近年来随着计算机技术、网络通信技术的迅猛发展，PLC从控制功能、处理速度、联网能力等各方面得到了很大提高。尤其PLC网络通讯功能的发展，使得许多电厂借助计算机通讯网络，实现了辅助车间的相对集中监控及系统的自动运行。华能德州电厂三期工程水系统即采用相对集中的原则进行了规划设计，并已完全投入运行，达到了设计要求。经过2年多的运行，运行比较稳定，但也暴露了一些问题和不足。

1   水系统集中监控方案

    华德电厂三期扩建工程安装2台660MW的燃煤发电机组。由于各辅助车间的布局比较分散，根据各系统的相似性和互通性以及安装位置，将三期辅助车间设置了水、煤、灰三个集中控制室，水系统集中控制室主要监控所有水处理及其辅助设备。

1.1 控制范围及控制方式
    三期工程水系统涉及范围较大，控制设备较多，但其地理位置又相距较远，我们结合水系统设备的地理分布、在生产过程中的重要性以及国内计算机网络技术的应用，借鉴国内兄弟电厂经验，将水系统控制方案初步设计为采用PLC+CRT集中监控，控制室布置在补给水车间内，操作员在此完成补给水处理（包括反渗透）、净水室、公用水泵房、补水阀门切换间、制氢站、循环水弱酸处理、循环水加氯、气浮处理、生活污水处理、工业污水处理、雨水泵房、凝结水处理、汽水取样和加药系统等所有水系统设备的远方监控。
    根据工艺系统的布置，将各水系统划归为四个控制区：补给水处理控制区、循环水弱酸处理控制区、污水处理控制区、凝结水处理和汽水取样、加药控制区。
    补给水处理控制区包括以下系统：补给水处理（包括反渗透装置）、补水阀门切换间、净水室和公用水泵房。
    污水处理控制区包括以下系统：工业污水处理、生活污水处理和气浮处理。
    循环水处理控制区包括以下系统：循环水弱酸处理、循环水加氯、制氢站和雨水泵房。
    凝结水处理区包括以下系统：凝结水精处理、汽水取样和化学加药系统。
    作为控制中心的补给水处理系统采用独立的PLC控制，污水处理控制区采用远程I/O作为补给水控制系统的一个子站循环水处理区和凝结水处理区均采用独立的PLC控制，并均通过网络连接的方式接入水系统集中控制室内。控制室内不再设常规控制仪表盘。

1.2 监视及控制系统结构
    水系统集中控制按PLC（下层）+上位计算机（上层）的系统结构设计。需接入上位机系统的下位PLC系统有：循环水弱酸处理的PLC系统、循环水加氯的PLC系统、制氢站的PLC系统、凝结水精处理的PLC系统、汽水取样和加药的PLC系统。

    要实现水系统集中控制的目标，集中控制网络的设计和实施方案是实现水系统集中控制的核心部分，一者要求该网络能够敷设通讯的距离较远、实时性强；二者要求该网络可靠性强且便于不同系统的连网；第三为便于系统连接，PLC的选型、上位机软件应尽量统一，同时应考虑分布式数据库的应用。
    通过收资论证，我们确定采用两级网络系统来构成整个集中监控系统，各控制区的PLC系统连接在工业控制主干网上面，上位机系统通过工业控制主干网实现对各个PLC系统进行访问，具体结构见附图-1。补给水处理系统、循环水弱酸处理系统PLC选用A-B公司的PLC-5系列产品，并选用CONTROLNET网络为主干网，为保证控制系统的可靠性， PLC的CPU模件、电源模件、通讯接口模件均应冗余配置。其他控制系统均采用A-B公司的PLC，且必须具有与CONTROLNET网络通讯连接的能力。
    系统配置4台上位机，上位机监控软件采用Intellution iFix，并基于简体中文版WINdows NT 4.0及以上版本环境下运行，使系统具有较好的运行实时性，又有良好的开放性。

1.2.1第一级网络-工业控制主干网络
    主干网络采用冗余CONTROLNET网络，它是A-B公司近几年推出的开放型现代化高速工业控制网络。CONTROLNET属于IEC标准子集之二，是主要用于PLC与计算机之间的通信网络，也可在逻辑控制或过程控制系统中用于连接串行、并行的I/O设备、人机界面等。数据传输速率可达到5Mbps，其介质采用同轴电缆或光纤，其主要特点为：

    l CONTROLNET采用了并行时间域多路存取（CTDMA）技术，一是提高了网络带宽的有效使用率。数据一旦发送到网络上，多个节点能够同时接受，当更多设备连接到网络时也不会增加网络的通讯量。二是数据可同时到达各节点，保证各节点的精确同步化。
    l CONTROLNET设计了通信调度的时间分片方法，即满足了对时间有严格要求的控制数据的传输要求，又满足了信息量大、对时间没有苛求的数据与程序的传输。
    l CONTROLNET通信采用虚拟令牌访问机制。网络上不存在专门起令牌作用的帧，令牌隐含在普通数据帧中。完全避免了介质访问冲突的发生。
    各下位PLC和上位机均连接于CONTROLNET，通过CONTROLNET实现各系统之间及与上位机的数据共享和数据交换。

1.2.2第二级网络-TCP/IP以太网
    为实现上位机之间的数据库共享以及各种资源共享（文件、打印机等），选用了两台基于TCP/IP的100M网络交换机实现上位机之间的通讯。每台上位机上配备两块以太网卡，分别与两台网络交换机连接，实现互为热备用的功能。同时网络交换机还可提供与DCS的通讯接口。

1.2.3分布式数据库的设计概念：
    根据初步统计，系统集中后系统I/O点要达到3200点左右。根据经验，上位机系统软件所需要的中间点数（标签名）约为实际I/O点的2.0-2.5倍。由此可见标签量可达到10000点，如每台上位机均装有所有系统的数据库，势必会导致一级控制网络的负荷量很大，从而影响整个控制系统的响应速度，无法满足数据刷新的要求。为解决以上问题，将数据库进行了分开配置，将#1和#2上位机作为补给水处理控制区和污水处理控制区的上位机，两台上位机装有一致的FIX数据库，它们之间的关系是互为备用且可独立操作，对可执行的操作同步反应。#3和#4上位机作为循环水控制区、凝结水精处理、汽水取样和加药等的上位机，两者数据库一致并互为备用。
    通过冗余的二级网络（以太网TCP/IP）来实现数据库之间的通讯，从而实现数据库的集中。对于操作员来讲，这四台上位机功能会完全一致。同时100兆高速太网交换机等硬件保证了上位机之间调用分布式数据库的速度，在此情况下的数据库调用绝对不会影响整个通讯网络的负荷率。

2、系统出现的问题和不足：

    经过各方人员的共同努力，整个网络均投入运行，基本达到设计要求。但在调试和试生产过程中也暴露了一些问题和不足。

2.1  网络结构设计不尽合理
    各系统控制主干网均采用CONTROLNET网络，上位机与下位机的通讯也采用CONTROLNET网络，使得整个水系统控制网络相当庞大，系统标签量达到10000点。这样使得整个网络通讯量相当大，网络负荷率较高，尤其上位机反应时间感觉较慢。并且由于各系统都通过同一网络进行通讯，如某通讯点出现故障将影响整个网络，因此网络的可靠性不高。
    当然这样的网络结构主要是受当时PLC网络通讯功能的限制。目前随着各品牌PLC网络通讯能力的发展，尤其ETHERNET以其通讯量大，造价低得到各品牌厂家的重视，各系统控制主干网已普遍采用ETHERNET，即各PLC内部采用各自的控制网（如：A-B的DH+、CONTROLNET；SIEMENS的PROFIBUS；MODICON的MODBUS、MODBUS+等），各控制系统之间及与上位机之间通讯均采用ETHERNET。这样使得各系统PLC的控制网络相对独立，可靠性较高；同时与其它系统或上位机的数据交换不通过控制网络使得控制网络的负荷率降低，通讯速度得到提高。
    华德电厂三期工程两台机组作为新近投产机组不可能进行大的改造，并且系统运行基本正常。不过为提高系统的可靠性，也对网络进行了一定的优化，目前已将控制网络分为两部分，即补给水处理控制区和污水处理控制区为#1网络，循环水处理控制区和凝结水处理控制区作为#2网络。#1和#2上位机连接到#1网络，#3和#4上位机连接到#2网络，上位机之间通过网络交换机进行数据交换。使系统可靠型得到了一定提高，控制网络负荷率得到了降低。

2.2 PLC远程I/O站设置不合理
    污水处理控制区采用远程I/O作为补给水控制系统的一个子站，与CPU的所有数据交换（包括中间标签量）均通过CONTROLNET，使得网络通讯数据量增加不少，加重了控制网络的负荷率。
    由于污水处理与补给水处理从工艺流程来说相对独立，相互之间没有连锁关系和数据交换，且该系统具有一定规模，因此采用独立的PLC比较合理，不宜设置远程I/O站。
    一般设置I/O站的原则为：通讯距离较远，与主系统存在一定连锁或工艺关联，数据通讯量不大（根据整个系统规模，一般不超过5%）。

2.3 PLC的选型没有统一
    为保证各系统PLC的通讯能力，在设计招标阶段就注重了PLC的统一选型，但到了合同执行阶段发现虽然要求了PLC品牌的统一，但由于整个网络结构确定较晚，一些系统没有对具体的通讯接口进行要求，因此出现了一些问题。
    如凝结水精处理系统，该控制系统厂家所配PLC为AB  PLC-5/60，符合合同要求，但系统网络为DH+，没有CONTROLNET接口。为此经与网络承包商研究，不得不另外在凝结水精处理控制室增加一个CONTROLNET网关，将DH+与CONTROLNET进行转换，网关作为CONTRLONET网络的一个节点，以实现与CONTROLNET的通讯。
    同样汽水取样、化学加药控制系统所配PLC为AB  SLC-5/04，但系统只配备了一块CONTROLNET SCANNER，仅能用于I/O扩展，不能用于联网。因此另行增加了一块CONTROLNET RS232C接口模件，实现了与CONTROLNET网络的连接。
    总之由于PLC网络接口的不统一，致使网络结构更加复杂，并增加了一定投资费用。

3  结束语

    网络结构设置是否合理直接关系到控制系统的正常稳定运行。一个系统网络结构的设置应进行充分论证，及早确立。相信随着PLC网络能力的强化和控制功能的增强，控制网络结构的设置必会更加合理、完善。