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1 引言
随着国民经济的发展，对电力系统、电厂的要求越来越高。对于水电厂来说，装备一套结构合理、功能完善、可靠性高的现地控制单元，是水电厂提高安全生产水平，实现“无人值班”的重要环节。
2 原有设备问题分析
2.1 原有现地单元
原有现地控制单元包含一面盘柜，柜内安装了Modicon984-145型PLC，参见图1。该PLC属于凑型的PLC，基本的控制和数据采集功能都可以实现;与一体化工控机以及上位机采用了MB+网方式通信，该PLC仅具有一个RS-233口，协议固定为MODBUS，规约只能是MODBUS从站。
图1 原有盘柜布置图
2.2 原系统存在问题
(1) 整个电站的通信采用一个MB+网，当通信线路一个地方发生故障可能会影响整个电站的运行，对电厂的安全运行形成隐患;
(2) 对外通信扩展不方便，许多外部设备的信息无法采集到PLC中去;
(3) 随着外部控制设备的更新改造，所需测控点数增加，原有配置已无法满足要求;
(4) 当地显示界面即一体化工控机故障率比较高;
(5) 备品备件订货越来越困难。
为此需对现地控制单元进行更新改造。
3 技改方案分析
结合水电厂现场改造的经验，提出如下三个现地控制单元改造方案以供比选。
(1) 全部更新
把原有设备全部更新，改用Quantum PLC。全部更新，原有设备要全部报废，这样改造的成本较高，同时现场配线、安装等工作量都较大，改造周期较长。
(2) 扩展DI/DO新屏
扩展一面屏，增加开关量输入和输出点数，PLC仍采用Modicon984，和上位机通信仍需采用MB+方式。由于仅仅是对原有系统进行扩充，增加了相关的点数，整个系统的功能特点以及可靠性等并没有过提高，这种方案改造的意义不大。
(3) 扩展PLC新屏
原有屏柜保持，新扩展一面屏柜，采用Quantum PLC，Quantum PLC与原有PLC采用MB+网进行通信;与上位机通信方式改用以太网通信，即PLC直接上以太网，在新增屏柜上安装一台通信管理机。
在充分利用原有设备的基础上，增加了一套Quantum PLC，数据处理能力得到很大的提高，Quantum PLC具有无与伦比的网络连接能力，特别是应用于MODBUS PLUS网络的站间通讯(Peer Cop)技术，其快速、准确、可靠的性能充分满足功能要求，在新盘柜和旧盘柜之间即采用MB+网进行通迅，高速MB+网络的通讯功能也得到了充分的利用，上位机的通迅改用了以太网方式，提高了速度和可靠性，同时改造过程中工作量也增加的不是很多，具有可行性。
4 系统设计
系统配置方案如图2所示。在该方案中，原有Modicon984 PLC配置以及盘柜布置和外部接线不作任何更改;增加了一套盘柜，盘柜内安装了一套Quantum PLC，PLC配置有140CPU 11303S，增加了开入模件、开出模件、模入模件、以太网通信模件。这就弥补配置点数不足的问题，同时解决了与上位机通信的问题。
图2 原配盘柜与扩展盘柜
4.1 数据采集和处理功能
原配置Modicon984 PLC和新增Quantum PLC都具数据采集功能，都配有相应的数据采集模件，两套PLC共同完成现地控制单元的数据采集功能;Modicon984 PLC采集到的所有数据通过MB+网络，采用Peer Cop方式送到Quantum PLC中去，Quantum PLC对所有的数据进行处理，即数据处理功能全部由Quantum PLC完成，这就充分利用了Quantum PLC高速的数据处理功能。
4.2 控制和调节功能
Modicon984 PLC和新增Quantum PLC都配有开关量输出模件，即都具有控制和调节功能;Modicon984 PLC中的开出点，既可以由Modicon984 CPU控制也可以由Quantum PLC控制，两者是‘或’的关系;Quantum PLC通过MB+网络，采用Peer Cop方式把开出点信息送到Modicon984 PLC中去，同时Modicon984 PLC也编有程序，可以实现对开出点的控制，这主要是用来实现对辅机或自启动流程的控制。
4.3 人机界面
在新增盘柜，装有触摸屏，触摸屏与Quantum PLC通迅，这样可以实现所有数据的实时动态显示，同时可以下发相关的控制令给Quantum PLC，Quantum PLC接受到控制命令后进行解释执行。
4.4 对外通信
在新增盘柜，安装有以太网通信模件和通信管理机，以太网通信模件用来和上位机系统通信。通信管理机主要是把现场辅助设备的运行信息进行采集，同时把采集到的数据信息送到Quantum CPU里，其自身具有八个RS-232串口，这样整个现地控制单元的外部通信功能大大增强。
4.5 系统结构主要特点
(1) 原有Modicon984 PLC相当于一个智能I/O，自身可以运行PLC程序，这样一些流程就保持不变，而这些控制功能又不受所扩展盘的影响;而对Quantum PLC来说，可以把Modicon984 PLC当一个扩展I/O来处理，它可以处理Modicon984 PLC所有的开关量、模拟量等;
(2) Modicon984 PLC和新增Quantum PLC采用Peer Cop方式，通过高速MB+网络进行通信，实践证明，通信快速、准确、可靠。
5 软件的功能和实现
5.1 Modicon984 PLC程序功能设计
(1) 编写简单的程序，以实现Quantum PLC和Modicon984 PLC可以同时控制Modicon984 PLC的开出点，程序示例如图3所示:
图3 梯形图
(2) 把开关量、模拟量进行处理，送到指定的寄存器，以便通过Peer Cop方式一齐传输到Quantum PLC;
(3) 简单的辅机流程和自启动流程
由于原配置Modicon984CPU不支持Concept编程，所以仍需用MODSOFT组态软件来编写。
5.2 Quantum PLC程序功能设计
(1) 发电机组的开停机流程、功率自动调节流程等;
(2) 对所有采集到数据进行处理分析;
(3) 接受上位机和触摸屏所发的控制命令并解释执行。
编程软件采用了组态软件Concept2.6，该软件支持梯形图(LD)、功能块图(FBD)、结构化文本(ST)等多PLC编程语言，能保证系统的各类控制功能的需求。
内容摘要:
鼓风机担负着为高炉提供动力能源的重要任务，因此，要求鼓风机控制系统要具有非常高的稳定性和安全性，特别是选择技术成熟，稳定性好的控制系统尤为重要。本文一方面详细介绍了QUANTUM PLC双机热备技术在首钢迁钢公司7000风机自动控制系统中的应用，包括主要设备的选型，软硬件的组态，重要参数的设定等，另一方面还结合7000风机的应用实例，剖析了双机热备系统在使用中常见的问题和处理方法。
关键词: 鼓风机 双机热备 QUANTUM PLC
1 概述
首钢迁安有限公司7000立方米高炉鼓风机自动控制系统已于2004年9月顺利试车成功，现已正式投产，为高炉供风。该鼓风机是由原首钢动力厂4#风机搬迁建成。为了提高整个控制系统的稳定性,控制系统选用了性能稳定，功能完善的SCHNEIDER公司QUANTUM系列PLC，CPU采用双机热备形式，PLC本地站与远程站之间采用了双缆连接的方式。系统还配备了以态网模块和工业交换机,可以通过光缆与其他岗位进行通讯。由于设计的改进，使得整个系统的性能到了全面的优化，稳定性，安全性，经济性较以前都有了全面的提高。自从投产以来，系统工作状态非常稳定，有力的保障了生产。
2 QUANTUM PLC双机热备技术的主要特点
2.1 双机热备系统具有非常高的可靠性
双机热备系统具有非常高的可靠性，体现在以下几个方面：
1) 控制系统为冗余的双CPU设计，运行时一主一备，并通过高速光缆连接；
2) 控制系统为冗余的双通讯通道，控制系统间通讯网络采用Modbus Plus或TCP/IP协议,控制系统内部采用RIO网络结构，以上网络均可以采用双缆冗余方式；
3) 控制系统为冗余的双电源供电。
2.2 正常工作时互为热备的控制器具有的特性
在双机热备系统中，互为热备的控制器具有如下的工作特性：
1) 实时数据传输，确保双CPU程序的完全一致；
2) 每个扫描周期均传送数据及状态信息，确保双CPU工作状态的完全一致；
3) 两个控制器之间采用光缆连接；
4) 切换完成的长时间是两个扫描周期；
5) 通讯速率为10M,热备系统可放于3km之外；
6) 当控制程序发生改变时，可以自动完成程序下装功能；
7) 初次组态时，用户快速、有效只需下装一次程序；
8) 使用IEC方式的双机热备配置不需要编程工作；
9) 使用ModSoft/Concept组态软件均可进行配置；
10) 用可装载功能块支持984/800系列用户；
11) CHS模块热更换-无需停机时间。
2.3 便捷安全的热备切换方式
可以通过以下几种方式实现便捷安全的热备切换：
1) 将主控机钥匙开关从RUN切到OFFLINE,即可完成手动热备切换；
2) 也可以通过人机界面或编程器切换；
3) 在电源失效，CPU失效，I/O失效(电缆或模板)，NOM失效(只在启动时)将完成CPU的自动切换。
3 迁钢公司7000风机热备系统构成
3.3 PLC的硬件设备选型及设定
一套完整的Quantum 热备系统需要以下设备：
1) 两块相同的至少四槽的背板；
2) 性能完全相同的两块CPU控制器；
3) 两块类型一致的RIO处理器；
4) 两块类型一致的电源模块；
5) 两块热备模板CHS 110；
6) 连接用的光纤电缆；
7) 网络连接的组件包括：分支器，RIO处理器与RIO网络连接使用的F接头，分支器MA-0186-100，MA-0185-100，终端电阻52-0422-000 ；
8) 如果需要其他的通讯协议，则需要增加其他的通讯适配器。
根据以上的构成热备系统的设备要求和实际需要，首钢迁钢公司7000立方米风机控制系统包括PLC控制柜2套，分别用来安装本地站和远程站，双机热备的CPU安装在本地站，本地站和远程站之间采用双缆连接。主要的设备选型如表1所示：
选定硬件设备后，需要按照如下的顺序安装热备系统：
1) 安装本地站和远程站的电源模块，CPU，RIO处理器，hot standby 模块，TCP/IP模块到背板，需要注意的是热备系统两个底板上安装的模板种类和顺序必须一致。两个CPU地设备地址设定必须相同。两个Ethernet模块的IP地址设定必须相同。hot standby 模块的指定滑动开关必须一个设定为A,另外一个设定为B.
2) 连接网络，包括安装RIO网络和Ethernet网络，按照网络结构图，分别安装RIO处理器和远程站之间的分支器和F接头，连接RIO站间的同轴电缆，Ethernet交换机和网线；
3) 连接两个hot standby 模块之间的光纤。
3.4 编程和上位监控系统
首先确定编程和上位监控系统与PLC之间选择TCP/IP的通讯协议。组态软件Concept和上位监控软件都支持TCP/IP的通讯协议，只要将网络搭建起来即可。迁钢公司7000立方米风机热备系统选用TCP/IP的通讯协议，需要的主要设备如下：
1) 编程和上位监控系统微机需配备Ethernet网卡；
2) 为了与热备的PLC通讯，需要安装Ethernet交换机；
另外，为了开发出理想的监控系统，选择的监控软件是美国TCPWonderware公司开发的InTouch8.0。InTouch是一个集成的、基于组CP/IP件的MMI系统——FactorySuite 2000中的一个核心组件。它具有美观的HMI（人机接口界面）和面向对象的图形开发环境，能够高效、快捷地配置用户的应用程序。其在稳定性，开放性，网络功能，数据库功能等方面都具有很大的优越性。使用INTOUCH开发的监控画面包括显示系统工艺过程的主画面，润滑系统，轴振系统，轴位移系统等监控画面，以及报警、历史曲线、实时曲线和报表等。系统的主要监控界面如图1，图2，图3，图4所示。
3.3 热备系统硬件网络的构成
根据对PLC系统和编程和上位监控系统的选择，确定整个控制系统的硬件网络结构。控制系统由研华IPC610工业计算机一台，EPSON LQ1600KIII打印机一台，PHILIPS201P显示器两台，WINFAST多屏卡一块等构成，其网络结构如图5所示。其中，PLC系统为双机双缆冗余热备系统，其主机IP为100.100.100.35和100.100.100.36，Quantum 本地（Local）站一个，远程（Remote）站两个，PLC主机与工控机之间采用TCP/IP通讯协议，工控机IP地址为100.100.100.37。
3.4 热备系统CPU的软件组态
使用Concept软件来组态项目，在创建一个新的项目的时候，需要指定选项IEC Hot Standy选项。指定此选项的目的就是为了安装相应的热备系统支持程序到控制器中，在Concept V2.6版本中，这些支持程序是和Concept软件绑定在一起的，在选中IEC Hot Standy 项目后就已经激活了相应的程序，如图6，图7所示。
图5：双机热备系统硬件构成
另外，还需要设定Hot Standby 扩展属性，Hot Standby 扩展属性包括的内容如图8所示：
使用Concept软件提供的Hot Standby扩展属性组态界面指定Hot Standby如下属性：1) 指定Hot Standby 命令寄存器参数；
2) 定义非传送区域地址范围，以减少CPU的扫描周期；
3) 定义CPU启动后的工作状态，相互热备的CPU哪一个处于ONLINE状态；
4) 定义处于热备的CPU在程序发生不匹配时所产生动作，是由热备转为自动离线还是由热备转换为运行；
5) 定义当相互热备的CPU工作状态相互切换时要交换设备地址的通讯口，包括MODBUS口1，2，3；
6) 使能或者禁止逻辑映象按钮忽略；
7) 定义执行逻辑升级时CPU所采取的处理方式，可以选择“不用停机”也可以选择“使用停机”方式；
完成上述的硬件配置和设定工作之后，分别将项目的配置下装到两个CPU中，热备系统就已经建立起来。需要注意的是在向CPU中下装组态时，需要先将两个CPU的备用电池取下，至少10分钟以上，以确保CPU在下装组态之前存储器中没有任何数据。
4 热备PLC系统常见故障及处理
热备系统的硬件网络结构图如图1所示，热备CPU通过高速光缆连接，CPU的每个扫描周期均以10M通讯速率，实时由主CPU向备CPU传输数据及状态信息,热备系统具有自动程序下装功能，快速、有效只需下装一次程序，配置不需要编程工作，CHS模块热更换-无停机时间。
CHS热备模块的显示面板如图9所示，其主要显示灯含义如表2。
CHS热备模块的常见故障处理如图10所示。
5 结束语
由于风机在整个生产流程中的重要作用，控制系统必须稳定。使用QUANTUM PLC双机热备技术满足了系统对控制提出的要求，实现了控制的安全，稳定，高效。该控制系统自投入以来，工作性能非常稳定，为生产提供了保障。实践证明该应用方案是成功的。
