讯能力。分布是指将现 地控制层依据现场设备分成一个一个单元，每个单元建立 相对独立 LCU。在水电厂监控系统中，一般每台机组设一个 LCU，开关站、公用设备、厂用电设备、大坝等依据控制设 备的多少、设备的布置及资金情况设一个 LCU 或若干个 LCU。分布使监控系统功能得到分散，各层有各层的功能， 根据各层功能要求设置各层设备，使不同层计算机设备的 性能得到充分发挥。分布使现地设备的控制彼此独立，有 利于设备独立运行、方便维护检修。分层、分布使计算机 监控系统功能分配合理，可靠性提高，设备维护检修非常 方便。开放（性）主要指监控系统的软件适应硬件的程度， 以及监控系统的节点可扩展性。实践证明，计算机监控系 统的分层、分布、开放的模式是正确的，是经得起时间考 验的。 2LCU 结构及改进的必要性 到目前为止，普遍使用的 LCU 结构如下图所示： 图一中虚框内为 LCU 部分，可以看出 LCU 主要由工控 机和可编程控制器（以下简称 PLC）构成。扩展串口部分作 为工控机串口的扩展提供与其它智能装置、设备通讯接口。 PLC 作为主控制器，采集 LCU 开关量输入、脉冲量输入、数 字量输入、模拟量输入，根据给定的指令或流程自启动控 制（开关量）输出，对设备进行控制。在有些情况下，LCU 还要通过模拟量输出驱动指示仪表。从这种结构可以看出， PLC 作为 LCU 数据采集与控制的中心，它的实时性、可靠性 非常重要。从工程中使用较多的几家国外著名的 PLC 厂家 如施耐德、通用电气、西门子、罗克韦尔、ABB 等 PLC 产品 上看，都是完全工业化的产品，可靠性高、实时性好，适 于恶劣环境下使用。 这种结构中的工控机，是作为 LCU 主机而存在的。它 的主要任务是将 PLC 采集的数据进行标度变换、越限报警、 数据打包等数据处理功能，并将 LCU 的所有数据上送到上 位系统。同时，上位系统的控制命令经工控机下达给 PLC。 工控机作为网络接口，起承上启下的枢纽作用，它的任何 故障，都使 PLC 与上位系统中断通讯。它的数据处理能力 强，可以做为现地 LCU 的人机联系手段，为现地维护和设 备试验提供方便。工控机与上位系统数据交换的速率早期 为 10Mbps，现在多为 100Mbps。10Mbps 与 100Mbps 两种速 率均能满足数据交换的要求，当然 100Mbps 速度更快一些。 3PLC 直接上网及智能设备接入问题 随着计算机硬 件、软件的快速发展，特别是网络技术的快速发展，著名 工控厂家及系统集成商都大力开发以太网产品，关注 PLC 的直接上网问题。现在国际上知名的 PLC 厂家产品均能够 实现直接上网，如施耐德公司全线的 Quantum 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 的有关系列控制器等。 采用直接上网的结构，必须妥善解决 PLC 直接上网后 智能设备的接入问题。采用直接上网的结构，坚持分层分 布（单元）式的结构原则，就是要达到与 LCU 有关的各种 数据采集和控制都必须由 LCU 来实现的目标。现在，LCU 一 般都需要与一定数量的智能设备进行通讯。在有工控机结 构的 LCU 结构中，通讯实现是比较容易的，通讯的方式也 比较灵活。但在采用 PLC 直接上网的结构后，就必须考虑 各种 PLC 产品特性对接入 LCU 智能设备的影响。PLC 与工控 机相比，通讯接口少，方式比较少。LCU 智能设备接入问题， 解决的总的方法有两种，一种是直接或经转换接入 PLC，一 种是直接接入以太网。由于各种 PLC 产品分别产于不同的 公司，它们的特性也各不相同，因此实现智能设备接入 PLC 的方法有多种多样。在比较国外主要 PLC 产品特性基础上， 在满