PLC直接上網(wǎng)結(jié)構(gòu)智能設(shè)備接入方式探討

摘要本文簡述了國內(nèi)水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)變化發(fā)展歷史和變化過程，對計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元的結(jié)構(gòu)發(fā)展方向進(jìn)行了探討。重點(diǎn)探討了近幾年開始應(yīng)用PLC直接上網(wǎng)LCU結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，主要討論了在該種模式下智能設(shè)備接入的方式、速率、可靠性、編程的復(fù)雜性、可接入設(shè)備的數(shù)量等方面的特點(diǎn)。本文通過比較分析的方法對這些問題作了比較詳細(xì)的探討，并得到下面結(jié)論：PLC直接上網(wǎng)的LCU結(jié)構(gòu)優(yōu)于經(jīng)過工控機(jī)上網(wǎng)LCU結(jié)構(gòu)；智能設(shè)備以直接接入PLC現(xiàn)地總線方式最好；智能設(shè)備經(jīng)串口轉(zhuǎn)換接入PLC或經(jīng)串口直接上網(wǎng)方式，具有普遍應(yīng)用意義；智能設(shè)備直接上網(wǎng)是很有前途的方式。

關(guān)鍵詞水電廠無人值班計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元結(jié)構(gòu)

自從二十世紀(jì)八十年代中期，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在水電廠開始應(yīng)用以來，它在水電廠應(yīng)用越來越廣泛。新建電廠大多數(shù)都采用計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與新機(jī)組同步投運(yùn)，絕大多數(shù)沒有采用監(jiān)控系統(tǒng)的老水電廠已經(jīng)或正在進(jìn)行以計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為中心的綜合自動化改造。計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是水電廠創(chuàng)國內(nèi)一流水電廠基礎(chǔ)，更是創(chuàng)國際一流水電廠，實(shí)現(xiàn)“無人值班，關(guān)門運(yùn)行"的前提條件。

隨著計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)水電廠應(yīng)用不斷擴(kuò)大，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也在不斷地變化發(fā)展。近一二十年，計算機(jī)按照摩爾定律迅速發(fā)展，對監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展影響很大。論文作者從事計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地控制單元研制工作，愿意將近來LCU結(jié)構(gòu)變化趨勢與大家共同分析探討，希望同行專家能多提寶貴意見。

1．計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)發(fā)展情況

在二十世紀(jì)八十年代初期，水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)處在探索階段。其典型的結(jié)構(gòu)是集中式結(jié)構(gòu)。這主要受當(dāng)時硬件資源的限制。當(dāng)時可供選擇的計算機(jī)設(shè)備種類少且價格高，限制了其它結(jié)構(gòu)方式的發(fā)展。其主要缺點(diǎn)是靈活性差、可靠性差、實(shí)時性差。

到二十世紀(jì)九十年代中期，逐漸形成現(xiàn)在計算機(jī)監(jiān)控普遍采用的模式：分層、分布、開放。目前，領(lǐng)先公司的產(chǎn)品已達(dá)到全分層、全分布、全開放、面向?qū)ο蟆Ｋ^分層是指計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按功能分成現(xiàn)地控制層、廠站控制層、梯調(diào)控制層?，F(xiàn)地控制層的功能是現(xiàn)地數(shù)據(jù)的采集并上送給廠站控制層及梯調(diào)控制層，根據(jù)指令或自啟動執(zhí)行順控流程。監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時性主要由現(xiàn)地控制層來保證，因此它要具有非常好的實(shí)時性和很高的可靠性。廠站控制層根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行工況，由運(yùn)行人員對現(xiàn)場設(shè)備發(fā)出控制命令，或根據(jù)負(fù)荷曲線或根據(jù)電網(wǎng)頻率變化自動進(jìn)行控制。梯調(diào)控制層是廠站層的延伸，在流域梯級電站或電站群的情況下設(shè)立，負(fù)責(zé)所管轄電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和統(tǒng)一調(diào)度。上位系統(tǒng)要求具有良好的人機(jī)聯(lián)系手段，完善的功能，較高的運(yùn)算速度，長期穩(wěn)定運(yùn)行的性能，較強(qiáng)的與其它系統(tǒng)聯(lián)接或通訊能力。分布是指將現(xiàn)地控制層依據(jù)現(xiàn)場設(shè)備分成一個一個單元，每個單元建立相對獨(dú)立LCU。在水電廠監(jiān)控系統(tǒng)中，一般每臺機(jī)組設(shè)一個LCU，開關(guān)站、公用設(shè)備、廠用電設(shè)備、大壩等依據(jù)控制設(shè)備的多少、設(shè)備的布置及資金情況設(shè)一個LCU或若干個LCU。分布使監(jiān)控系統(tǒng)功能得到分散，各層有各層的功能，根據(jù)各層功能要求設(shè)置各層設(shè)備，使不同層計算機(jī)設(shè)備的性能得到充分發(fā)揮。分布使現(xiàn)地設(shè)備的控制彼此獨(dú)立，有利于設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行、方便維護(hù)檢修。分層、分布使計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能分配合理，可靠性提高，設(shè)備維護(hù)檢修非常方便。開放主要指監(jiān)控系統(tǒng)的軟件適應(yīng)硬件的程度，以及監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展性。實(shí)踐證明，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的分層、分布、開放的模式是正確的，是經(jīng)得起時間考驗(yàn)的。

2．LCU結(jié)構(gòu)及改進(jìn)的必要性

到目前為止，普遍使用的LCU結(jié)構(gòu)如下圖所示

圖一中虛框內(nèi)為LCU部分，可以看出LCU主要由工控機(jī)和可編程控制器構(gòu)成。擴(kuò)展串口部分作為工控機(jī)串口的擴(kuò)展提供與其它智能裝置、設(shè)備通訊接口。PLC作為主控制器，采集LCU開關(guān)量輸入、脈沖量輸入、數(shù)字量輸入、模擬量輸入，根據(jù)給定的指令或流程自啟動控制輸出，對設(shè)備進(jìn)行控制。在有些情況下，LCU還要通過模擬量輸出驅(qū)動指示儀表。從這種結(jié)構(gòu)可以看出，PLC作為LCU數(shù)據(jù)采集與控制的中心，它的實(shí)時性、可靠性非常重要。從工程中使用較多的幾家國外著名的PLC廠家如施耐德、通用電氣、西門子、羅克韋爾、ABB等PLC產(chǎn)品上看，都是完全工業(yè)化的產(chǎn)品，可靠性高、實(shí)時性好，適于惡劣環(huán)境下使用。

這種結(jié)構(gòu)中的工控機(jī)，是作為LCU主機(jī)而存在的。它的主要任務(wù)是將PLC采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)度變換、越限報警、數(shù)據(jù)打包等數(shù)據(jù)處理功能，并將LCU的所有數(shù)據(jù)上送到上位系統(tǒng)。同時，上位系統(tǒng)的控制命令經(jīng)工控機(jī)下達(dá)給PLC。工控機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)接口，起承上啟下的樞紐作用，它的任何故障，都使PLC與上位系統(tǒng)中斷通訊。它的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，可以做為現(xiàn)地LCU的人機(jī)聯(lián)系手段，為現(xiàn)地維護(hù)和設(shè)備試驗(yàn)提供方便。工控機(jī)與上位系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的速率早期為10Mbps，現(xiàn)在多為100Mbps。10Mbps與100Mbps兩種速率均能滿足數(shù)據(jù)交換的要求，當(dāng)然100Mbps速度更快一些。

3．PLC直接上網(wǎng)及智能設(shè)備接入問題

隨著計算機(jī)硬件、軟件的快速發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，著名工控廠家及系統(tǒng)集成商都大力開發(fā)以太網(wǎng)產(chǎn)品，關(guān)注PLC的直接上網(wǎng)問題?，F(xiàn)在國際上知名的PLC廠家產(chǎn)品均能夠?qū)崿F(xiàn)直接上網(wǎng)，如施耐德公司全線的Quantum系列、Premium系列等、通用電氣公司GE90-70系列、GE90-30系列、VersaMAX系列等、西門子公司的有關(guān)PLC、羅克韋爾PLC的有關(guān)系列控制器等。

采用直接上網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，必須妥善解決PLC直接上網(wǎng)后智能設(shè)備的接入問題。采用直接上網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，堅持分層分布式的結(jié)構(gòu)原則，就是要達(dá)到與LCU有關(guān)的各種數(shù)據(jù)采集和控制都必須由LCU來實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)?，F(xiàn)在，LCU一般都需要與一定數(shù)量的智能設(shè)備進(jìn)行通訊。在有工控機(jī)結(jié)構(gòu)的LCU結(jié)構(gòu)中，通訊實(shí)現(xiàn)是比較容易的，通訊的方式也比較靈活。但在采用PLC直接上網(wǎng)的結(jié)構(gòu)后，就必須考慮各種PLC產(chǎn)品特性對接入LCU智能設(shè)備的影響。PLC與工控機(jī)相比，通訊接口少，方式比較少。LCU智能設(shè)備接入問題，解決的總的方法有兩種，一種是直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換接入PLC，一種是直接接入以太網(wǎng)。由于各種PLC產(chǎn)品分別產(chǎn)于不同的公司，它們的特性也各不相同，因此實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備接入PLC的方法有多種多樣。在比較國外主要PLC產(chǎn)品特性基礎(chǔ)上，在滿足分層分布式的結(jié)構(gòu)原則前提條件下，對智能設(shè)備接入LCU的方法進(jìn)行分析對比，從它們的特性中，力圖找出共性的方法，側(cè)重于通訊速率、實(shí)現(xiàn)方式、是否需要編程、接入智能設(shè)備的數(shù)量、是否易于維護(hù)等方面。3．1直接接入PLC

每種PLCCPU上的串口或一般通訊模塊的串口所支持的普遍方式是從方式，即使它支持主方式，相應(yīng)通訊協(xié)議也是專有協(xié)議,不是開放的協(xié)議。對于一些PLC如GE90系列PLC，它有一種模塊，該模塊通訊方式為主方式，可以使用不同通訊協(xié)議編程，與智能設(shè)備通訊，這是解決方法之一。結(jié)構(gòu)圖見圖二。

這種方法智能設(shè)備與PLC的數(shù)據(jù)交換的速率是串口的速率，智能設(shè)備采集的數(shù)據(jù)可以在PLC控制流程中使用。設(shè)備通訊協(xié)議一致且數(shù)量不多時，比較適合這種方式。因?yàn)橹悄茉O(shè)備多，總的通訊速度就會較慢，通訊協(xié)議不一致，就會占用該模塊較多內(nèi)存。3．2通過現(xiàn)場總線直接接入PLC

對于部分PLC，一些智能設(shè)備可以通過現(xiàn)場總線直接接入PLC。這種方式較好，因?yàn)楝F(xiàn)場總線的方式，其可靠性、速率與直接插入PLC機(jī)箱的模塊是相同的，而且接入的地點(diǎn)比較靈活，距離可以比較遠(yuǎn)。這種方式不需要編程，可以接入較多設(shè)備，非常方便，是一種很好的方法。參見結(jié)構(gòu)圖二。3．3間接接入PLC

直接接入PLC的方法不具有普遍性，不是每一種PLC都可以實(shí)現(xiàn)的。下面兩種方法可以在更大范圍使用。尤其是經(jīng)串口接入PLC的方法，是一種普遍的方法。3．3．1經(jīng)串口轉(zhuǎn)換接入PLC

PLC一般具有豐富的通訊模塊可供選擇，多數(shù)PLC的CPU模塊具有一到兩個串口。由于這些串口多支持從方式通用協(xié)議，智能設(shè)備也多為從方式，兩者通訊不能實(shí)現(xiàn)。有些串口雖支持主的通訊方式，但通訊協(xié)議多為不公開的專有協(xié)議，智能串口設(shè)備很少能支持這些協(xié)議。因此，解決方法之一是采用一種裝置，它一側(cè)接入PLC串口，另一側(cè)接入智能設(shè)備。該裝置起協(xié)議轉(zhuǎn)換作用，而且它對兩側(cè)都可以是主方式。這種方式可以接入較多串口設(shè)備。這是一種很有前途的、比較經(jīng)濟(jì)的方式，可以適用每一種PLC產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)圖參見圖三。

3．3．2經(jīng)轉(zhuǎn)換接入現(xiàn)場總線進(jìn)入PLC

為了解決PLC串口從方式不能直接接入PLC的問題，有些PLC廠家如施耐德，它開發(fā)一種網(wǎng)橋裝置，一邊接串口設(shè)備，一邊接PLC的現(xiàn)場總線MB+。它有兩種，一種支持同一種開放的協(xié)議如MODBUS，不需編程，另一種支持各個串口協(xié)議可以不同，但需要編程。參見結(jié)構(gòu)圖三。3．4串口設(shè)備經(jīng)轉(zhuǎn)換上網(wǎng)

前面幾種方法都直接或間接通過PLC接入智能設(shè)備。現(xiàn)在，通過一種串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器裝置，它的一側(cè)接入串口設(shè)備，另一側(cè)接入局域以太網(wǎng)。串口設(shè)備側(cè)不需任何改變，上位系統(tǒng)直接采集串口設(shè)備的信號。這樣一個LCU需要有幾個IP地址。這種方式可以接入大量的智能設(shè)備。是一種很有前途的方法。其結(jié)構(gòu)圖見圖四。

3．5智能設(shè)備直接接入以太網(wǎng)

隨著時間的推移，越來越多的設(shè)備將可以直接上網(wǎng)，因此可以采取智能設(shè)備直接上網(wǎng)的方式,速率可以達(dá)到10Mbps或100Mbps，將會很有應(yīng)用前景。但一個LCU需要有幾個IP地址。其結(jié)構(gòu)圖見圖五。

3．6幾種方式的比較

將PLC直接上網(wǎng)模式下，智能設(shè)備接入LCU情況按速率、方式、編程進(jìn)行比較，并給出總體評價，見下表

特性

方式典型速率方式編程總體評價

1.直接接入

PLC

KBPS

通訊方式

需編程

接入較多串口設(shè)備時，通訊速度要降低。部分PLC可以使用這種方式。

2.直接接入現(xiàn)場總線

153KBPS,

現(xiàn)場總線

無需編程

速率較快。是一種綜合性能比較好的方式。不足的是一般PLC現(xiàn)場總線開放的較少，支持各PLC現(xiàn)場總線的產(chǎn)品較少。

3.經(jīng)串口

轉(zhuǎn)換接入PLC

KBPS

通訊方式

需編程

每一種PLC需要專門外購或開發(fā)轉(zhuǎn)換裝置。是一種比較經(jīng)濟(jì)的方法，可以接入較多的智能設(shè)備。

4.經(jīng)轉(zhuǎn)換

接入現(xiàn)場總線

KBPS

通訊方式

根據(jù)通訊協(xié)議而定

只有在部分PLC可以使用。有兩種轉(zhuǎn)換裝置,一種支持同一種開放的通訊協(xié)議，不需編程。另一種可以支持不同的通訊協(xié)議，需要編程。該轉(zhuǎn)換裝置一般是PLC配套產(chǎn)品。

5.經(jīng)串口轉(zhuǎn)換上網(wǎng)

KBPS

通訊方式

需編程

可以進(jìn)行工程化研究，很有潛力。值得關(guān)注與研究。與PLC相獨(dú)立，不受PLC種類影響，應(yīng)用范圍廣,接入設(shè)備多。

6.智能設(shè)備直接上網(wǎng)

10MBPS,

100MBPS.

以太網(wǎng)

有待研究

目前可以直接上網(wǎng)的智能設(shè)備較少，但很有發(fā)展?jié)摿ΑＥcPLC相獨(dú)立，不受PLC種類影響，應(yīng)用范圍廣,接入設(shè)備多,通訊速度快。值得引起注意和關(guān)注。

上表給出了六種方式接入智能設(shè)備的方法，本文作者認(rèn)為

PLC直接上網(wǎng)的LCU結(jié)構(gòu)優(yōu)于經(jīng)過工控機(jī)上網(wǎng)LCU結(jié)構(gòu)；因?yàn)長CU整體可靠性得到提高；

智能設(shè)備以直接接入PLC現(xiàn)地總線方式從比較好，因?yàn)閼?yīng)用簡單、速率快等，在可以選擇直接接入現(xiàn)場總線的設(shè)備時，盡量采用這種方式。

智能設(shè)備經(jīng)串口轉(zhuǎn)換接入PLC方式，是一種較優(yōu)的方法，它雖然與PLC產(chǎn)品有關(guān)，但可以在每種PLC產(chǎn)品上使用，接入智能設(shè)備數(shù)量也較多，經(jīng)濟(jì)性能也較好。

智能設(shè)備經(jīng)串口轉(zhuǎn)換上網(wǎng)方式和智能設(shè)備直接上網(wǎng)方式是很有應(yīng)用前景的兩種方式。因?yàn)檫@兩