1、发电厂高可用性 BOP 控制网络设计要点探讨(PLCFA)2006 年 9 月企业社区orationCommunity发电厂高可用性 BOP 控制网络设计要点探讨StudyonHighAvailabilityBOPControlNetworkinthePowerPlant浙江浙能,乐;鸯发电有限责任公司樊健刚FanJiangang摘要:文章分析了火力发电厂外围辅助(BOP)控制系统的现状 ;根据电一 BOP系统的特点,结合工业容错的技术优势,提出了适用于发电厂的高可用性 B0P 控制网络的解决方案及其设计要点 .关键词:发电厂 BOP 高可用性控制Abstract:Thepresentsitu
2、ationofBOP(BalaneeofPlantcontro1)controlsysteminthethermalpowerplantisanalyzedfirstlyAfterthedescriptionoftheindustrialEthernetSadvantagesthekeytechniqueswhichshouldbeobservedinconstructionofauxiliarycontrolsystemareofferedinthethermalpowerplant.Keywords:PowerPlantBOPHighAvailabilityControlSystem【中图
3、分类号】TU991【文献标识码 1B 文章编号 16065123(2006)09013403l 引言火电厂控制系统除了用以控制电厂锅炉,汽轮机和发电机等主设备的 DCs 系统外,还有大量的外围辅助控制系统,简称 BOP 控制系统.BOP 主要可以分为水,煤,灰三大辅助系统.由于这些辅助系统物理位置相对分散,电厂环境存在强电磁干扰信号,以及不同的工程公司提供的不同风格和系统质量的外围控制系统,因此要实现外围系统集中控制会面临四方面问题.如何解决外围控制系统不同层面的产品兼容性问题.由于 PLC 控制系统中的 HMI 操作画面组态软件,控制算法编程软件,以及相应的过程实时数据库等由不同的厂家生产,
4、因此,如何选型和设计全厂外围控制系统是一个必须考虑的问题;如何解决集中监控问题.传统外围系统由不同工程公司实施各自不同的控制系统(煤,水,灰),因此各控制系统的操作界面和过程数据库的规则,设计风格各异,互不兼容,无法直接实现外围系统集中监控;如何解决不同工程公司的控制系统的接口标准,以及数据通讯问题,切实保证数据的稳定可靠传输;134IProgrammablecontrollerfactoryautomation如何从过程实时数据库(控制用数据库,非历史数据库)角度 ,设计高可用性全厂外围控制系统,解决全厂外围控制系统一贯存在的冗余软件可靠性差问题.针对上述问题,本文探讨在规划设计阶段如何从全
5、局角度来组建发电厂高可用性 B0P 控制网络.2 高可用性 BOP 控制网络总体方案由于电厂外围控制系统 I/O 点数庞大,约为 20000点左右,最好采用相对分散过程数据库与集中监控相结合模式,划分水,煤,灰系统三个子系统进行相对集中监控.水,煤,灰子系统采用 PLC 直接控制方式,每个系统有自己的独立过程数据库服务器与 PLC 直接连接,在全厂外围控制中心的操作站通过各个子系统的服务器对辅助系统进行控制,全厂 B0P 控制网络总体方案如图 l 所示.传统的电厂 B0P 控制网络 ,在 PLC 直接控制层采用双机热备的上位操作站,在集控层采用双机热备的/实时历史数据库服务器,由于一般的自动控
6、制系统上位机作双机热备固有缺陷,一般不配置磁盘阵列以及企业社区CoporationCommunity(PLCFA)2006 年 9 月图 1BOP 控制网络总体方案专业的双机集群软件,否则大大增加系统成本,一旦其中一台上位机出现故障,很难实现可靠,实时切换,大大降低了辅控网络系统可靠性,增加系统管理成本,形成系统不稳定的关键节点.因此把集控层的高端服务器换成普通 PC,在水,煤,灰系统三个子系统采用容错服务器,容错服务器内部集成了两套完全一致的系统,并采用硬件实现故障切换,系统采用双路供电,所有模块可以带电插拔,但系统只需一套软件,这样不仅提高了系统可靠性,增加了系统维护的便利性,而且适当降低
7、了系统成本.另外,水,煤,灰三大子系统通过本区域的容错服务器采集所有辅助系统的过程数据,并通过该服务器广播给所有操作员站,下层所有的 PLC 只与该容错服务器有接口.这样,每个 PLC 只有一个上位机接口,避免了多台上位计算机和 PLC 接口,大大减轻了PLC 通信接口的负荷 ,即达到提高了系统响应速度,解决了全厂外围控制系统速度慢的问题,又实现了提高了系统可靠性,提高了系统运行稳定性的目的.系统还单独配置历史站,一方面作为与 SIS(厂级监控信息系统)系统接口机( 或作为 sIs 系统的子服务器),另一方面作为整个外围控制网络的历史站,用于处理整个控制系统的历史数据,如报表,趋势等,操作站只
8、用于监控,不再配置历史数据,这样大大降低了服务器的负荷和提高系统稳定性.为了解决外围控制系统不同层面的产品兼容性问题,全厂 B0P 控制系统设备选型采用了统一品牌的的HMI 操作画面组态软件,控制算法编程软件,和 PLC控制器.3BOP 控制网络的实时性设计由于 B0P 控制网络连接着整个发电厂水,煤,灰等全厂辅助控制系统,必须是实时的,可靠的工业控制网络.以太网在过去很长时间内被认为不适合工业应用是因为早期以太网通信的不确定性.但是,交换技术,全双工通信,快速以太网,千兆以太网,VLAN,IGMP,端口优先级等网络技术的出现使得以太网具有了实时性,成为一个确定性的网络,也使以太网成为工业自动
9、化网络中首选的传输方式.为了满足电厂 BOP 控制系统对于数据通信实时性的要求,在选用以太网交换机时应选用低延迟的工业交换机产品.办公自动化交换机产品的收发延迟一般约 23S,而工业级以太网交换机的收发延迟需要控制在数个微秒级,才能保证整个网络的传输延迟满足实时控制的要求.此外,为了防止广播风暴,还应采用 VLAN 技术克服交换网络中广播对网络规模的限制.最后必须选用支持端口优先级的交换机产品,以确保实时性要求高的控制数据或语音以高优先级数据帧进行传输.4BOP 控制网络的可靠性设计由于发电厂 B0P 控制网络连接着全厂的辅助控制系统,关系着全厂辅助系统的稳定可靠运行,网络可靠性成为构建外围控
10、制网络时需要考虑的一个最主要因素.在设计电厂 B0P 控制网络的过程中 ,一方面尽量遵徇“ 管理集中,控制分散“的原则,减少风险的集中,并建议采用星环混合型网络拓扑结构来满足外围控制系统可靠性要求.由于电厂电磁干扰大,应尽量采用光纤介质来增加网络的抗电磁干扰能力,并且工业电视网络光缆和PLC 控制光缆交叉冗余使用,从通信介质层面上提高网络可靠性.在网络产品的选型时需要考虑电磁兼容性,工作温度,防震等指标是否能满足电厂恶劣环境的要求.工业现场交换机一般是和控制器一起安装在控制柜中,因此必须是工业级设计,最好采用卡轨方式安装,无风扇散热方式,工作温度范围需要从 080.同时,要尽量减小平均故障修复
11、时间 MTTR.因此需要ProgrammablecontrollerfactoryautomationI135(PLCFA)2006 年 9 月企业社区CoporationCommunitv选用带有 SNMP 网络管理功能的交换机 ,这样可以采用 wEB 方式或网络管理软件对交换机和整个网络系统进行组态,诊断,故障定位和管理.需要注意的是 SNMP网络管理概念非常广泛,对于工业网络交换机来说,对SNMPTRAP(故障陷阱)的支持可以在最短时间内实现故障报警.每个现场辅助车间控制室配置冗余工业交换机,现场辅助控制系统通过冗余的交换机上联到集控室.现场辅助控制系统交换机采用超级冗余环技术(如赫斯曼
12、的 HyperRing)配置成容错环网 ,当环网某一点发生故障,系统可以在300ms 的时间内恢复正常工作,PLC 和交换机端口可以根据需要配置不同的冗余度.B0P 控制系统集控中心网络也配置成容错环网,现场外围控制系统网络和集控中心网络之间采用环间冗余技术实现环网之间的冗余连接,确保冗余切换时间500ms.依据“ 管理集中,控制分散“原则,电厂运行人员可以在集控室或其它现场控制室对全厂辅助系统实现集中监视和控制,但过程控制数据库相对分散在三个容错服务器中.外围控制系统服务器传统配置成双机热备形式,由于实现成本的原因通常不采用磁盘阵列,因此无法实现真正的服务器热备系统,一旦有一台服务器出现故障
13、,几乎不可能实时切换到备用服务器,即使切换成功,也需要 115min 时间,控制系统实时数据完全丢失.另外,商用的 PC 服务器无法实现在线( 带电)更换板卡 ,必须停机检修.因此该方案采用容错服务器,实现了服务器硬件同步运行,实时切换,克服了长期以来服务器冗余切换不能可靠性实现的老问题,同时极大的方便了系统维护.5BOP 控制网络系统的通讯接口设计在组建全厂外围控制网络系统时,必须要有统一的通信和接口方式来解决不同种类设备间的通讯问题.在电厂控制系统的 PLC,监控软件接口,以及与第三方通信接口必须采用 OPC 规范,并且 OPC 支持远程通信.另外,为了符合国家对电厂控制系统网络安全的规定
14、,外围控制网络与电厂 sIs 系统实时数据库的接口是单向通信,数据只能从外围控制系统送到实时数据库.错服务器,交叉冗余光缆,DBC 架构软件配置等)来组建高可用性的电厂 B0P 控制网络 .但电厂 B0P 系统由于涉及到的厂家多,水平和经验良莠不齐,各个厂家都有自己的软件编制习惯,要顺利实现全厂 B0P 系统集中监控,就必须制定统一的 B0P 网络规划.在 B0P 控制系统实施前应考虑以全方位规划.IP 地址规划:IP 地址应有统一的规划 ,各外围控制子系统操作站,服务器,网络设备,以及 PLC 的 IP 地址应统一划分.计算机名和节点名规划:外围控制系统上的所有计算机及应有统一命名规则.过程
15、数据标签命名规划:数据库中的测点名称,编号和基本块的标记名的命名严格遵守电厂编码标准,中间块的标记名的命名根据各自系统进行统一的划分.各种文件命名规划:画面文件的命名,时间表中事件文件的命名,标签组文件的命名以及历史记录分配文件的命名规则也应遵循相同的规则.操作画面风格规划:人机操作画面的分辨率,布局,图标,操作窗口,报警,颜色等应作统一规定.采用相对分布式网络数据库和对等操作站:采用分布式过程数据库,当集控中心任何一台操作员站故障时不影响数据库对数据的调用,不影响整个外围控制系统的监控功能.7 结束语本文结合火力发电厂 B0P 控制系统的实际情况,从工业以太网的技术特点,拓扑结构和辅控系统软件架构等几方面出发,初步探讨了电厂高可用性 B0P 控制网络的设计要点,希望能供有关的工程技术人员参考.但是全厂 B0P 控制系统能否实现设计目标 ,除了本文探讨的技术外,很大程度上取决于辅助系统自动控制流程所涉及的一次设备的可控性,如执行机构质量,限位开关动作是否灵活可靠,变送器是否准确无误等,只有一次设备可控才能确保整个 B0P 控制系统高可用性.参考文献(略)作者简介6BOP 控制网络规划设计应注意的问题樊健刚(1966 一)男工程师从事热控技术.在设计过程中采用各种容错技术(如容错环网,容136IProgrammablecontrollerfactoryautomation
