火電機組輔控一體化集中監(jiān)控網(wǎng)絡方案及配置

楊金芳，張玉柱，徐同社

(河北省電力勘測設計研究院，河北 石家莊 050031)

輔助車間集中控制網(wǎng)(簡稱輔控網(wǎng)，BOP)是利用先進的計算機、通信和網(wǎng)絡技術，將相互獨立的各個輔助外圍系統(tǒng)集中控制，實現(xiàn)外圍控制系統(tǒng)少人值班或無人值班，提高外圍設備控制水平，減少設備故障率，達到減員增效的目的。

目前在國內已經(jīng)投入運行的大中型火力發(fā)電廠機組中，主機采用DCS控制系統(tǒng)，外圍設備根據(jù)輔控設備的功能，按水、灰、煤3個系統(tǒng)設立獨立的集中監(jiān)控點。但隨著發(fā)電廠對減員增效的要求和運行人員整體素質的提高，特別是網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，把水、灰、煤三個輔控點再進行集中，構成集中輔控網(wǎng)的時機已經(jīng)成熟。良村電廠控制系統(tǒng)就是采用這種新型的綜合控制技術，實現(xiàn)了對外圍設備的集中控制。本文結合良村電廠輔控網(wǎng)組建實例，對輔控網(wǎng)的設計原則、網(wǎng)絡結構及硬件配置進行分析和討論，同時結合設計及施工經(jīng)驗給出在工程設計及實施過程中注意事項。

1 輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡總體規(guī)劃

1.1 輔助車間工藝系統(tǒng)概述

良村電廠輔助車間系統(tǒng)包括鍋爐補給水系統(tǒng)、綜合水泵房系統(tǒng)、工業(yè)廢水系統(tǒng)、供氫站系統(tǒng)、凝結水精處理系統(tǒng)、汽水取樣系統(tǒng)、化學加藥系統(tǒng)、中水深度處理系統(tǒng)、循環(huán)水加藥系統(tǒng)、制冷換熱站、空調系統(tǒng)、氣力輸灰系統(tǒng)、干灰分選系統(tǒng)、灰?guī)煨痘蚁到y(tǒng)、全廠配氣中心、輸煤系統(tǒng)，共16個輔助車間子系統(tǒng)。

1.2 輔助車間控制方式及控制水平

本工程全廠輔助車間集中監(jiān)控系統(tǒng)，將水網(wǎng)控制系統(tǒng)、煤網(wǎng)控制系統(tǒng)、灰網(wǎng)控制系統(tǒng)組成一個控制網(wǎng)絡，并在主廠房集中控制室內設置全能值班操作員站，實現(xiàn)全廠輔助車間的集中監(jiān)控。其中，水網(wǎng)控制系統(tǒng)、煤網(wǎng)控制系統(tǒng)、灰網(wǎng)控制系統(tǒng)就地集中監(jiān)控點主要用于基建期間的調試和設備檢修期間的維護，在輔助車間運行穩(wěn)定后，由輔助車間全能值班員完成水、煤、灰系統(tǒng)的集中監(jiān)控，就地集中監(jiān)控點無人值班，實現(xiàn)全廠輔助車間集中監(jiān)控。

根據(jù)工藝系統(tǒng)特點將鍋爐補給水系統(tǒng)、綜合水泵房系統(tǒng)、工業(yè)廢水系統(tǒng)、供氫站系統(tǒng)、凝結水精處理系統(tǒng)、汽水取樣系統(tǒng)、化學加藥系統(tǒng)、中水深度處理系統(tǒng)、循環(huán)水加藥系統(tǒng)全部納入水網(wǎng)監(jiān)控，在鍋爐補給水車間設有水網(wǎng)臨時操作員站，由于水網(wǎng)各子系統(tǒng)分布比較分散，設有多個遠程IO和遠程IO站，相互之間采用光纖通訊。

煤網(wǎng)設在新建的輸煤綜合樓。按物理分散的原則，為節(jié)約控制電纜和安裝材料，控制系統(tǒng)還設置幾個遠程分站，遠程分站之間采用光纖通信。

在爐后綜合樓設有灰網(wǎng)臨時操作員站，包括氣力輸灰、干灰分選及空壓機系統(tǒng)，鑒于干灰分選系統(tǒng)灰網(wǎng)較遠，將其作為氣力輸灰系統(tǒng)遠程IO，兩者通過光纖進行通訊，實現(xiàn)對干灰分選系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

制冷換熱站及空調系統(tǒng)相對獨立，故將其直接接入輔控網(wǎng)進行監(jiān)控。

1.3 輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡構建原則

1.3.1 集中監(jiān)控網(wǎng)絡構建原則

(1)采用100M／1000 M和 TCP／IP協(xié)議的全雙工交換式工業(yè)以太網(wǎng)技術，保持 25%以下的網(wǎng)絡負荷，以解決網(wǎng)絡傳輸沖突，提高傳輸速率，保證以太網(wǎng)通信的確定性和實時性。

(2)應用數(shù)據(jù)包優(yōu)先級配置，通過優(yōu)先排序，保證緊急信息及時準確的傳輸和處理，保證網(wǎng)絡的可靠性和安全性。

(3)合理分割網(wǎng)段，采用冗余拓撲結構，合理選擇工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡產(chǎn)品，保證網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。

(4)采用帶有過濾功能的交換機和防火墻，保證網(wǎng)絡及系統(tǒng)安全。

1.3.2 集中監(jiān)控網(wǎng)絡拓撲結構

基于網(wǎng)絡可靠性、實時性和經(jīng)濟性因素，選擇了冗余光纖星形拓撲結構來構建輔網(wǎng)監(jiān)控平臺，其他特點為：

(1)適用于對系統(tǒng)通訊可靠性要求極高，交換速度較快的場合。

(2)實現(xiàn)了鏈路雙冗余，允許交換機、光纖、網(wǎng)線 (網(wǎng)卡)3種故障，直接通過背板交換，交換速度快；布線復雜，網(wǎng)絡設備、網(wǎng)絡光(電)纜、網(wǎng)卡均為雙份。

(3)光纖網(wǎng)，抗干擾性能好，故障切換時間小于500ms，切換時間取決于軟件，實時數(shù)據(jù)安全性好。

(4)提供就地設備的網(wǎng)絡接口，可用便攜式設備實現(xiàn)就地設備監(jiān)控和組態(tài)聯(lián)調。

(5)可根據(jù)需要選用不同的網(wǎng)絡接口模塊，配置靈活，其可擴展性優(yōu)于雙環(huán)網(wǎng)。

1.3.3 集中監(jiān)控網(wǎng)絡硬件選擇原則

集中監(jiān)控網(wǎng)絡硬件選擇高質量的控制網(wǎng)絡平臺必須有穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡設備作為物理載體，基于對網(wǎng)絡交換機、網(wǎng)絡服務器和網(wǎng)絡傳輸媒介的特點，結合現(xiàn)場工作環(huán)境和產(chǎn)品應用業(yè)績及運行情況的分析，給出了網(wǎng)絡設備的選取原則。

(1)網(wǎng)絡交換機。骨干交換機和下層交換機應選擇具有100M或者1000M高速通信模塊，冗余電源模塊和基板，層間和層內通訊鏈路冗余的工業(yè)以太網(wǎng)交換機，其端口備用要達到大于30%，系統(tǒng)通訊負荷率要小于20%。

(2)網(wǎng)絡服務器選用具有電源冗余、雙機熱備、故障切換等功能，持續(xù)運行率達99.9%的工業(yè)級網(wǎng)絡服務器。

(3)網(wǎng)絡傳輸介質。采用5類雙絞線和光纖2種通訊介質，以保證網(wǎng)絡的可靠性和安全性。

1.3.4 集中監(jiān)控網(wǎng)絡通訊速度配置原則

網(wǎng)絡傳輸速度是決定輔網(wǎng)性能的關鍵因素，100M和1000M都可以滿足輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡平臺的要求。鑒于影響目前輔網(wǎng)系統(tǒng)的主要因素，為了提高網(wǎng)絡系統(tǒng)的傳輸性能和實時性，減少網(wǎng)絡擁堵，該工程設計推薦中、下級網(wǎng)絡數(shù)據(jù)量較小采用 100 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)、骨干網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)量較大采用 1000 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)及相應網(wǎng)絡設備。

1.4 集中監(jiān)控網(wǎng)絡控制設備選配原則

為解決各輔助車間的控制系統(tǒng)的軟件和硬件不統(tǒng)一造成的不兼容問題，良村電廠統(tǒng)一各輔助車間的控制系統(tǒng) 、監(jiān)控和組態(tài)軟件嚴格統(tǒng)一的原則。

2 輔助車間控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡設備配置

依據(jù)上述原則，確定了良村工程輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)結構方案。具體如下：

2.1 服務器配置和操作員站配置

為了提高控制系統(tǒng)可靠性，輔控網(wǎng)選用了具有高容錯功能的Stratus ftserver4500容錯服務器，采用完全硬件容錯方式，替代了傳統(tǒng)的雙機熱備方案。高性能容錯服務器通過以太網(wǎng)與各控制系統(tǒng)的PLC通訊，從PLC中采集實時數(shù)據(jù)，存儲于服務器中，承擔各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲、處理等工作。

容錯服務器、兩臺操作站、1臺工程師站和兩臺網(wǎng)絡中心交換機布置在主廠房控制室和鍋爐電子設備間內；3臺操作站(1臺兼工程師站)、兩臺交換機布置于水網(wǎng)控制室(位于鍋爐補給水車間)；2臺操作站(1臺兼工程師站)、兩臺服務器布置于灰網(wǎng)控制室(位于除灰綜合樓)2臺操作站(1臺兼工程師站)布置于煤網(wǎng)控制室(位于輸煤控制樓)，另外，為方便調試工業(yè)廢水集中處理系統(tǒng)、化學加藥及汽水取樣系統(tǒng)等分別設有就地操作員站。服務器、監(jiān)控操作站及工程師站通過冗余通道與中心交換機連接，輔控網(wǎng)絡中心交換機通過冗余光纖分別與各車間控制系統(tǒng)的交換機連接，構成網(wǎng)絡的主干，見圖1。

輔控網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲圖見圖1。

圖1 輔控網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲圖

網(wǎng)絡系統(tǒng)配置工業(yè)控制計算機及24寸工業(yè)級液晶顯示器作為操作員站，任意一臺操作員站可承擔工程師站功能，配置由單色激光打印機和彩色A4激光畫面打印機。服務器數(shù)據(jù)庫容量保證輔控網(wǎng)實時數(shù)據(jù)在線保存足夠時間以方便查詢，并可自動寫入光盤。每臺操作員站、工程師站、容錯服務器上均配置2塊1000M工業(yè)級網(wǎng)絡通訊適配卡。

2.2 交換機配置

良村電廠輔控網(wǎng)主干網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲采用以太網(wǎng)全交換星型網(wǎng)狀拓撲，主干網(wǎng)采用冗余結構，保證網(wǎng)絡在發(fā)生不同故障點(線路、交換機等)的情況下仍然能夠正常工作；為了降低網(wǎng)絡的負荷，提高以太網(wǎng)的通信速度，主干網(wǎng)采用通信速率達1000M／s的工業(yè)交換機，可以盡量避免沖突的發(fā)生，提高系統(tǒng)的高可用性。

為實現(xiàn)上述要求，良村輔助車間集中監(jiān)控系統(tǒng)中，采用兩臺西門子XR342-12M 高性能模塊化交換機，采用1000M光纖冗余星形網(wǎng)絡結構，冗余連接各個子區(qū)域交換機X414-3E。在網(wǎng)絡某處出現(xiàn)斷點或某節(jié)點交換機出現(xiàn)錯誤后能夠保障繼續(xù)通訊，同時在此過程中不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)變化等問題，保證各站點信息在網(wǎng)絡上正確傳遞，滿足實時控制的需要。

2.3 PLC配置

輔助車間控制系統(tǒng)PLC硬件統(tǒng)一選用西門子系列產(chǎn)品，下面以水網(wǎng)系統(tǒng)為例說明PLC系統(tǒng)配置。鑒于鍋爐補給水系統(tǒng)、工業(yè)廢水系統(tǒng)及凝結水系統(tǒng)相對較為重要，本工程選用了具有高可靠性、容錯功能的西門子SIMATIC S7-400H產(chǎn)品，CPU選用414-4H，以太網(wǎng)模塊采用6GK74431EX200XE0，DI模塊采用 6ES73211BH020AA0，DO模塊采用6ES73221BH010AA0，AI模塊采用6ES73311KF010AB0，AO模塊采用6ES73325HF000AB0。

具體網(wǎng)絡結構及硬件配置見圖2。

圖2 網(wǎng)絡結構及硬件配置

2.4 軟件配置

PLC 編程和組態(tài)軟件采用西門子Step 7.0 V5.4；輔網(wǎng)側服務器版監(jiān)控軟件為WINCC V7.0服務器版；輔網(wǎng)側操作員站監(jiān)控軟件采用Wincc V7.0 客戶端；網(wǎng)絡管理軟件為 Hivision；數(shù)據(jù)庫軟件是IHistory數(shù)據(jù)庫(15000點)；監(jiān)控站軟件為 Window XP。系統(tǒng)采取有效措施來防止備類計算機病毒的侵害和數(shù)據(jù)丟失，為保證網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行安全，安裝防火墻軟件，并根據(jù)不同用戶設置相應的訪問權限和網(wǎng)絡管理措施。

3 注意事項

電廠輔控網(wǎng)絡系統(tǒng)在構建時往往會遇見一些問題，下面會結合上文所述及作者自身經(jīng)驗對于構建網(wǎng)絡系統(tǒng)的幾個常見問題進行簡單探討：①在構建輔控網(wǎng)絡系統(tǒng)時，為了保證整個系統(tǒng)的可靠性，網(wǎng)絡在符合成本考量的前提下，應盡可能實現(xiàn)輔控網(wǎng)絡的雙網(wǎng)架構，同時保證網(wǎng)絡核心設備，如；交換機、服務器的冗余配置，從而杜絕網(wǎng)絡內出現(xiàn)單節(jié)點；②在滿足設備通訊流量的網(wǎng)絡配置后。還應考慮到網(wǎng)絡內數(shù)據(jù)瞬時峰值大流量的產(chǎn)生，從而導致系統(tǒng)擁塞；③為了減少網(wǎng)絡在通訊過程中的信號衰減，在網(wǎng)絡物理設備的設置上應盡量減少對于光端機、光電轉換器等二次轉換設備的使用；④ 輔網(wǎng)設計過程中盡量采用同一品牌的PLC，為網(wǎng)絡結構的搭建提供方便。

4 結語

通過實際運行的檢驗，良村輔控網(wǎng)能夠安全穩(wěn)定地運行，說明網(wǎng)絡軟、硬件的配置是合理的，也進一步證明組建輔控網(wǎng)是實現(xiàn)各輔控系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調控制的有效途徑。網(wǎng)絡技術的應用將給火電廠的生產(chǎn)過程帶來一場新的革命，生產(chǎn)效率空前提高，為各種新技術的應用提供了一個可靠的平臺，是發(fā)電技術走向現(xiàn)代化的重要基礎。

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