摘 要：本文結合清江隔河巖水電廠計算機監控系統現地控制單元改造工程，重點探討了在國內大型水電廠首次使用施耐德以太網產品實現直接上網LCU的新型結構，討論了在這種結構下實現輸入、輸出、電源、CPU、聯接等冗余策略，特別是在二元輸入情況下，實現開關量輸入冗余的方法。分析了國際電工委員會IEEE1131 五種語言FBD、LD、SFC、ST、IL各自不同特點，討論了使用結構化文本（ST）編寫PLC程序應采用的策略和方法。分析了使用交流采樣裝置與變送器的策略。討論了在水電廠現地進行LCU改造縮短工期的有效途徑。
關鍵詞：水電廠現地 控制單元 改造結構
經過多年努力，計算機監控系統在水電廠及其它領域的應用越來越廣泛。對于水電廠來說，采用一套結構合理、功能完善、可靠性高、人機界面友好的計算機監控系統，是水電廠提高安全生產水平，實現“無人值班（關門運行）”的環節。非常可喜的是，經過國內同行們的努力，國內計算機監控技術的發展很快，已經接近或達到同類產品的國際先進水平。
隨著近幾年計算機硬件、軟件的快速發展，國內計算機監控技術不斷得到發展。本文作者參加了清江隔河巖水電廠計算機監控系統改造工程，現就該廠LCU改造的特點，改造中所采用的新技術及LCU新型結構，進行初步探索，談一下個人的看法，不當之處，希望批評指正。
1.監控系統改造的目標
隔河巖水電廠原采用加拿大的計算機監控系統，已穩定運行多年，為該廠安全生產及創國內一流水電廠作出了應有的貢獻。但隨著國民經濟的發展，對電力系統、對電廠的要求越來越高，向國際的一流水電廠的技術、管理水平看齊，創建國際一流水電廠，從而實現管理水平高、技術先進、人員進一步精練、關門運行的目標，勢在必行。一方面，原有的系統功能已不能滿足要求，另一方面備品備件訂貨越來越困難，而且價格非常高，對電廠的安全運行形成隱患。為此對老系統必須進行更新改造，以便為創國際一流水電廠打下堅實的基礎。對于LCU，改造的方法是：現地設備僅保留原有的盤柜柜體、自動準同期裝置和24V電源、照明等少量附件，其它全部拆除，取而代之的是新的LCU，采用施耐德公司Quantum 系列PLC作為控制器。中國水利水電科學研究院自動化所提供了五套LCU，本文作者參加了LCU的研制、現場安裝調試等改造工作，本文是對改造工作的總結和思考。
2.LCU改造的特點
2.1控制流程方式不同
原監控系統是加拿大CAE研制的，CAE的模式與國內的一貫做法有很大差異。比如，開機有九大步，停機也有九大步。對于常規水電廠的機組，而我們的一貫做法是五態轉換，所謂五態即停機態、空轉態、空載態、發電態、不定態（前四種狀態中過渡狀態稱為不定態）。（對于有調相任務的機組，還有調相態;對于抽水蓄能機組，還有水泵態;但不在討論的常規機組范圍之內。）機組一定處于五種狀態之中。機組的開機、停機、解列、解列后并網等操作，不過就是機組在的停機態、空轉態、空載態、發電態四種狀態間的轉換。雖然兩種表示方法實質是一致的，但習慣于五態轉換的人，要熟悉開機、停機各九大步，需要一定的時間。考慮到電廠從運行人員到檢修維護人員都諳熟這開、停機九大步這一因素，雖然編程與調試都需要付出較大的努力去適應，還是采用了原來的開、停機九大步形式，以方便電廠人員的運行與維護。
2.2使用結構化文本語言來編程
原有計算機監控系統的LCU的程序是使用文本化語言編寫的，它的風格與C語言相類似。與機組開停機形式采用各九大步相類似，由于電廠維護人員熟悉文本化語言，要求全部采用文本化的編程語言編寫LCU的程序。在使用可編程控制器（以下稱為PLC）時，我們通常使用梯形圖的語言。它的好處是編程易學、直觀、與電氣二次展開圖極為相似，非常適合電廠人員掌握，可以使現場維護人員方便的進行對程序的維護。在隔河巖計算機監控系統LCU部分改造中，采用了施耐德（Shneider）公司的Quantum 系列PLC，編程軟件采用Concept2.2。該軟件支持國際電工委員會IEEE1131的標準的全部五種語言，即：支持FBD（Function Block Diagram功能塊圖）、SFC（Sequential Function Chart順序功能圖）、LD（Laddar Diagram梯形圖）、ST（Structured Text結構化文本）和IL（Instruction pst指令表）五種語言。前三種語言是圖形方式，后兩種是文本方式。由于指令表IL語言指令的特點，具有可讀性差，指令簡單，不直觀，可移植能力差，非結構化文本（有JUMP指令），數據處理能力不強（無循環FOR語句），只能適合較小規模的控制。ST語言是一種結構化的文本語言。它與C語言很相似。它不僅具有豐富的邏輯處理能力，它還具有IF、CASE、FOR、WHILE、REPEAT、EXIT、EMPTY等語句，數據處理能力非常強，沒有GOTO、 JUMP或類似的指令。因此，它的移植性很好,有利于程序的標準化。它與FBD、LD、SFC相比，不夠直觀，與電氣二次展開圖相去較遠。另外，它的不足之處是占用較多內存且掃描周期要長一些（均與FBD、LD、SFC相比）。上面提到了LD語言的一些優點，FBD圖與電氣二次的原理圖更接近。FBD、 SFC、LD都不具備IF、CASE、FOR、WHILE、REPEAT、EXIT、EMPTY等語句，數據處理能力不夠強。根據我個人使用情況，比較可取的方法有：（1）全部使用ST;（2）使用ST與FBD相結合;（3）使用ST與LD相結合。（2）和（3）兩種方法能夠將兩種語言的特點結合起來，是比較好的方式。因為用數據處理能力強的文本化語言處理數據，用直觀性好的LD或FBD編制順控流程，現場的技術人員能夠比較容易接受、容易理解、容易接受。現場的技術人員最關心的是順控流程。我個人比較傾向于（3）的方式。
但是對于熟悉使用C語言或類似C語言的其它文本化語言的工程技術人員來說，或者對于特別復雜的順控流程用LD或FBD實現很困難的情況，使用結構化文本ST語言是一個明智的選擇。隔河巖的情況就是這樣，他們原來加拿大CAE計算機監控的LCU的全部流程是用類似C語言的文本化的語言編制的，他們的機組順控流程也很復雜，因此電廠要求所有流程使用ST語言編制。這樣，改造后的LCU的程序，與原來的程序風格上接近，電廠的技術人員比較容易理解和維護。實踐證明，選擇ST語言是正確的。
2.3 PLC直接上網
經過多年探索和實踐，計算機監控系統普遍采用分層、分布的系統結構，也就是按照被控設備分成單元，即LCU。現在較為普遍的LCU一般由工控機、控制器（PLC：用于數據采集和控制）、自動準同期裝置、轉速裝置、變送器、電源等附件組成。工控機作為計算機監控系統內部網上的一個結點，各種數據經過工控機送到網上各個結點，控制命令經工控機下達到控制器等設備。因此工控機的可靠性顯得非常重要。雖然工控機是工控產品，由于它的風扇、硬盤驅動器、軟驅等旋轉部件的存在，可靠性就有所降低。針對這種情況，人們把眼光紛紛投向以太網，考慮PLC的直接上網。
現在國際上知名的幾大廠家的PLC均能夠實現直接上網，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PLC、羅克韋爾PLC的有關系列控制器。
在隔河巖計算機監控改造工程中，采用了直接上網的形式。但它的結構還是符合分層分布（單元）式的結構原則。這種結構是符合“無人值班（關門運行）”的目標的。
2.4 冗余結構
雙機熱備冗余
現在PLC的可靠性是很高的，但為了把大型、特大型機組的可靠性提高到更高的水平，特別是滿足隔河巖這種大型骨干電廠“無人值班（關門運行）”對 LCU的要求，同時也利于維護（一臺運行，另一臺可處于編程狀態），采用了雙機（CPU）熱備結構。雙機熱備的實現有兩種放方式，一是硬件方式，一是軟件方式。硬件方式如施耐德公司Quantum系列PLC雙機熱備、通用電氣公司GE90-70系列雙機熱備等;軟件方式通用電氣公司GE90-30系列雙機熱備有一般硬件的方式性能比較好。但是不管那種方式，都要達到無擾切換
也就是切換的過程要保證控制連續進行、數據不丟失。這一點是非常重要的。
在隔河巖計算機監控改造工程中，采用了施耐德公司Quantum系列PLC雙機熱備結構。當主控CPU故障或電源失去時，自動切換到備用CPU，備用CPU自動升為主控CPU，實現無擾切換。當進行維護時，可以手動進行主、備單元的切換。這樣，可以提高可靠性指標。
光纖以太網冗余
對于LCU來說，它與系統的其它結點的連接方式，或說組網方式，現在普遍采用以太網，而且采用光纖作為介質。單網的可靠性已經很高，但考慮其它不可預見的機械物理上的等因數，可以考慮采用雙光纖以太網。
隔河巖計算機監控系統采用了雙光纖以太網。從LCU（PLC）而言，它的雙光纖以太網工作方式不需要切換，而且是同時工作（ALL IN WORKING）的方式。這樣，不需要切換，一旦一號網故障，二號網可以零時間切換過去。由此可以獲得很高的性能。這是由Quantum 系列PLC的以太網實現的功能。
與遠程機箱的聯結電纜冗余
一般情況，一個LCU單元需要幾個擴展機箱。如隔河巖項目，它有五個擴展機箱。在Quantum系列PLC上，它有兩種連接方式，一種是遠程 RIO（Remote Input/Output）方式，一種是分布DIO（DistributedInput/Output）方式。隔河巖項目采用的是 RIO方式，它的擴展機箱稱為遠程站（RemoteDrop）。
一般情況下，主機箱采用與擴展機箱采用單纜連接已經足夠。但采用雙纜可以獲得更高的可靠性。如在龍羊峽水電廠，單機32萬千瓦，PLC的主機箱在上游側，其中一個遠程站在下游側。在該電站，采用雙纜連接主機箱與該遠程站，一跟從左側走線，一跟從右側走線，這樣一旦一側有火災、機械損傷等不可預見性的因素，不影響系統的正常運行。
在隔河巖計算機監控改造工程中，也采用了雙纜的結構。
輸入冗余
一般來說，輸入的冗余應該采用三取二的方法，即少數服從多數的方法。通用電氣公司GE系列PLC 有這樣的硬件結構，從CPU、輸入、輸出都三重冗余，以滿足可靠性極高的情形，如冶金領域的高爐。但是它的投資大，在水電行業實在沒有必要。但是，對于少數重要的信號，如用于事故停機、緊急事故停機的信號、重要設備如出口斷路器的狀態信號有兩路信號輸入，就存在如何處理的問題。在隔河巖計算機監控改造工程中，就遇到這樣的問題。處理的方法是采用安全傾向因子，在不同的狀態、過程中，可以采用不同的安全傾向因子，這樣用一對冗余信號加一組安全傾向因子，就可以得到在不同的狀態、過程中一組信號。一個安全傾向因子可以是幾個甚至更多個信號的邏輯運算結果。
輸出冗余
對于部分重要設備，如滅磁開關、出口斷路器，為保證其在任何情況下的高可靠性動作，需要對每一個這樣的設備配置兩個開出通道，即配置冗余的通道，已保證其可靠性。有些電廠的出口斷路器。如隔河巖的，分閘就是兩個線圈，正常工作線圈和后備線圈，任何一個線圈勵磁，斷路器都會分閘。實際上就是設備的冗余。國電公司在“無人值班（關門運行）征求意見稿”中有過這樣的要求。
一般，冗余的通道動作策略有兩種：
一種是采用兩個冗余通道同時動作的策略;
另一種是采用在第一個通道動作失敗后，冗余的第二通道再動做的策略。
顯然同時動作不是很好，因為正常情況下，設備會正常動作。這種情況下，第二通道動作沒有必要，可能造成第一通道動作失敗后，第二冗余通道動作不能正常動作。
采用后一種辦法較好。監視第一個通道動作，在一定時間內，狀態沒有反饋回來，第二通道動作。這樣，第二通道幾乎沒有“表現的機會”，一旦讓他表演，他會“準確而恰如其分地表演”。 在隔河巖計算機監控改造工程中，就是采用這種方案，取得了比較理想的效果。
電源的冗余
電源的重要性不言而喻。再好的設備，不提供電源，什么都無從談起。在隔河巖計算機監控改造工程中，采用了電源冗余技術。隔河巖電廠的主電源為 DC110V，I/O電源為DC24V。在遠程站中，采用兩塊電源模塊相冗余，在CPU機箱采用單電源（每一個CPU機箱占用獨立的底板）。電廠提供兩路 DC110V電源，一路DC110V電源提供給其中一個CPU機箱電源模塊和遠程站的一個電源模塊，另一路DC110V電源提供給另一個CPU機箱電源和遠程站的另一個電源模塊。兩路DC110V各通過DC/DC轉換產生DC24V，兩路DC24V之間形成冗余。正常情況下，兩路DC110V都供電，兩個 CPU機箱一主一備正常工作，DC24V正常工作，遠程站上的兩塊電源各承擔該機箱一半負荷。當一路DC110V故障時，其中一個CPU機箱能夠正常工作（當備用CPU機箱上電源失去時，沒有什么操作，也沒有什么影響。當主用CPU失去電源時，備用CPU無擾動切成主CPU），一路DC24V正常工作，遠程站上的其中一塊電源承擔該機箱全部負荷。這樣就實現了電源的冗余。
2.5 交流采樣與變送器
交流采樣的使用越來越多，大有代替變送器的趨勢。但是，現在對于交流采樣的理解不是那么清楚。隔河巖計算機監控改造工程中，關于交流采樣與變送器處理與使用是比較恰當的、合適的，是值得其它電站（廠）借鑒的。這里所說的合理與恰當，當然指的是交流量的處理，因為現在對于直流及非電量只能采用變送器進行采集處理。具體處理方法是：對于機組同期、機組有功功率、機組電壓（無功功率）、導葉開限等實時性、可靠性要求高的控制環節，采用變送器。而采用交流采樣裝置采集發電機的三相電流、三相電壓（相、線）、有功功率、無功功率、功率因數等電氣參數。
2.6采用CableFast快速配線系統
按照常規的接線方式，各種I/O模塊到盤柜端子需要配線。隔河巖水電廠機組單機容量大，考慮的較完善，因此I/O點數多。開關量輸入有320點，開關量輸出有128點，溫度點數有64點，非電氣模擬量輸入有32點，模擬量輸出8點。共有I/O模塊25塊，每個模塊有40端子需要與端子現聯，至少要有 1000線需要接。但現場安裝改造時間非常有限，必須采取效率更高的方法。采用施耐德的快速接線系統CableFast是一種好的解決方法。 CableFast快速配線系統是施耐德公司的標準產品，它將Quantum 接線端子與端子塊預先用電纜連接好，端子塊可以直接安裝在DIN導軌上，外部接線可以直接接在端子塊上，這樣就減少了配線的工作量，節省了大量時間，是一種比較好的方式。
2.7精心設計認真準備
為了使現場的配線、改造的工作量最小，也為以后的維護方便，需要精心地進行設計。合理布局，合理配置。一般外部端子接線不要改變，這樣就可以減少施工時間。另外，要進行充分的準備，各種配件、各種工具等，否則就會影響工期
在隔河巖現場改造過程中，我們較好解決了這個問題，使得現場的改造、裝配工作有條不紊地進行，在保障工期地前提下，使裝配地工藝操作原進口設備地工藝水平，得到電廠地好評。
3.結語
在清江隔河巖水電廠現地控制單元（LCU）改造中，在結構、技術路線、實現方法上都有所創新。主要體現在水電行業首次使用QUANTUM PLC 直接上網（取消工控機），體現在采用了雙機熱備冗余、雙網、部分I/O冗余及電源的冗余。
隔河巖水電廠的LCU尤其是機組LCU I/O點數多，是一般同規模機組的3到4倍。而且監控系統的改造要求高，特別是時間短。在不到三周的時間里，要進行現場安裝、配線、調試，時間非常緊。經過與電廠等有關方面的積極配合，隔河巖水電廠計算機改造工程已基本完成。目前，設備運行良好，預期的目標基本實現，效果是好的。