GE_RX3i_PLC在大藤峡水电厂控制系统中的应用_陶太宏.pdf

55第 46 卷 第 02 期2023 年 02 月Vol.46No.02Feb.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation1 电站概况大藤峡水力发电厂位于广西省桂平市内，总装机容量 1 600 kW，厂房分左右两岸，布置 8 台轴流转桨式水轮发电机组。左右岸厂房采用一套计算机监控系统，系统采用分层分布式结构，由电站控制层和现地控制单元层组成，左右岸主网通过交换机交互连接。电站控制层布置 2 台监控主机冗余备用，现地控制单元层布置有机组控制柜、公用控制柜、开关站控制柜、辅机控制柜，根据计算机监控系统的配置要求，集合数据采集和处理、数据储存及展示，达到远程处置的能力。2 系统结构大藤峡水力发电厂计算机监控系统电站控制层各主机及服务器分两路接入主控制网，实现双网冗余。左、右岸现地控制单元层设备通过柜内交换机引光缆入控制网主交换机，实现数据互通。电站控制层除通过采集现地控制单元层上送数据用于分析及远程控制，部分采集数据通过数据网及专线等与中调及地调侧进行通信，实现电网规范要求内的信号传送。3 可编程自动化控制器现地控制单元控制柜通过美国通用电气公司生产的 RX3i 系列 PLC 对现场设备进行控制，该系列PLC 具备强大的高性能处理器，隶属新一代的高端控制系统，集过程控制、离散控制和运动控制于一体。RX3i 同时具备强大的开发工具 Proficy Machine Edition，可以有效对设备进行维护保养，该系列 PLC自带的通用背板能够优化系统性能和投资，且支持带电插拔功能，可以防止因设备单点故障带来的系统总停电时间，根据性能要求，配备了丰富多样化的模块，可实现简单到复杂功能的不同应用。现地控制单元控制柜内最核心的设备是可编程自动化控制器，可编程自动化控制器因各系统所需功能不同，各现地控制柜内组成部分略有差别，主要包括以下组成部分：CPU 模块、电源模块、I/O 模块、通用背板、特殊功能模块等。3.1 CPU 模块CPU 选用双套具备热功能的 IC695CPE330 模块，该 CPU 是一款高性能基于最新技术的具备高速运算和高速数据吞吐的控制器，控制器在多种标准的编程语言下可处理高达 32 K I/O。为提高工业控制器应用的可用性，保证控制器长时间稳定运行，减少系统故障停机时间，采用冗余控制器方案是普遍且有效的解决方案，现地控制系统采用双模块主备运行，在主备控制器间建立实时通信，通过总线对 I/O 模块进行控制。收稿日期：2022-08-29作者简介：陶太宏（1996-），男，工程师，从事水力发电厂计算机监控系统和网络安全检修维护工作。GERX3iPLC 在大藤峡水电厂控制系统中的应用陶太宏，郝慧贤，张凌云，周精明（广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 桂平 537226）摘 要：GE PLC 中的 RX3i 系列是一种基于 GE Fanuc 最新高端控制器 PAC 的控制系统，拥有单一的控制引擎和通用的编程环境，它能方便地应用在多种硬件平台上，并且提供真正的集中控制选择，大藤峡水力发电厂现地控制单元采用了该系列的 PLC，较好地实现了各系统设备的自动化控制任务。关键词：大藤峡水力发电厂；现地控制单元；可编程控制器中图分类号：TV736文献标识码：B文章编号：1672-5387（2023）02-0055-03DOI：10.13599/ki.11-5130.2023.02.01556第 46 卷水 电 站 机 电 技 术主控制器与备用控制器实时通信,对整个系统的运行状况进行控制，当主控制器故障,备用控制器会在 1 个扫描周期内代替主控制器起控制作用。同时,在每个扫描周期后主控制器都要对备用控制器进行更新，确保主控制器的故障不会影响电站机组的稳定运行。3.2 电源模块RX3i 系列具备多功能电源模块，具备的模块类型有 IC695PSD040 和 IC695PSD140，同一机架可支持最多 4 个电源模块，且所有电源模块均支持带电热插拔，为模块的在线更换和检修提供了极大便利，电源模块自带故障指示，出现故障时 PLC 程序会自动将故障信息记录至故障表，通过与上位机通信将对应故障信号显示于简报从而提醒监盘人员，同一机架上的各电源模块冗余备用，提高了控制系统的可用性，减少了系统的停机时间，且多电源供电方式也极大加强了系统的扩展性，可以在机架上部署新型及不同类别的特殊功能模块。3.3 I/O 模块整个现地控制单元负责完成全站设备的继电保护和水机保护，电气量（模拟量、开关量、脉冲量等）及非电气量（水位、压力、温度、转速等）的采集处理，断路器及部分隔离开关的分合闸控制，水轮发电机组自动程序控制，全站公用设备的运行监视、控制等功能。为满足多样化的功能需求，PLC 通过各种 I/O 接口模块与外界进行联系，按照 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。PLC 的 I/O 模块有开关量模块、模拟量模块以及各种特殊功能模块等，分别有以下特点：（1）开关量模块大藤峡水力发电厂机组用到的开关量输入模块为IC694MDL660，32通道。模块容纳开关点量共32个，采用的是高密度带接线端子，具备点级/模块级故障诊断功能，内含故障代码寄存器，可以精确定位故障点及原因。输入特性兼容宽范围的输入设备，例如：按钮、限位开关、电子接近开关。电流输入到一个输入点则在相应输入状态表（%I）中的值为逻辑。模块上绿色的 LEDs 显示着每个输入点的开关状态。开关量输出模块为 IC694MDL754，提供 32 个开关量输出点,分成 4 个隔离的组,每组 8 点，每组有其自己的公共端。每组可以用来驱动不同的负载，向负载提供电流的电源由用户提供。该模块从用户电源吸收少量的功率以对输出设备提供驱动，现场侧和逻辑侧之间的背板隔离通过模块上的光耦合器实现。（2）模拟量模块模拟量输入模块 IC694ALG223，16 通道，对应用户需求可进行设置不同输入范围，如 420 mA 或020 mA，对应现场的自动化元件例如流量、压力等的信号反馈。模拟量输出模块 IC694ALG392，8 通道，每个通道都可转换 1516 位（取决于选择的范围）二进位数据为一个模拟输出，所有 8 个通道每12 ms 更新一次。（3）热电阻输入模块大藤峡电厂对机组各部轴承及定子线圈、铁芯等设置了很多温度测点，测温采用三线制 RTD 电阻测量方式，RX3i 系统采用新型的热电阻输入模块对这些温度量进行统一整合上传，热电阻输入模块 IC695ALG600 是 8 通道通用型的输入模块，输入信号可选择为整型或实型量，对每个通道对应测点均可以设置高低限报警，且模块具备点级/模块级故障诊断功能，内含故障代码寄存器，可以精确定位故障点及原因。3.4 通用背板RX3i 通用背板是双总线背板，既支持 PCI 总线(IC695 系列)又支持串行总线(IC694 系列)I/O 和可选智能模块，RX3i 通用背板同样支持 GE 90-30 系列 I/O 及可选智能模块。其中 RX3i 模块（IC695 系列）可以通过背板的 PCI 的总线进行通信，RX3i 模块（IC694 系列）以及 90-30 模块（IC693 系列）可以通过背板的串行总线进行通信。通用背板根据现场配置的需求，背板长度不一，有 7 槽、12 槽、16 槽等。绝大多数的模块占用背板的 1 个插槽，一些模块例如 CPU 模块以及交流电源，两倍宽，占用 2 个插槽。图 1 通用背板示例3.5 高速计数模块高速计数模块 IC695HSC304，高速计数器是PLC 在发脉冲中计算脉冲个数使用的，该模块不需要与 CPU 进行通信就可以检测输入信号，处理输入57第 02 期陶太宏，等：GE RX3i PLC 在大藤峡水电厂控制系统中的应用计数信息，控制输出。根据用户选择的计数器类型，输入端可以用作计数信号、方向、失效、边沿选通和预置的输入点。输出点可以用来驱动指示灯、螺线管、继电器和其他装置。3.6 冗余映射模块冗余映射模块 IC695RMX128，是成套共存的，两个冗余映射模块在 RX3i 系列 CPU 冗余系统中作为反射内存网络上的一个节点或作为 CPU 之间的专用链接运行。每当数据写入一个节点时，网络上的所有节点都会自动用新数据更新。在 CPU 冗余系统中使用时，映射模块提供了在冗余系统中的两个冗余 CPU 之间传输数据的路径。一个完整的通信路径包括一个 RMX 模块在主单元，一个 RMX 模块在二级单元，以及两根高速光纤电缆相互连接，路径构成必须是一个两节点环，其他反射内存节点不能成为这个光纤网络的一部分进行使用。3.7 以太网接口模块以太网接口模块 IC695ETM001，是用来连接PAC 系统 RX3i 控制器至以太网的特殊功能模块。RX3i 控制器通过它能够与其他 PAC 系统和 90 系列、VersaMax 控制器进行通信。以太网接口模块提供与其他 PLC、编程器软件的主机，和运行 TCP/IP版本编程软件的计算机的连接。RX3i 以太网接口的特点主要分以下几个部分：完成所有的 PAC 编程和配置服务；使用以太网全局数据(EGD)协议进行定期的数据交换；EGD 命令读写 PAC，并且在网络间进行 EGD 内存数据交换；网络交换机具有自适应的功能,自动检测，10 M/100 M 速度自适应，直通线交叉线自适应。每个 PAC 系统的 CPU 最多支持 255 个并发的以太网全局数据交换。使用编程器完成对 EGD 交换的配置，并且存储在 PAC 中。产生和消耗的数据交换都能够被配置。PAC 系统以太网接口既支持EGD 交换的选择性消耗，也支持 EGD 交换产生至本地子网的广播 IP 地址。4 软件构成大藤峡电厂监控系统采用分层分布式结构，分电站控制级和现地单元控制级。两者的相互配合完成了电厂的程控化控制。4.1 组态软件大藤峡电厂上位机组态软件采用的是南瑞水利水电公司的 NC3.0 系统，NC3.0 系统软件是面向水利水电行业研制的大型计算机监控系统软件。软件包含了分布式对象架构，全面支持异构平台的特性，提供了高效安全可靠的监控内核、功能强大的组态工具、精细美观的图形界面、实用方便的应用界面、多种符合国际标准的接口，以及紧贴水利水电用户和梯级集控调度应用需求的各种常规及高级功能。其多样化的功能在我厂得到了有效应用，为日常的值守人员监视及数据分析等提供了一定的便利。4.2 编程软件GE PLC 作为现地控制单元用到的核心设备，其使用的编程软件 PAC Machine Edition 是一款在Windows 系统下使用的支持对 RX3i 系列 PLC 进行编程的软件，它的特点在于整套自动化产品系列均可通过单一工具链进行编程、组态和维护，HMI 和控制逻辑开发在一个环境中完成，有效避免了设计开发的重复性和复杂性，且可通过 Toolchest 中事先组态好的对象快速构建应用。Toolchest 是对象存储系统，存储内容包括对象的关联逻辑，或 HMI 元素以及数据结构，增强了面向对象的可复用性，软件同时内置了诊断功能，允许用户显示控制器状态、时间戳数据和故障，对故障发生时的警示以及维护等提供了回溯依据。5 结语大藤峡水力发电厂于 2019 年正式发电，目前左岸 3 台机组已经全部投产，至今已经运行 3 年，GE RX3i 系列的 PLC 在我厂应用良好，未出现因设备原因对运行机组及系统造成不利影响，且系统的模块诊断功能对现场的隐患排查提供了有效帮助。依据软件编程对现场的设备实现了精准控制，各项性能基本契合水电站综合自动化的要求，提高了生产效率，降低了维护成本。参考文献：1张伟辉，吴君乐.GEVersaMaxPLC 在土贤庄水电站控制系统中的应用 J.小水电，2019（4）：64-65，732陈精，应群民.PLC 在水电站综合自动化中的应用 J.电气应用，2016（1）：102-104