国外火力发电厂DCS和PLC控制系统一体化技术应用研究

张如意+陈向东

摘 要：随着国家“走出去”战略的实施和全球经济一体化的不断推进，我国火力发电项目EPC工程也取得了长足的发展。作为电厂控制系统的两大流派，DCS和PLC一直是电厂控制的核心技术。这两类控制系统的有效融合和一体化发展成为国外电厂控制系统的一个重要方向。基于国外某电厂的控制系统一体化实现进行研究，并将一体化成果应用于该电厂，以期取得良好的运行效果。

关键词：火力发电厂；以太网；DCS；PLC

中图分类号：TM76；TP273+.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.005

日前，我部参与了一个越南600 MW火力发电厂EPC项目，业主为越南电力公司EVN，招标文件技术部分十分详细，对全厂的控制系统主要有以下要求：①全厂主辅机采用DCS控制，其中，杂项控制系统，比如废水处理系统、输煤系统、化水系统、气力除灰系统、凝结水精处理系统、脱硝氨储备系统、制氯系统、制氢系统、电除尘系统、除灰系统采用PLC或DCS控制；②无论采用何种控制模式，要全厂统一数据库；③无论在何种控制模式下，都要求全厂统一对时；④全厂的监控操作在集控室的DCS操作员站进行。

1 控制系统介绍

火电厂的控制方案一般包括全厂DCS和DCS加PLC两种。

全厂DCS方案是最近几年新兴的技术方案。该方案的应用有效减少了全厂的控制系统种类，统一了全厂的控制平台，完全做到了全厂一个数据库、全厂画面统一、控制逻辑算法统一，并且业主运行维护也比较方便。全厂DCS采购的卡件较多，便于使DCS厂家降低价格，得到更好的DCS合同价。但是，这种方案在全厂调试阶段会出现较多问题。比如，水系统、上煤系统、灰渣系统的控制都要在DCS中实现，各厂家提供完整的逻辑图供DCS厂家组态。但是，当前国内的设备厂家提供这些资料比较困难，往往需要各设备厂家到现场指导才能解决问题。这种方案主要简化了业主的后期维护，减少了业主的备品备件。

DCS加PLC方案是一种传统的方案。这种方案的优点是PLC由各自的水煤灰设备厂家随设备成套供应，由于各设备厂家对自己的控制系统负责，各个设备厂家的控制专业人员对自己的设备运行更加熟悉，不依赖调试所也可以实现控制系统的逻辑编制和现场调试。在后期，特别是发电前期可以更好地控制工期。对于工期敏感技术风险谨慎的海外EPC项目，这种成熟的方案显得更为稳妥，为众多海外EPC总承包商所采用。

通过对比分析，我们了解到业主想要寻求一种全厂统一的控制。如果选择DCS加PLC方案，就需要DCS和PLC能实现无缝连接，所涉及的技术问题主要有DCS和PLC的通信规约要互相兼容，DCS和PLC的系统对时要统一，DCS和PLC的数据库要统一。

2 方案设计

经过前期调研，我们决定采用Emerson OvationDCS系统和Rockwall AB ControlLogix PLC系统，以满足以上技术要求，实现业主所要求的功能。目前，常用的基于以太网的DCS和PLC的通用通信协议主要有以下两种：①OPC方案。这种接口协议开放，市面上的PLC和DCS基本都支持这个协议。当数据量较少时，该方案比较适用。但是这个项目杂项系统的数据量加起来预估超过5 000点，DCS厂家反馈这个数据量过大，容易引起OPC服务器崩溃，特别是OPC服务器系统启动加载时，启动时间会很长，甚至几分钟、十几分钟都无法启动，这是业主很难接受的。②Modbus TCP 方案。Rockwall AB ControlLogix PLC系列不支持这个标准协议，需要加额外的第三方卡件来进行协议转换。由于是冗余的接口，因此会增加成本和调试维护工作量。

使用以上两种协议的原因是DCS侧不兼容PLC通信协议，而不得不依托于第三方的通信协议。这就需要DCS侧和PLC侧都进行通信规约转换，进而降低了通信效率，增加了成本和调试工作量。我们在进一步了解Ovation和AB Controllogix硬件、软件的基础上，提出了一种Ovation DCS和AB ControlLogix PLC完全融合方案。Ovation DCS 和AB ControlLogix PLC 都遵循以太网协议，我们考虑将二者融合到一起。通过查阅Emerson的标准手册，发现Emerson DCS 集成了AB PLC的通信协议接口。无论是一个ENRT模块通信，还是两个ENRT模块的冗余通信，可以直接将ENBT模块连接到OVATION交换机的IP端口。冗余通信时跟上述描述一样，也要考虑控制器的切换问题。为了避免PLC系统的接入对DCS系统产生冲击，在Ovation专家的建议下，我们在PLC系统的交换机和DCS的交换机之间设置了一层DMZ路由器对两个系统进行隔离，增强了系统的抗干扰能力。

3 技术实施

DCS侧工程师站配置如下。

进入DROPn/configuration/controller/devices/device numbers，点击右键添加Device2，类型为ALLEN BRADLEY； 进入DROPn/configuration/controller/controller networking，点击右键添加，修改控制子网掩码为：255.255.254.0。DCS子网掩码设置如图1所示。

Ovation3.1以上版本默认将TELNET的功能关闭，进入DROPn/configuration/controller/services，点击右键插入新的service并Enable，以方便测试。图2所示为使能DCS通信服务功能。

进入DROPn/IO DEVICES/IO Device 0 IOIC，点击右键添加Allen-Bradley PLC，具体如图3所示。

通信点所在的任务区应设置成并行方式。图4所示为一模拟量点从PLC中得到的数据。图中，“N7：25”中“N”表示PLC中的文件类型是16位的整数，“7”表示7号文件。我们可以这样理解，PLC中组态了一个为N7的数组，从N7：0开始依次增加，Ovation的数据依次与其对应。通信时，如果对方乘以变比10，Ovation侧可以直接在点的转换系数中选择线性，转换系数为0.1.对于模拟量数据输出给PLC可以选择OUTPUT TO PLC。

从PLC中获取开关量数据。需要注意的是，我们可以按这种方式 AB PLC5 1 IN N7：21/6读取数据，但不能用这种方式 AB PLC5 1 OUT N7：21/6 将开关量的数据写到PLC中。Ovation写开关量到PLC时，可以将开关量打包成打包点，然后按16整数的形式发给PLC。

目前，AB PLC的主流组态工具为RSLogix 5000，需要将里面的点MAP设置成地址的形式，如图5所示。

通信时，对方建立了两个数组，7号用于发送数据给Ovation，10号用于从Ovation中获取数据。图6所示为7号数组DW_DATA数据结构，图7所示为10号数组RD_DATA数据结构。

通过以上配置，由于Emerson Ovation DCS系统可以识别AB ControlLogix PLC的通信规约，杂项控制系统的PLC和DCS系统实现了无连接，两个系统可以直接进行数据交换，所有数据都会储存到DCS的历史数据中，同时满足了全厂统一数据库的要求。

Ovation DCS 和AB ControlLogix PLC 都遵循以太网协议，我们考虑采用NTP 对时的方式对二者对时。由于业主要求全厂统一时钟，因此，要利用DCS的NTP 服务器对PLC系统对时。ControlLogix的处理器从18.0.0版引入了CIP 同步的功能，全面支持PTP1588。PTP1588的典型应用领域是测量和控制系统、工业自动化、电力系统以及分布式运动控制系统。PTP1588可以提供亚微秒的时间精度，所需计算资源网络资源更少。在ControlLogix系统中，时钟同步所需的硬件的要求如表1所示。

3.2 使能CIP Sync功能

在本系统使用的硬件中，Controllogix处理器、1756-EN2T以太网模块和1756-IB16ISOE模块都有自己的时钟，仅需使能模块的CIP Sync功能就能得到统一的UTC时间。这种技术简化了网络结构。在过去的系统中，要使用专门的网络才能建立时钟同步网络，而现在使用工业以太网就可以建立时钟同步网络。CIP Sync可以充分利用已有的以太网资源，就不需要对同步信号单独布线了。

3.3 授时机制

在图8所示的系统中，○GM代表Grandmaster Clock，它是系统最高级的时钟；○S代表从时钟，○M代表主时钟。最高级时钟（GrandMaster Clock）在一个域内，通过CIP协议进行时钟同步，作为最终时间源。ControlLogix PLC系统具有最高级时钟的仲裁功能，时钟系统可以自愈，一个时钟失效不会停止传送或同步，系统通过最佳时钟算法（Best Master Clock Algorithm）找到最佳主时钟（Best Master）。

在图8中，○GM通过CIP同步的方式在以太网络上将3个EN2T的时钟同步，EN2T通过背板分别将L61和SOE模块的时钟同步。○GM通过NTP的方式将安装了RSLogix 5000 编程软件的PLC 工程师站同步。这个方案使控制系统和个人计算机系统从同一个时钟源获取时间，保证了整个系统的时钟同步。

3.4 支持CIP同步的硬件系统

ControlLogix控制器具有自身支持CIP同步的功能，可以作为精确时钟PTP主站和从站。在控制器之间，不需要编制程序就能共享时钟，只要在控制器配置页面的选项框中打勾即可。EN2T支持CIP同步。STRATIX 8000本身支持PTP1588，可以设置边界时钟，也可以设置透明时钟。1756-IB16ISOE固件为2.7版本，提供最新技术和最佳性价比的SOE方案、第一失效检测系统，支持集成的CIP同步和高精度时间戳，来自以太网时间源的“实时”值。SOE方案的结构非常简单，取消了原来的同步连接线，降低了成本。

4 结束语

通过上述技术分析和对比，我方采用的技术方案具有成本低、调试工作少、维护方便、自动化程度高的特点，可以满足业主的所有技术要求，得到了业主的认可和批准，实际应用效果良好。

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〔编辑：刘晓芳〕