施耐德復雜RIO網絡的解決

廣州發展燃料港口有限公司 張春光

西安航天自動化股份有限公司 王 征

施耐德復雜RIO網絡的解決

廣州發展燃料港口有限公司 張春光

西安航天自動化股份有限公司 王 征

本文通過對施耐德公司可編程邏輯控制系統（PLC）遠程IO系統通訊網絡結構規劃、光電網絡的組建原則、組網過程中需注意的錯誤鏈接、及通訊衰減的計算及解決方法的詳細介紹，結合珠江電廠環保煤場技改工程進行新舊系統融合升級、光電混合通訊網絡的工程實施過程、以及所遇通訊問題解決過程的剖析總結，闡述了施耐德復雜RIO網絡的在系統升級改造實現過程中的步驟，以及復雜網絡規劃中需要注意的關鍵問題，提供了可以借鑒的實際解決經驗。

PLC；RIO；網絡規劃；衰減值；光纖中繼器

1 施耐德PLC遠程IO簡介

施耐德電氣公司在工業電氣自動化領域的中大型可編程邏輯控制器PLC系統包括:莫迪康 984系列PLC、QUANTUM系列PLC、最新施耐德 UNITY系列PLC。

施耐德PLC系統RIO:通訊基于S908協議,通過RIO模塊實現。RIO適用于滿足距離較遠、點數較多、點數集中、干擾較強的現場。施耐德PLC熱備冗余系統只支持RIO系統。

RIO提供了一種網絡體系解決方案。RIO體系是個高速通訊網絡、具有遠距離傳輸能力,同軸網絡距離不夠,可用光纖進行傳輸,還可提高抗干擾特性。

2 施耐德PLC的RIO網絡規劃中應該考慮問題

(1)典型的不合理網絡結構:1)遠程分站不可以直接接入干纜;2)干纜中分支器接頭不能為空,需接終端電阻;3)在同軸系統中使用多個分離器構成星型結構或組建沒有終端的環形網絡;4)光纖鏈路中超過5個光纖中繼器。

(2)網絡規劃中信號衰減問題考慮。

電纜、分支器和分離器都能導致信號衰減;為保證阻抗匹配,在主干纜中,開放的分支器和干纜終端,必須使用75Ω的終端電阻;整個RIO網絡的信號衰減不能超過35DB。

1)通常選用型號為RG-6、RG-11標準的75Ω的同軸電纜的衰減值:

RG-11:0.38 dB/30m (100 ft) @ 5MHz

良好的抗干擾能力使其用于大多數工業環境下的干纜和強噪聲環境的分支電纜。

RG-6:0.38 dB/30m (100 ft) @ 2MHz

中等的抗干擾能力使其一般作為分支電纜,也可用于小型工業網絡的干纜。

2)分支器的衰減值:所有分站都必須使用分支器,干纜間衰減是0.8DB,分支間衰減是14DB。

3)1.544MHZ下系統衰減的計算公式:衰減值DB=TCA +DCA+TDA+(NOSX6)+(NOTX0.8)

TCA:從頭到尾整個干纜的衰減;DCA:分支電纜的衰減,通常是最后一個分站的;TDA:分支器的衰減, 14DB;NOS:系統中的分離器數量;NOT:從頭到最后一個站點之間分支器的數量。

最大衰減不應超出35DB,對于雙纜系統是獨立計算的,如使用光纖,需計算光纜上的衰減。光纖衰減參考下表:

3 珠江電廠輸煤程控現狀及需求

現有舊輸煤程控系統由電廠4×300MW輸煤程控和重件碼頭裝船出庫程控系統兩部分組成。其中電廠4× 300MW輸煤程控系統主站、子站、遠程站均為施耐德公司莫迪康品牌,主站為采用施耐德公司莫迪康品牌CPU43412型CPU(雙機冗余熱備),煤倉間子站為采用施耐德公司莫迪康品牌CPU43412型單CPU,遠程站共7個。重件碼頭裝船出庫輸煤程控系統采用西門子品牌設備,包括一個主站(CPU為S7-300)和三個遠程站。重A線負責通過重A碼頭的裝船機向外送煤。

本工程需對現有舊輸煤程控系統統一進行擴建和升級改造,包括升級原電廠4×300MW輸煤程控系統主站、改造重件碼頭裝船出庫輸煤程控系統及接入新增輸煤系統各遠程站等。

圖1 系統工藝流程圖

圖2 第一階段網絡框圖

本工程主機采用施耐德公司UNITY系列PLC,CPU為140CPU67160型,采用雙機熱備冗余方式提高程控系統可靠性,共規劃新增12個遠程站,主站和各新增遠程站之間通過RIO方式搭建控制網路,考慮到距離分散,主站和各新增遠程站之間通過冗余光纖實施組網,光纖中繼器采用COMARK CI-RF120雙光口模塊。原有老系統仍然保持冗余同軸電纜通訊的結構,最終降級為IO分站接入新系統。

本工程通過改造,可解決原有整個輸煤程控系統區域中存在多個控制中心,多種PLC系統帶來的運行協調、檢修維護及管理的困難,實現生產控制調度的統一。

該工程實施的難點是系統結構復雜,分站數量多,各站分布范圍廣,RIO網絡共計有22個遠程IO分站;RIO網絡中光纖和同軸電纜鏈路混用,會存在時延問題;控制范圍大,各遠程站按地理位置分布在各個轉運站;新老系統融合在保障生產的前提下需做到平穩過渡,實施過程存在臨時過渡方案(見圖1)。

圖3 第二階段網絡框圖

圖4 最終階段網絡框架圖

4 珠江電廠復雜RIO網絡的實施過程

由于該項目是珠江電廠原露天煤場基礎上改擴建工程,需要邊運行邊改造,改造的過程中還不能影響生產,同時由于各遠程分站的物理位置較為分散,因此實施改造的過程不能一步到位,必須結合原有系統及施工進度,按功能、分區域、分步驟的實施。根據具體施工安排,靈活搭建控制網絡結構,分步實現,做到平穩過渡,最終實現控制網絡的大統一。

4.1 根據工程實施首先實現西線出庫功能

首先在老集控室安裝一面主機柜,在新建輸煤配電間、T205轉運站、T303轉運站T304轉運站安裝各個遠程機柜。由于是過渡方案,從主機柜到新建輸煤配電間遠程站、T205遠程站之間光纖通訊采用臨時單通道方式; T304遠程站、T303遠程站、T205遠程站之間和最終網絡方案相同,之間光纖采用冗余雙通道方式。

同時由于中央控制室土建沒有完工,系統監控通過以太網在船舶調度室設立一臺臨時上位機實現。

舊的控制系統暫時保留不做升級,新舊系統主機之間采用MODBUS TCP協議通過以太網通訊方式實現數據交換(見圖2)。

該階段RIO網絡結構較為簡單,由于正式通道沒有,因此從主機柜到新建輸煤配電間遠程站放置臨時6芯光纜解決RIO通路和上位通訊問題。

4.2 實現東線卸煤功能

在T201轉運站、T202轉運站、T203轉運站增加、遠程機柜。由于仍是過渡方案,在輸煤配電間臨時增加光纖中繼器和T203遠程站相接,輸煤配電間遠程站、T201遠程站、T202遠程站、T203遠程站之間的網絡架構和最終網絡方案相同,之間光纖采用冗余雙通道方式。

舊的控制系統暫時保留不做升級,新舊系統主機之間采用MODBUS TCP協議通過以太網方式實現數據交換。

此階段臨時在輸煤配電間遠程站增加2個光纖中繼器做樹形分支。

4.3 實現新老系統的融合

新老系統融合時需要將原有老程控系統和原煤倉程控系統降級為子站。

老程控系統由于原先就是RIO網絡,降級較為容易,斷開主機通訊鏈路,直接將原先的遠程分站接入即可(見圖3)。

原煤倉程控系統需要減少無關模塊,增加相關RIO通訊模塊,把原先RIO、DIO混用網絡調整為RIO網絡。

最終RIO網絡結構是一個樹形結構,各自干纜基本按照地理區域及整個輸煤程控的使用功能進行了分區規劃。

4.4 信號衰減計算

衰減值=TCA+DCA+TDA+(NOSX6)+(NOTX0.8)

(1)同軸電纜的衰減:34.68DB=0.38x25+0.38+14+ 1x6+6x0.8

由于老系統結構不需要修改,因此最大問題會在這里出現,經計算處于臨界狀態,基本上滿足衰減要求。

(2)光纜同軸混用網絡:20.58DB=0.38x10+0.38+1 4+0+3x0.8

注:光纖通路單獨計算。如圖4所示。

4.5 實施過程中遇到的典型故障現象及解決

在新老系統融合過程中,出現了最嚴重的故障:RIO通訊模塊的通訊故障燈全亮,整個網絡失效,通訊全斷。通過施耐德編程軟件UNITY監控各站AB纜通訊狀態字,發現各個遠程站通訊的雙纜通訊錯誤幀奇高。

故障原因分析排除過程:先恢復到初始狀態,斷開老系統通訊,仍然沒有解決通訊失效的問題。繼續做實驗過程中,發現只要是投運原來單纜,整個網絡通訊失效的問題就能解決;此時投運老系統,雖然仍出故障報警,本來所有遠程站應該是出現統一的B纜錯誤,在極個別遠程站卻出現了A纜錯誤。初步說明由于之前是臨時網絡,通訊中單雙纜復用,此次是整體投運雙纜冗余,由于要保證生產,切換時間緊張,未對整個網絡進行核實,懷疑是通道AB不對應的原因,因此重新核對了新系統的通訊通路,使之確保各遠程站之間A,B通道對應的正確性。

重新核對新系統雙纜通道后,新系統之間的通訊網絡能夠正常運行,但只要雙纜的情況下,老系一接入,整個網絡又不能正常通訊,但是單纜使用卻能正常工作。說明老系統原有網絡也存在問題。繼續按網絡規范整理老系統網絡,檢查AB路對應關系,檢查終端電阻是否接入。完成以后投運雙纜發現還是出現網絡失效。此時判斷老系統的同軸介質出了問題。因此先保證老系統單路正常,然后一段一段投雙纜檢查,有問題的通路重新敷設,最終實現了雙纜投運。

特別注意:由于光電復用,由于光電信號轉換需要時間,導致光電系統反應不一,導致通訊出錯,所以要考慮光纖中繼器的時延問題,考慮到如采用施耐德光纖中繼器產品,同一鏈路中只能保證五臺,因此選用其他替代產品,從目前使用來看,該光纖中繼器在同一鏈路中可串接達13臺,但我們發現,由于老系統為同軸電纜,通訊故障率較高,很容易影響到新系統。為保證網絡的可靠性,最終同一鏈路最多串接了7臺。

5 總結

出于對生產穩定性的考慮,為做到系統平滑過渡,珠江電廠輸煤此次繼續使用施耐德PLC系統,可以最大限度保證正常生產。但由于控制設備數的增加,遠程分站增多,以及新老系統混用,遠程站通訊介質既有同軸電纜又有光纖,給整體網絡架構提出了很高要求,為保證網絡功能能夠實現,在RIO網絡規劃時按規范要求進行,特別注意通訊衰減不超出35DB。實施過程中要注意冗余通路的對應,做到不交叉。同時做好接地、電纜敷設通路的抗干擾措施。遇到實際問題,借助分析工具,具體問題具體分析,分段查找,最終解決故障,保證了整體系統的可靠。

［1］Modicon Remote I/O CableSystem Planning and Installation Guide 06/2012.

張春光（1973—），男，湖南醴陵人，工程碩士，工程師，電力系統電氣技術總監。

王征（1972—），男，陜西西安人，工學學士，高級工程師，研究方向：電力系統自動化控制工程。