PLC在汽輪機(jī)危急跳閘系統(tǒng)的冗余方案

（文章來源：電氣新科技）

汽輪機(jī)緊急跳閘保護(hù)ETS系統(tǒng)是采用了可編程控制器PLC組成的冗余控制系統(tǒng)，主要介紹了幾種PLC在ETS系統(tǒng)的冗余方案。

汽輪機(jī)危急跳閘系統(tǒng)(ETS)是汽輪機(jī)保護(hù)最重要的一環(huán)，它是汽輪機(jī)電跳閘的出口，其運(yùn)行安全與否直接影響到汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。ETS監(jiān)測(cè)汽輪機(jī)的一些重要參數(shù)，如:潤滑油壓力、凝汽器真空、汽機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子振動(dòng)、軸向位移等，當(dāng)這些參數(shù)越限時(shí)，輸出跳閘信號(hào)到跳閘電磁閥，跳閘電磁閥卸掉保安系統(tǒng)的保安油，使汽輪機(jī)的主汽閥和調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉，完成汽輪機(jī)跳閘的功能，使汽輪機(jī)緊急停機(jī)，處于安全狀態(tài)，以避免發(fā)生嚴(yán)重的后果。

汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)是電廠重要的安全保護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性直接影響電廠機(jī)組的安全。由于ETS系統(tǒng)是確保機(jī)組安全運(yùn)行的最后一道自動(dòng)保護(hù)裝置，因此，對(duì)系統(tǒng)的可靠性和快速性有非常高的要求。目前我國均已采用了以可編程控制器PLC控制取代繼電器控制為核心組成的冗余配置的ETS系統(tǒng)。

ETS系統(tǒng)是采用兩個(gè)互為主備運(yùn)行的PLC代替繼電器、由程序處理控制代替硬接線、I/O電平可與外部裝置相連接以及結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展的工業(yè)檢測(cè)、保護(hù)、控制設(shè)備。目前我國ETS系統(tǒng)采用的PLC冗余方案主要有西門子S7-300/400軟冗余與S7-400H硬冗余、施耐德的Quantum硬冗余、羅克韋爾的ControlLogix硬冗余和SLC500軟冗余、ABB 的AC800M硬冗余等方案。

在OB100里調(diào)用FC100 ‘SWR_START’塊進(jìn)行軟冗余的初始化，用戶需要在其中定義冗余部分的數(shù)據(jù)區(qū)，該數(shù)據(jù)區(qū)可以包括：一個(gè)過程映象區(qū)，一個(gè)定時(shí)器區(qū)，一個(gè)計(jì)數(shù)器區(qū)，一個(gè)位地址區(qū)和一個(gè)數(shù)據(jù)塊區(qū)，S7-300同步的最大數(shù)據(jù)量為8 kBytes，S7-400同步的最大數(shù)據(jù)量64kBytes。在OB86里調(diào)用FC102 ‘SWR_DIAG’塊進(jìn)行軟冗余的診斷，導(dǎo)致主從站通訊出錯(cuò)時(shí)CPU不會(huì)發(fā)生停機(jī)。

下載程序時(shí)A路與B路程序必須分別下載，下載完成后當(dāng)CPU的RUN指示燈亮和僅一個(gè)ET200M模塊的ACT指示燈亮，而CPU和ET200M模塊無SF或BUSF燈閃爍，即代表該軟冗余系統(tǒng)已正常工作。

該方案采用西門子S7—400H冗余的PLC控制系統(tǒng)，S7-400H系列PLC是西門子公司專為高端應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)的冗余系統(tǒng)，采用雙機(jī)熱備的硬件冗余機(jī)制，其工作電源、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、CPU、操作站均為冗余設(shè)置，一旦主系統(tǒng)發(fā)生故障，能夠自動(dòng)無縫切換到熱備用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的Master—Reserve轉(zhuǎn)換，使整個(gè)系統(tǒng)可以容錯(cuò)運(yùn)行．從而避免了傳統(tǒng)的單機(jī)系統(tǒng)因故障停機(jī)而造成損失，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

S7-400H 是容錯(cuò)自動(dòng)化系統(tǒng)，只有在其它措施配合下控制安全相關(guān)過程時(shí)才需要使用。S7-400H的容錯(cuò)性是通過兩個(gè)并行的中央控制器實(shí)現(xiàn)的，它們的CPU通過光纖連接，并通過冗余的PROFIBUS-DP線路對(duì)冗余I/O進(jìn)行控制。每個(gè)CPU 需要兩個(gè)同步模塊，通過光纜成對(duì)連接。兩個(gè)冗余的S7-400H CPU 之間的通訊使用同步模塊。在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)無擾動(dòng)的控制傳輸，即未受影響的熱備設(shè)備將在中斷處繼續(xù)執(zhí)行而不丟失任何信息。

標(biāo)準(zhǔn)S7-400 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和編程規(guī)則也適用于S7-400H。就用戶程序的執(zhí)行而言，S7-400H 的運(yùn)行方式與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)完全相同。操作系統(tǒng)的集成同步功能會(huì)自動(dòng)在后臺(tái)執(zhí)行，無需在用戶程序中組態(tài)這些功能。在冗余操作中，用戶程序會(huì)在兩個(gè)CPU 上冗余地存儲(chǔ)并由事件驅(qū)動(dòng)同步執(zhí)行。但我們提供了多個(gè)用來優(yōu)化程序的塊，用以改善其對(duì)因更新等操作而導(dǎo)致的任何周期延長情況的響應(yīng)。

除S7-400和S7-400H系統(tǒng)中支持的塊外，S7-400H 軟件還另外提供了可用來影響冗余功能的塊。通過STEP 7在用戶程序中使用SFC 51“RDSYSST”執(zhí)行該查詢。使用OB 70- I/O 冗余錯(cuò)誤與OB 72-CPU 冗余錯(cuò)誤等組織塊來響應(yīng)S7-400H 的冗余錯(cuò)誤?？梢允褂肧FC 90 "H_CTRL"禁止主站CPU 上的鏈接、禁止主站CPU 上的更新和刪除、恢復(fù)或立即啟動(dòng)周期性自檢的測(cè)試組件三種方式影響容錯(cuò)系統(tǒng)。

下載用戶程序至CPU0，將CPU0 的模式選擇器開關(guān)設(shè)為RUN，然后再設(shè)置CPU1 上開關(guān)，以啟動(dòng)S7-400H自動(dòng)化系統(tǒng)。CPU 執(zhí)行暖啟動(dòng)，并調(diào)用OB 100。結(jié)果CPU0 作為主CPU 啟動(dòng)，CPU1 作為備用CPU 啟動(dòng)。 鏈接并更新備用CPU后，S7-400H 處于冗余模式并執(zhí)行用戶程序。當(dāng)CPU0與CPU1的RUN指示燈亮， INTF、EXTF、 BUSF1 和BUSF2 、IFM1F 、IFM2F和REDF指示燈都熄滅后，S7-400H冗余系統(tǒng)已正常工作。

施耐德Quantum硬冗余系統(tǒng)（Modicon Quantum熱備系統(tǒng)）需要在兩個(gè)底板上配有相同的硬件、軟件和固件。其中一個(gè)控制器(PLC) 作為主控制器，另一個(gè)控制器作為備用控制器。在每個(gè)掃描周期后主控制器都要對(duì)備用控制器進(jìn)行更新。主控制器和備用控制器經(jīng)常通信，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行監(jiān)控。

如果主控制器故障，備用控制器會(huì)在一個(gè)掃描周期內(nèi)代替主控制器起控制作用。主控制器執(zhí)行應(yīng)用程序，控制RIO，在每次掃描（程序周期）之后更新備用控制器。如果主控制器故障，備用控制器在一個(gè)掃描周期內(nèi)將起控制作用。

Modicon Quantum熱備系統(tǒng)是由Concept軟件、配備熱備套件、電源和遠(yuǎn)程I/O(RIO)等組成。經(jīng)濟(jì)型熱備套件140由兩只CPU、兩只電源、兩只熱備模塊140 CHS 11000組成。在熱備控制站A和B上可以配備一套經(jīng)濟(jì)型熱備套件和各配一只RIO通訊模塊140 CRP 93200，在遠(yuǎn)程站配備了RIO適配器140 CRA 93200，外加電纜與分離器的連接可組成一套經(jīng)濟(jì)型的熱備系統(tǒng)。

現(xiàn)在的Modicon Quantum控制器使用Concept軟件，最多能傳送應(yīng)用數(shù)據(jù)約128Kb，包括已定位數(shù)據(jù)(在狀態(tài)RAM中)和非定位數(shù)據(jù)。為傳送非定位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)必須使用狀態(tài)RAM中一部分3x區(qū)域。施耐德電氣選擇這種方法是為了與現(xiàn)有的CHS 選項(xiàng)模塊(140 CHS 11000)相兼容。

因此，有必要進(jìn)行折衷：非定位數(shù)據(jù)越多，狀態(tài)RAM就越少，反之亦然。在Concept軟件中，CPU的“Configuration Extension”在“984 Hot Standby”選項(xiàng)選擇后并確認(rèn)。下載程序至一路PLC，下載完成后可按住另一路的熱備模塊140 CHS 11000上的Update按鈕后完成程序自動(dòng)傳送。當(dāng)除了“READY”、“Com Act”和“RUN”指示燈亮并不閃爍等，通過試驗(yàn)正?？傻贸鲈摕醾湎到y(tǒng)已正常工作。

ControlLogix冗余系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由兩個(gè)完全一樣的控制器框架組成，每個(gè)ControlLogix冗余系統(tǒng)框架中控制器模塊、通信模塊和SRM模塊。兩個(gè)框架尺寸完全相同，模塊一模一樣，插放位置也一模一樣，控制器中的程序也一模一樣。兩個(gè)控制器框架之間，完全靠系統(tǒng)冗余模塊SRM來完成同步和數(shù)據(jù)的交換。

進(jìn)入同步狀態(tài)的主機(jī)控制器，自動(dòng)地傳送備份數(shù)據(jù)到輔機(jī)控制器，這些數(shù)據(jù)無須用戶挑選和編程，只要在主機(jī)控制器中被程序運(yùn)行時(shí)刷新過的數(shù)據(jù)，都會(huì)通過交叉裝載傳送到輔機(jī)控制器，傳送的數(shù)據(jù)量可以非常大。控制器通過與SRM的連接，得知自己是主機(jī)控制器還是輔機(jī)控制器，從而決定是傳送數(shù)據(jù)還是接收數(shù)據(jù)。這些完全不需要用戶的介入，系統(tǒng)自動(dòng)獲取、自動(dòng)判斷、自動(dòng)傳送。兩個(gè)控制器的同步運(yùn)行和大量數(shù)據(jù)的復(fù)制，使得輸出得到無擾切換。

在成對(duì)的冗余框架中，首先上電的框架成為主機(jī)框架，后上電的框架作為輔機(jī)框架，并建立與主機(jī)控制器的同步。當(dāng)出現(xiàn)主機(jī)控制器所在框架掉電、拔插主機(jī)框架上的任何模塊、控制器程序發(fā)生主要故障、斷開CNBR模塊上的ControlNet分接器或電纜等情況都會(huì)發(fā)生冗余切換。

冗余系統(tǒng)中，主控制器框架和從控制器框架上各個(gè)模塊的版本必須嚴(yán)格一致，并到達(dá)到要求的版本號(hào)，否則無法正常工作。當(dāng)版本不一致時(shí)，在通訊軟件RSLinx中可能無法看到從控制器框架上的處理器，同時(shí)，從控制器框架的處理器狀態(tài)指示燈(OK燈)變?yōu)榧t色長亮。因此，一般系統(tǒng)在第一次上電時(shí)，需要進(jìn)行固件升級(jí)。升級(jí)工作需要使用Rockwell的固件升級(jí)軟ControlFLASH，。

升級(jí)完畢后，主從控制器框架都重新上電，使用RSLogix5000將程序下載到主處理器中，然通過切換將程序自動(dòng)備份至從處理器，最后通過軟件RSNetWorx for ControlNet對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃。檢查處理器RUN、I/O、RS232、OK指示燈綠色穩(wěn)定和BAT指示燈滅，通過試驗(yàn)正?？傻贸鲈摕醾湎到y(tǒng)已正常工作。

SLC的冗余可以采用兩個(gè)CPU機(jī)架，通過HSSL鏈路連接各自的1747-BSN冗余遠(yuǎn)程IO模塊，并掛接RIO鏈路即可。其作用如下：主CPU控制遠(yuǎn)程IO，后備處理器也接收同樣的實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)同步通過HSSL實(shí)現(xiàn)，以便后備處理器按實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷更新，當(dāng)主處理器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到后備處理器以接管控制，從而為用戶提供事實(shí)上不中斷的運(yùn)行功能。

SLC500軟冗余系統(tǒng)的主從機(jī)架完全相同，每個(gè)機(jī)架上安裝有一個(gè)CPU和一個(gè)BSN模塊，其中一對(duì)配對(duì)的BSN與遠(yuǎn)程IO上的 1747-ASB遠(yuǎn)程I/O適配器模塊實(shí)現(xiàn)冗余的RIO數(shù)據(jù)通訊。一個(gè)冗余SLC500系統(tǒng)最多支持8對(duì)BSN模塊，亦即最多可接8個(gè)RIO通訊鏈路，每個(gè)RIO鏈最多1024點(diǎn)I/O，因此一個(gè)SLC500冗余系統(tǒng)最多可有8192點(diǎn)I/O。

SLC500的熱備系統(tǒng)由1747-BSN構(gòu)成，可以在Remote I/O、DH+和RS-232/485網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的備份。當(dāng)在Remote I/O網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行熱備的時(shí)候，1747-BSN具有和1747-SN模塊完全相同的功能，只是在遠(yuǎn)程掃描器的基礎(chǔ)上增加了數(shù)據(jù)備份的能力。系統(tǒng)中，一個(gè)1747-BSN模塊處于主系統(tǒng)框架中，另外一個(gè)1747-BSN模塊處于備用系統(tǒng)框架中，都通過RIO鏈路與遠(yuǎn)程框架的1747-ASB模塊相連。在熱備系統(tǒng)中，主系統(tǒng)框架和備用系統(tǒng)框架中都不插I/O模塊。

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，主系統(tǒng)中的控制器通過背板將數(shù)據(jù)傳遞到本地框架的BSN模塊中，然后主系統(tǒng)中的BSN模塊通過HSSL鏈路將數(shù)據(jù)傳遞到備用系統(tǒng)中的BSN模塊中。在備用系統(tǒng)框架中，BSN模塊再將接受到的數(shù)據(jù)通過背板傳遞到備用系統(tǒng)的控制器中，數(shù)據(jù)就是以這樣的方式完成在熱備系統(tǒng)中的備份。

當(dāng)主系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候，熱備系統(tǒng)進(jìn)行切換，以使備用系統(tǒng)中的控制器接管主系統(tǒng)的控制器來控制遠(yuǎn)程框架的模塊運(yùn)行。這個(gè)切換的速度是很快的（一般在50ms之內(nèi)便完成切換），以致于在主系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候，處于遠(yuǎn)程框架的輸出還沒有發(fā)生變化，備用系統(tǒng)已經(jīng)代替出現(xiàn)故障的主系統(tǒng)運(yùn)行了。
（責(zé)任編輯：fqj）