基于冗余技术的大中型PLC控制系统的设计与应用

摘 要

为维持发电厂热力系统的水汽循环运行正常，需用补给水补充水汽循环过程中的水损失。没有经过净化处理的天然水含有许多杂质，如果进入水汽循环系统，会引起热力设备的结垢、腐蚀、积盐。水处理系统对保证发电厂日常的安全、经济运行，意义非常重大。水处理监控系统采用施耐德Quantum系列PLC控制器及GE公司iFix。CPU热备冗余、双环网技术、驱动冗余、网络冗余及SCADA冗余技术的使用保证水处理系统在单个CPU出现故障、一条网络链路异常或监控主机故障时能够继续运行，从而提高了监控系统的可靠性。

【关键词】水处理 控制系统 冗余

工业生产过程的自动控制系统一般分为监控层、控制层以及现场设备层。监控层实时监测生产过程受控制设备的运行状况、受监测测点参数的变化情况，通过控制层对现场设备进行操作，以实现生产过程的安全、经济运行。控制层是控制系统的核心部分，它具备独立的逻辑计算能力，能够采集接受监控层的指令、按照工艺逻辑控制现场设备的运行状态，并将现场设备的监测参数、运行状态通过通讯模块上传至监控层。现场设备层主要包括生产过程中的设备、执行结构等部件。

随着计算机、网络等信息化技术的快速发展，利用监控软件实现集中管理、以PLC为控制层核心的自动化技术在生产过程的控制系统设计中得到了广泛的应用。监控层、控制层作为生产过程工况监测、事件报警、事务处理等业务的核心管理部分，其设计的安全性至关重要。操作员站、工程师站死机、监控画面无法操作，运行人员失去对现场生产过程系统运行状态的掌握；以太网络故障，工程师站、操作员站控制命令传输不到控制器；PLC的CPU失电、死机，操作指令无法下达到就地设备；控制网络中断，现场风机、阀门等就地设备失控。这些都是控制系统设计中经常遇见的问题。

控制系统的冗余设计是指系统的关键设备、关键节点均采用主备方式，在主设备发生故障时，备用设备能够快速、无扰的发生作用，减少故障时间，避免系统整体运行的故障、失控。控制系统的冗余设计主要指监控层和控制层的冗余，具体包括监控主机、工业以太网、控制器、电源、控制网络等关键设备和节点。

法国施耐德公司是PLC热备系统技术发明的持有者，其双机热备系统能够实现主从机之间平稳、无缝的切换。切换对于监控者而言是透明的，系统对过程的监控不会中断；同时其部件平均无故障时间均大于200000小时，并支持带电热插拔，从而使得使用者可以在硬件发生故障时能够带电进行故障处理，避免影响生产系统的正常运行。该公司Quantum系列PLC控制器，是基于486、586和Pentium处理器的高性能可编程控制器，具有优越的扫描时间和IO吞吐量、可处理快速任务和主任务等特性，并支持各种控制网络协议，具备良好的网络扩充功能，Quantum系列PLC控制器最大容量达到64K任意组合，远程I/O分站数达到31个。目前在大中型生产过程的控制系统的设计中得到了广泛的应用。

美国GE公司的iFix 智能平台是世界领先的工业自动化软件平台，它具有集成化的开发环境、强大的作图功能、支持OPC等多种设备通讯接口、提供多种类冗余结构等特点，实现了生产过程监控、操作的可视化，功能强大、通用性好、易于开发。iFix数据库最大点数达到无限点。

本文结合某电厂水处理系统控制系统设计要求，在控制层选择施耐德公司的Quantumn系列为控制核心、监控层采用GE公司iFix 软件为人机界面开发工具，通过冗余技术的应用，实现了其控制系统的安全设计。

1 工艺概述

为维持发电厂热力系统的水汽循环运行正常，需用补给水补充水汽循环过程中水损失。没有经过净化处理的天然水含有许多杂质，如果进入水汽循环系统，会引起热力设备的结垢、腐蚀、积盐。水处理系统对保证发电厂日常的安全、经济运行，意义非常重大。

该厂水处理系统主要包括预处理及废水系统、除盐系统、酸碱系统、净水站及综合泵房房、工业废水生活污水提升泵房、水汽采样及加药系统、工业水回收泵房及灰水提升泵房等子系统。

水工净水站将电厂取水口来水澄清过滤杀菌处理后送入预处理系统，从水工净水站送来的水经预处理系统除去杂质、有机物。预处理后过滤水送入除盐系统，除去钙、镁、钠、铁等阳离子及强酸根、碳酸根、及硅酸根等阴离子。酸碱系统是指化学除盐系统中各种离子交换器再生用酸碱的贮存和计量设备及中和系统。水汽采样及加药系统是采集水汽循环系统参数，并向水汽循环系统中投加有利于改善水质、防止结垢、减缓腐蚀及去除污染蒸汽品质的化学药品。

2 控制系统设计

2.1 系统分析

根据整个工艺流程要求设计，系统I/O点为1768个点，备用量为15%，具体分布如表1所示。

整个水处理工艺流程系统设备众多，为减少系统控制值班点，减少运行值班人员，实现整个化学水系统集中监控，该厂水处理的控制系统以PC机为监控层、以高速网络为通讯层、以PLC为控制层的分层结构。在补给水车间的控制室内的运行员站上实现对水处理系统的全面监控，考虑到分布式I/O与远程I/O不使用中继器时的最大长度分别为457米、4572米。净水站、水汽集中取样系统、炉水加药系统、循环水加药等子系统采用远程I/O的方式统一由主CPU完成数据采集处理和程序控制功能。

2.2 系统方案

本系统监控层是由上位机与PLC的以太网通讯组成，控制层由PLC的CPU部分与6套IO从站组成。监控层上位机和PLC控制单元通过100M工业冗余高速以太网相连，各上位机系统与PLC控制单元以对等的方式进行通讯。上位机设置工程师站和操作员站。PLC系统CPU部分热备冗余，3套本地IO从站控制预处理、废水、除盐及酸碱系统，水汽采样及加药、净水站及综合泵房、废水回收泵房等系统由于距离较远、位置分散，采用3套远程I/O从站进行控制。远程从站与CPU以及相互之间通过光纤构成冗余环网。控制系统网络结构图见图1。

2.2.1 控制层

（1）CPU热备冗余。本PLC系统配置了两套完全相同的CPU系统，每套都包括相同的CPU模块、IO通讯模块、热备同步模块；同时每套CPU系统有配置了冗余的电源模块和以太网模块，充分的保证了系统的可靠性。

通过热备硬件模块140CHS11000中进行硬件设置，再在Unity软件中设置参数标明CPU为一主一备用，实现两机互为备用，信息同步。主CPU运行加载的整体程序，对远程I/O、分布式I/O进行控制，同时在每次程序循环时将主机中的所需同步的变量映射到备用机中去。主CPU正常运行时只有主机向I/O模块输出指令而备用不作任何输出。当主CPU发生故障时，备用CPU自动接管过程的控制权，成为新的主控制器，原来的主CPU切换成备用并停止各种模块控制。热备CHS模块上指示Primiary时，表示此CPU当前是主控制器；指示Standby时，表示此CPU当前是备用控制器。

主站CPU配置：电源模块CPS124、CPU模块43412A、IO通讯模块CRP932、热备同步模块CHS110、以太网通讯模块NOE771、以太网通讯模块NOE771、电源模块CPS124和10槽底板。热备CPU同主CPU配置相同。另外需要分离器MA0186、两CPU之间通讯热备光纤，完成主CPU与冗余CPU之间的数据交互。

（2）CPU与IO从站之间网络通讯冗余。本系统CPU主站通过140CRP93200主通讯模块和IO从站中140CRA93200副通讯模块实现PLC系统CPU与I/O站之间通讯，同时每个主从通讯模块上有两个通讯端口，支持传输介质为铜轴电缆和光纤的通讯。每个CPU通过140CRP93200主通讯模块的两个端口挂在两个网上，当一个网出现故障时，仍能保证另一个网和当前工作的CPU通讯。

CPU与本地的三个IO从站通过同轴电缆进行通讯。三个远程IO从站与CPU柜因距离在2km左右，所以通过光纤进行通讯。每个分站配备一个MA0185分支器，以便从电气上将分站从干线隔离开，防止系统出现阻抗不匹配的电缆未连接故障。在主站与远程IO从站之间采用4对490 NRP954 00光纤转发器互连，采用双环网方式。当光纤环网中任一地方发生断裂时，网络将能够重新对自己进行配置，以提高远程IO从站的网络通讯可靠性。

（3）PLC与上位机网络通讯冗余。上位机与PLC的通讯业采用双网方式，通过不同网段区分网络。每台上位机配置两块网卡，每套CPU上也配置2块以太网模块140NOE77110，在PLC与上位机之间的通过两台交换机构成双网。上位机的两个网卡分别和两个以太网相连，通过iFix 组态软件组态来实现PLC与上位机之间的双网冗余。

化水控制室1号工作站两块网卡的IP地址分别为：192.168.0.99 192.168.1.99， 2号工作站两块网卡的IP地址分别为：192.168.0.100 192.168.1.100；1号CPU对应以太网模块的IP地址分别为：192.168.0.127 192.168.1.127，2号CPU对应以太网模块的IP地址分别为：192.168.0.128 192.168.1.128。

2.2.2 监控层

监控层主要功能是提供人机交互界面，实现通路为PLC-驱动-iFix。为提高化水系统及人机交互界面的安全稳定性，采用驱动冗余、网络冗余、SCADA冗余技术。

iFix SCADA节点、网络节点，VIEW节点冗余将VIEW节点连接到基本SCADA节点和备用SCADA节点，这两个SCADA节点又连接到同样的PLC上。如果与基本SCADA节点的连接中断，iFix会自动转换到备用SCADA节点上。当局域网冗余时，你可以在VIEW节点和SCADA节点间建立两条物理连接，如果一条网络连接中断，iFix会自动切换到另一条网络通道。

（1）驱动冗余配置。驱动配置时，填写1号及2号CPU对应以太网模块IP地址。

（2）网络冗余配置。在SCU中的“NETWORK”配置中为LAN冗余配置网络路径。本控制采用使用TCP/IP协议通讯，更新Hosts文件。

（3）SCADA冗余配置。计算机名分别为FIX1和FIX2；修改Hosts文件，加入iFIX网络上所有的计算机的IP地址及计算机名；FIX1和FIX2中启动SCU， 配置SCADA Server。

3 系统应用

该厂水处理系统在控制系统的设计中充分考虑了各种可预期与不可预期故障的发生，广泛的采用了冗余技术进行各种问题的防范。虽然在生产运行的过程中，控制系统的许多环节发生了各种各样的故障，但是由于采用了冗余技术，监控层对与现场设备的监测和控制从未发生过中断，生产过程的运行得到了有效的保证。

4 结语

大中型PCL控制系统现场设备众多、测点种类繁杂、控制逻辑复杂、生产工艺安全性要求高，通过对其监控层、控制层的冗余设计，可以有效地降低控制系统单轨运行的风险，保障生产过程的连续、稳定、可靠运行，避免安全事故，充分发挥自动控制系统在生产过程中的自动化作用。

参考文献

[1]Modicon Quantum自动化平台[Z].北京：施耐德电气公司，2007.

[2]Proficy HMI/SCADA-iFIX在线帮助[Z].GE Fanuc Automation，2005.

作者简介

孙虹（1971-），男，江苏省泰兴市人，现为江苏方天电力技术有限公司高级工程师。研究方向为发电侧节能减排技术。

作者单位

江苏方天电力技术有限公司 江苏省南京市 211102