工业以太网在火力发电厂的应用.pdf

第 3 1卷 第3期 2 0 0 9年 3月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h n 0 1 o g y Vo 1 ． 3l N0． 3 Ma r ． 2 0 0 9 工 业以太 网在火 力发 电厂 的应 用 Ap p l i c a ．t i 0 n 0 f i n d u s t r i a l Et h e me t i n p 0 we r p l a n t 白国华 ， 贾敬 臣 B AI Gu o - h u a ，J I A J i n g c h e n 华电国际邹县发电厂， 山东 邹城2 7 3 5 2 2 z o u x i a n P o w e r P l a n t ， H u a d i a n P o w e r I n t e ma t i o n a l C o I p o r a t i o n L i mi t e d ， Z o u c h e n g 2 7 3 5 2 2 ， C h i n a 摘要 介绍了以太网的发展状况， 分析了以太网冗余性、 开放性、 扩展性和可靠性的特点。在此基础上， 详 细论述了工业以太网在华电国际邹县发电厂四期工程 中的应用情况。以太网在火力发 电厂的应用， 极大地 提高 了电厂的 自动化水平 ， 取得 了 良好 的效果。 关键词 工业以太网； 辅助车间控制网络； 应用； 火电厂 中图分类号 T P 3 9 3 ． 1 1 T M 6 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 41 9 5 l 2 0 0 9 】 0 3一o 0 3 3 0 5 Ab s t r a c t T h e d e v e l o p me n t o f E t h e me t wa s i n t r o d u c e d ． I Ih e r e d u n d a n c y ，o p e n n e s s ，e x t e n s i b i J i t y a n d r e l i a b i l i t y o f Et h e me t w e r e a n a l y z e d ． B a s e d o n t h i s ， t h e a p p l i c a t i o n o f i n d u s t r i a l E t h e me t i n Z o u x i a n P o w e r P l a n t o f Hu a d i a n I n ． t e ma t i 0 n a 】 C o r p 0 m t i o n L i m i t e d P h a s e I V P mj e c t w a s d e s c r i b e d i n d e t a m T h e d e s c r i p t i o n s h o w s t h a t a u t o ma t i o n l e v e 1 0 f p 0 w e r p l a n t i s mi s e d g r e a t l y b y a p p l i c a t i o n o f E t h e r n e t i n t h e r m8 l p o w e r p l a n t ，a n d a g o o d r e s u 1 t i s o b t a i n e d ． Ke y wo r d s i n d u s t r i a l E t h e me t ； c o n t ml n e t w o r k o f a u x i l i a r y s h o p ； a p p l i c a t i o n ； p o w e r p l a n t O引言 1 工业以太网的发展状况 随着 自动化技术的发展和电力改革的深入以及 厂网分开 、 竞价上网的政策实施 ， 各电厂为实现降低 成本 、 减少设备维护成本和缩短维护周期的 目标要 求 ， 现代电力系统对 自动化及工业通讯 的需求也 日 益提高。另一方面， 在火电厂 ， 随着电力现场设备的 增多及其 自动化过程 的复杂化 ， 对辅控设备的数 据 采集与监控的要求也 日益严格。大型火力发电厂的 辅助生产车间一般均是 由水 网、 煤 网、 灰 网组成 ， 每 一 网都可独立成一个系统 ， 每个控制点相对分散 ， 不 利于生产数据上传到网络。随着企业对 自动化要求 的进一步提高， 为便于生产管理者远方监控、 调度、 干预整个电厂的辅控车间运行 的需要 ， 达到减人增 效之目的， 使企业的经济效益最大化。本文介绍了 华电国际邹县发电厂 以下简称邹县电厂 四期工 程21 0 0 0 M w机组用工业 以太 网实现的辅助 车间 控制网络系统的应用实例， 供有关同行参考。 收稿 日期 2 o 0 80 7 2 3 以太网及 T c P ／ I P通信技术在 I T行业获得了很 大的成功 ， 成为 I T行业应用 中首选 的网络通信技 术 ， 近年来已逐步向自动化行业发展 ， 形成与现场总 线技术竞争的局面 ， 其发展状况可以归结如下 2点 。 1 自动化技术从单机控制发展到工厂 自动化 和系统自动化。近年来， 自动化技术发展使人们认 识 到， 单纯提高生产设备单机 自动化水平 ， 并不一定 能给整个企业带来好的效益 ； 因此 ， 对企业 自动化技 术提出的进一步要求是将整个工厂作为一个系统实 现其 自 动化， 其 目 标是实现企业的最佳经济效益。 2 工厂底层设 备状态及生产信息集成 、 车 间 底层数字通信网络是信息集成系统的基础。为满足 工厂上层管理对底层设备信息的要求， 工厂车间底 层设备状态及生产信息集成是实现全厂 MI s ／ S I s的 基础。这就决定了生产信息的实时性、 可靠性以及 兼容性 ， 它必将成为现代 电力产业 工业通讯 网络的 发展 目标 。 3 4 华 电技 术 第3 1卷 对于电厂的辅助车间 公用系统 控制而言 ， 大 部分的功能只是实现顺序控制 ， 而 P L c的诸多优点 正好迎合 了这种需 要。所 以 ， 电厂 中的公用 系统 B O P 控制部分大部分是基于 P L c控制的。 以上几点给以太网进入 自动化领域发展提供 了 一 个难得的机会。 2 工业以太 网的特点 2 ． 1 冗余 性 在程序控制系统中， P L c系统 的专用通讯 网络 的冗余一直是一个比较难解决的问题， 硬件方面如 通讯 网和通讯模块以及软件方面的通讯问题都不能 解决， 一旦通讯 网和通讯模块 出现问题 ， 整个通讯网 络就会瘫痪。若通讯网络 系统采用工业 以太网， 通 过工业服务器和数据交换机 ， 就能采用冗余配置 ， 通 过交换机 ， 可以任意扩展通讯模块且可采用多层通 讯结构 。 2 ． 2开放性 在控制系统中， 一般有 2级 网络 ， 过程控制网和 实时监控网。在过程控制网中， 专用网络的开放性 是制约 P L C发展的一个重要原因， 一个生产厂商的 P L C不能兼容别的生产厂商 的 P L c， 而在一个大型 火力发电厂， 若要 统一 P L C型号几乎是不可能 的。 采用工业 以太网， 就很好地解决了联网问题。 目前 ， 已经推出了工业 以太 网的通讯模块 ， 也有了适用工 业以太网的通讯协议 ， 这是过程控制 网采用以太 网 的开放性的优点。在监控网中， 采用工业 以太 网既 可以与下一级过程控制网统一通讯， 又可以与厂级 通讯网实现通讯 如 s I s和 M I s 等系统 ， 使辅助车 间的信息均可在厂级通讯系统中进行监控。 2 ． 3 扩展性 系统的扩展性可体现在系统的灵活性中， 而工 业以太网是一个很灵活的网络 ， 只需在控制子 系统 中增加以太网卡和在上位机监控系统中增加以太网 模块， 并进行一些编程， 即可实现监控。专用网的总 长度一般不超过 3 k m， 而采用工业 以太 网的总长度 可达到 3 0 k m以上。 2 ． 4 可靠性 实际上 ， 以太网具有更高的可靠性。在 网络 的 通讯数据量相同时， 工业 以太网的负荷率 比令牌 网 的负荷率降低 5 0 ％。一般来说 ， 专用网的通讯速率 是 1 0 M b i t ／ ， s ， 而工业 以太网速率可达到 1 0 0 Mb i t ／ ／ s ， 甚至 1 0 0 0 Mb i t ／ ， s ， 大大提高了系统监控的实时性 。 3 工业以太网在邹县电厂四期工程中的应用 3 ． 1 系统结构 邹县电厂四期工程辅助车问主要有输煤、 除灰 渣 、 中水 、 反渗透 、 化水处理、 制氢站 、 综合水泵房、 暖 通等系统 ， 输煤还包括翻车机 、 斗轮机及煤水处理等 系统。整个辅控车间系统的网络结构采用可靠性高 的双冗余星型结构。双冗余星形结构较单一星形结 构网络可靠性更高。 辅助车间控制网络通过网络中心交换机与其他 站点交换 机连接 ， 构 成 网络 的主 干。该 网络采用 1 0 0 0 M b it ／ ， s 的光纤以太网作为数据传输的媒体； 而 控制层采用以太 网连接。网络拓扑结构采用可靠性 高的双冗余的星型结构， 将网络中心交换机与各站 交换机用光纤连接 ， 构成 1 0 0 0 Mb i t ／ ， s 快速以太网主 干 ， 其结构如图 1 所示。 图 1网络拓扑 结构简 图 3 ． 2 各辅助车间 P L C控制系统 各个辅助车间控制系统配置了 2台美国 N e m a t r o n上位机 小系统配置 1台上位机 ， 操作系统 为 wi n d o w s 2 0 0 0， 分别作为操作管理 、 维护分析用途的 人机界面设备， 在以太网上它们是独立对等节点。 P L C采用法 国施耐 德公 司昆腾 系列产 品， C P U为 1 4 0 C P U 5 3 4 1 4 A。本地站必须配置 M o d b u s P l u s 通 信模板1 4 0 N O M 2 1 2 0 0 ， 远程 I ／ ／ O方案各站点必须配 置适配模板 ， 主站采用 1 4 0 C R P 9 3 2 0 0 。远程站采用 1 4 0 c R A 9 3 2 o 0 。为保证 P L C系统的完整性， 配备 了系统所需的各种接头、 分支器、 终端器、 电缆， 各车 间 P L c配置时 I ／ ／ O点裕量不小于 l 0 ％ ， 机架槽位裕 量不小于 l O ％。上位机监控软件为 I n t e l l u t i o n公司 的 i F I x最新 3 ． 5版本 ， 开 发版 及运行 版各 1套， 使系统 既有较好 的运行 实时性 和多任务性 ， 又有 第 3期 白国华 ， 等 工业以太网在火力发电厂的应用 3 5 良好的开放性和稳定性。上位机监控软件应支持分 布式 c l i e n t ／ ， s e r v e r 结构 ， 并支持冗余 以太 网， 各辅助 车间 P L C结构图如图2所示 。 3 ． 3网络 系统 各辅助车间均采用可编程序控制器 P L C 实现 控制功能， 并对这些车间采用联 网集 中监控方式 ， 辅 助车间监控网采用速率 为 1 0 0 0 Mb s 工业 以太网 光纤 ， 网络通讯介质冗余配置， 监控点设在主厂 房集 中控制室 ， 即在辅 助车间监控 网的操作员站上 完成对邹县电厂三期化学水除盐处 理、 邹县电厂四 期化学水超滤反渗透处理 、 中水处理 、 除灰渣 、 制 氢 站、 综合水泵房、 空调采暖加热站等系统的监视与控 制 ， 并能对输煤程控系统进行远方监视。为在系统 调试 、 启动初期 以及生产巡检时方便运行操作 ， 各辅 助车间程控系统还设有各自的监控上位机。各辅助 车间程控 P L c系统与其车间监控上位机的组网方 式采用网速为 1 0 0 Mb i t ／ ， s以太 网。在集控室操作员 站可以对所有辅助系统进行监视操作， 就地操作员站 只能对本系统操作进行操作。集控室操作员站与就 地操作员站相互闭锁 ， 同一时间只能由一个站操作 。 网络控制站点配置见表 1 。辅助车间网络结构 图配置如图 3所示。 3 ． 4 网络系统技术功能介绍 辅助车间控制网络采用网速为 1 0 0 O M b s 工 业 以太网 光纤 ， 网络通讯介 质冗余配置 ， 控 制系 统网络易于组态 、 易于使用 、 易于扩展 。网络系统采 取有效措施以防止各类计算机病毒的侵害和数据丢 失。全厂辅助车 间控制 网络设计按 站点数不小 于 2 0 个 、 I ／ ／ O点容量不 小于8 O 0 0 点 、 标签量点 不小 于 表 1网络控制 站点配置 2 0 0 0 0点来配置。 3 ． 4 ． 1 硬件 所有硬件都是制造厂的标准产品或标准配置。 所有功能相同的硬件设备统一型号 ， 利于减少备品 备件的型号和数量。所有设备能在强电场、 强磁场 和振动 环境 中连续 稳定 运行 ， 能在 环境 温度 0～ 5 0 ℃和相对湿度 1 0 ％ ～ 9 5 ％ 不结露 的环境 中连 续运行。 网络配备 2台独立的上位监控机做为操作员 站 ， 2台上位机之 间有操作上 的互相 闭锁功能， 另外 配 1台工程师站 以便于软件 的开发 、 组态工作。操 作员站运行监视具 有数据采集 、 L C D画面显示 、 参 数处理 、 越限报警 、 制表 打印以及各系统 P L C参数 设置、 控制逻辑的修改、 系统的调试等功能。对控制 系统的组态不能影响系统 的正常运行。 辅助车间 P L C网络控制系统 中的主干 网络采 用网速为 1 0 0 0 M b s 工业以太网光缆， 采用双缆冗 余结构。 l l ， 0 远程 站 I ， 0 远程站 图 2 各控 制点 P L C控 制系统结构图 3 6 华 电技 术 第3 1卷 图 3辅助车J 司 控 制网络结构图 网络保证各站点 的信息在 网络上正确传递 ， 并 线进行组态。 满足实时控制的需要。网络通讯负荷最繁忙时不大 实时数据库安装于系统的容错服务器 内， 提供 于 2 0 ％。在整个网络不能正常工作时， 各系统车间 操作员站和厂级监控信息系统 S I S 的数据接 口。 P L c能独立工作以保证各系统车间和设备的安全 对系统组态的修改在工程师工作站上进行。不 性。网络配备 l 台容错服务器， c P u互为热备用， 做 论该系统是在线或离线都能对系统的组态进行修 为上位机与 P L C之间的通讯通道 ， 配置有独立的数 改。系统内增加或变换一个测点 ， 不必重新编译整 据库， 并作为网关计算机负责与厂级监控信息系统 个系统的程序。 S I s 的接 口 网速为 1 0 0 0 M b i t ／ ／ s 光 口 。辅 网电 软件功能主要指监控软件的要求 ， 它是基 于多 源柜布置在集控楼 电子设 备问， 并设双路电源 自动 任务、 多平 台、 实时性好 、 开放性好的集成软件包 ， 主 切换开关 ， 任一路电源断 电不影响系统正常工作 ， 以 要具有以下功能 显示功能； 安全功能 ； 历史数据管 保证系统上位机、 服务器、 交换机的供电。系统提供 理； 打印报表； 事件记录； 监控 T A G及调试； 数据库 U P S装置 1 套 ， 以保证工业电源失去时系统柜 、 上位 接 口与数据通讯 ； 控制操作功能。 机 、 服务器 、 交换机的供电。 3 ． 4 ． 3 画面设计规则 3 ． 4 ． 2 软件 按照各系统工艺流程图设计 L c D画面， 设有足 软件部分主要 由监控软件 、 编程软件以及实时 够的幅数以保证各工艺系统和控制对象 的完整性及 数据库组成 ， 它们分别实现全厂辅助车间网络上位 所控系统的运行和控制状况。各系统的监控画面统 机的监控、 各 车间 P L C逻辑 控制功 能 以及 系统 内 一 ， 使各系统具有统一 的风格 ， 统一 的操作方式 ， 并 部、 外部 的数据接 口。软件功能主要指监控软件 的 能合理 、 灵活地进行切换和调用 。 要求， 它是基于多任务、 多平台、 实时I生 好、 开放性好 可显示系统内所有的过程点， 包括模拟量输入、 的集成软件包 ， 标准画面和用户组态画面均汉化。 模拟量输出、 数字量输入、 数字量输 出、 中间变量 和 上位 机在 中文版 wi n d o w s 2 0 0 O环境下 运行 ， 计算值。 监控软件采用 I n t e l l u t i 0 n公司的 i F I x最新 版本 ； 服 3 ． 4 ． 4 网络系统分配方案 务器采用 s e r v e r 版 ， 操作员站采用 c l i e n t 版 ， 确保系 统既有较好的运行实时性 ， 又有 良好的开放性。 编程软件基于 wi n d o w s 2 0 0 0环境下运行 ， 能对 各系统 P L c进行控制算法和逻辑组态的软件。编 程软件支持功能块图、 梯形 图、 顺序功能流程 图、 指 令表 、 结构化文本等多种方法编程 ， 既可离线又可在 华电国际邹县发电厂辅助车间控制网络系统在设 计时已经考虑到方便实用、 易于维护的原则 ， 对系统硬 件大部分都做了明确要求， 即是大厂家的一线产品， 做 到硬件品种单一化 ， 以利于人员培训和降低维护费用。 辅助车间控制网络系统从根本上来说也是一个 完整 的P L c 系统 ， 唯一的区别之处在于它包含整个 第3期 白国华， 等 工业以太网在火力发电厂的应用 3 7 电厂辅助车间的 P L c控制系统 ， 是各个车间 P L c控 制 的整合。例如公用系统的综合水泵房 控制 ， 只要 控制 1套 P L c， 仅在它的 MB E里面配置了综合水泵 房的 P L C地址即可 。而辅 网的 MB E驱动里面配置 了全厂辅控车间的 P L c地址 ， 故在辅助车 间控制网 络的操作站上可以操作全厂辅控 车间的设备 ， 看到 全厂辅控车间的过程数据。 对于辅助车间控制网络来说 ， 就是通过光纤把 各个辅控系统所包含的 P L C程控系统连接起来 ， 然 后在辅 网的服务器上装一套 i F I x软件 ， 配置一个包 含所有子系统 P L C的 MB E文件。 首先 ， 服务器通过 MB E将下面各子系统的 P L C 数据读上来 ， 工程师站和操作员站会 和服务器进行 握手连接。连接后 自己就会去寻找服务器上收集上 来的数据 ， 然后 ， 反映到画面上来 ， 呈现各种不 同的 状态 。和下面子系统所看 到的一致 ， 当在操作员站 或者是工程师站上进行启动／ 停止的操作时， 可将数 据先发到服务器 ， 由服务器来将指令通过配置好 的 MB E发给相对应的 P L c， 以实现控制 。 辅助车间控制网络系统覆盖了输煤 系统 、 除灰 渣系统 、 化水处理 、 超滤反渗透 、 中水处理系统、 制氢 站、 空调采暖加热 、 综合水泵房等系统 。另外 ， 还设 有和厂级监控信息系统 s I s 接 口。 4结束语 目前 ， 工业 以太网在火力发 电厂 中的应用 ， 主要 体现在辅助车间的控制系统中， 它大大提高了全厂 的 自动化生产水平 ， 为电厂的减员增效及降低成本 起到了很好 的作用。同时 ， 为 电厂 的辅控车间最后 取消运行生产人员， 达到无人值班， 提供了可能。国 际上已经有一些公 司在积极推广工业 以太 网技术 如法国施耐德公司 ， 面向工厂 自动化提 出了基 于 以太网 T C P ／ I P， 称之 为“ 透 明工厂” 的解决方案。 因此 ， 随着控制水平 的不断发展 ， 工业 以太 网的应用 范围会越来越大 ， 发展前途也会越来越广阔。 参考文献 [ 1 ] 郭芳瑞． 浅谈现场总线控制系统与集散控制系统[ J ] ． 现 代电子技术 ， 2 0 0 3 ， 2 6 1 4 3 5 3 8 ． [ 2 ] 杨金奇 ， 刘学军． 工业以太网技术及其应用现状与发展 [ J ] ． 四川工业学院学报 ， 2 0 0 2， 2 l 3 3 43 7 ． [ 3 ] 唐涛． 电力系统厂站 自动化技术的发展与展望 [ J ] ． 电力 系统 自动化 ， 2 O 0 4， 2 8 4 9 29 7 ． 编辑 王书平 作者简介 白国华 1 9 7 4 ～ ， 男 ， 山东单 县人 ， 华 电 国际邹 县 发 电厂工 程 师 ， 从 事 自动控制方面的工作。 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ●● ● ● ● 上接 第3 2页 这样的好处是当发现 N c S采样或者 自采样不准或有故障时可选择用另外一个正常的数 据做为主量测数据， 用于分析计 算 ， 让 A V c能独立 的工作 。 5 分 析计算用 的实 时数据 也做 到 了精 确筛 选 ， 在技术规范要求的基础上 ， 对用于控制的所有数 据全部做了双量测 ， 在控制 中只要有某一个量测 比 对有异常就停止控制 ， 如果这个异常是 由于变送器 的故障引起而不是电力 系统真实存在问题 ， 软件 中 做了人性化的设置可选择“ 取消双量测异 常约束” ， 电厂可在排除硬件故障后再启用 A V c， 这样大大提 高了控制的安全性及连续性。 6 因为 A V C系统最终 反映 的是调节 机组无 功 ， 因此， 在无功控制上做 了很多安全约束。对机组 无功运行范围的约束采用 2 种方式 P Q曲线方式和 无功定值方式 。理论上 P Q曲线是最合理 的， 但若 机组不能进相运行或者受功率因数限制， 这时就需 要用无功定值做限制。 7 结束语 电压无功 自动控制装置充分利用 了现有的系统 资源， 将先进的计算机控制技术与生产实际相结合， 通过合理分配机组无功功率将系统电压和无功储备 保持在较高的水平， 对提高电力系统运行的稳定性 和安全性 ， 降低网损 ， 减小运行人员劳动强度均有积 极 的作用 ， 取 得 了显 著 的社 会效 益 与 经济 效益 。 A V C装置的投运使该 厂 自动化生产 和管理水平 又 迈上了一个新的台阶。 编辑 白银雷 作者简介 汪夏斌 1 9 8 3 一 ， 男 ，安徽黄山人 ， 广东惠州天然气发 电有限公 司助理工程师 ， 从事电气二次点检方面的工作。