NA400可编程控制器在水电自动化中的应用

　　本文首先介绍了国产NA400可编程控制器的系统体系结构及配置，重点从编程与调试环境、系统通信网络、系统可靠性设计、针对水电厂的设计、性能价格比等方面介绍了NA400可编程控制器的技术特点，最后介绍了以NA400可编程控制器为核心控制平台的工程应用实例。NA400可编程控制器与传统PLC相比在顺序控制图编程、特色功能块、系统的开放性和可靠性等方面具有明显的特点。

　　1、引言

　　可编程控制器作为一种通用工业控制器，广泛应用于各种工业控制领域。目前中国PLC市场主要厂商为Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、GE-Fanuc等国际大公司，欧美公司在大、中型PLC领域占有绝对优势，日本公司在小型PLC领域占据十分重要的位置，韩国和中国台湾的公司在小型PLC领域也有一定市场份额，大陆国产PLC的市场份额几乎可以忽略。国内曾有研究单位开发PLC产品，后因种种原因没有发展起来。值得欣慰的是，国内已有公司开始拓展PLC业务，并在中国PLC市场有了一定声音。但其产品主要集中在低端小型PLC上，在大中型PLC研究上国内尚无具有自主知识产权的产品。

　　南大傲拓科技多年来一直致力于可编程控制器的研究，产品涵盖从小型一体化PLC到大型PLC的全系列产品，公司在水利、水电、水处理、重型装备业、物流等等控制领域得到广泛应用。NA400可编程控制器由南大傲拓科技江苏有限公司自主设计与研发，本产品已获得CE认证，并将进行FC认证和船级社认证，已获得专利和软件著作权多项。NA400可编程控制器和同类产品相比具有明显的优势，主要表现在：系统体系结构先进，模块安装位置灵活，内部通信网络采用现场总线，打破国外同档次PLC采用多总线的模式，大大提高了PLC的抗干扰能力和环境适应能力。国内唯一一套自主开发的全面支持IEC61131-3国际标准的软件系统，并具有独创的顺序控制图编程语言。该PLC具有在线监视、在线修改、在线调试、在线仿真等功能，方便用户的开发与调试。

　　NA400可编程控制器采用了嵌入式软件、硬件技术和现场总线技术等技术开发的。针对不同的应用开发了NA600大型PLC、NA400中大型PLC、NA200小型PLC等多种不同类型的PLC，分别应用于大型水电站、中小型水电站及辅机、闸门等不同的应用场合。本文将从NA400可编程控制器体系结构、系统配置、技术特点、工程应用实例等几方面介绍NA-PLC及水电厂的应用。

　　2、NA400可编程控制器体系结构与特点

　　2.1 体系结构：

　　NA400可编程控制器采用LAN/FieldBud系统体系结构(如图1所示)，提供标准的以太网接口完成与上微机系统的通信，通信规约采用开放的、标准ModBus TCP规约。CPU模件和I/O模件之间采用现场总线作为内部总线及扩展总线，现场总线特有的高可靠性和对现场环境的适应能力，使得NA400可编程控制器系列PLC系统配置的灵活性和可靠性也大大提高。图1以双CPU双以太网热备冗余、单CPU双以太网和单CPU双以太网三种典型的应用。为水电厂的应用提供灵活的系统配置方式，适用于更加广泛的现场应用。

　　2.2 系统配置：

　　NA400可编程控制器提供三种系统配置，包括单CPU单以太网模式、单CPU双以太网冗余模式、双CPU冗余模式，多种灵活的系统配置模式可以更好地适用多种不同的实际应用。提供了多种类型模件包括电源模件、三种不同类型的CPU模件、串口通信模件(提供8个标准的RS232/RS485)、开关量输入模件、SOE模件、开关量输出模件、模拟量输入模件(电流型和电压型)、温度量模件等。

NA400控制系统架构图

　　2.3 技术特点

　　2.3.1 通信网络

　　(1) 以太网通讯接口

　　CPU模件集成10M/100M以太网接口，支持Modbus/TCP规约，支持双以太网冗余配置。

　　(2) 串口通讯功能

　　NA400可编程控制器提供了串口通讯模块，并可自由配置模块的数量。每个串口通讯模块提供4个串口，每个串口均支持RS-232/RS-485接口标准，并且全部支持编程。

　　(3) 现场总线网络

　　NA400可编程控制器采用现场总线网络，具有通讯速率快、抗干扰能力强、成本低、结构简单、实时性好等特点，并且具有很好的扩展性，易于实现模块的灵活配置，且对于现场环境及安装要求都不是很高，同时为系统扩展及远程控制都提供了方便。NA400可编程控制器支持ProfiBus-DP、CANOpen、ModBus等不同类型的现场总线接口，可以方便地与其他系统连接。

　　2.3.2 高可靠性设计

　　(1) 全智能I/O设计和一系列安全性、可靠性设计为系统的安全可靠运行提供了保障

　　¨ 开入模件的光电隔离和软件滤波功能;

　　¨ 开出回路密码锁设计，开出模件的反读、校核及执行继电器的联合控制保证在任何情况下不会发生误动;

　　¨ 温度量模件先进的每路独立横流源设计大大提高了采集速度和抗干扰性;

　　¨ 模拟量模件飞度电容的设计方法保证了内部电路和外界干扰的绝对隔离，大大提高了采集精度，最大限度地降低了模拟量漂移。

　　(2) 双机热备冗余设计

　　NA400可编程控制器提供了双机热备冗余方案。无需用户编程，监控模块之间实时自动备份数据，一旦一个监控模块瘫痪，另一个监控模块可单独运行，不会对控制系统产生影响。

　　(3) 满足一系列电磁兼容性国际标准

　　为了提高PLC系统的可靠性、在设计过程中遵循了电磁兼容性国际标准，通过设计开发中的针对性的设计。NA400可编程控制器的电气技术指标及电磁兼容性如下：

　　¨ 环境温度：-10℃~60℃;

　　¨ 浪涌抗扰度：4kV(共模)/2kV(差模)，4级(IEC61000-4-5);

　　¨ 振荡及抗扰度：2.5kV(共模)/1kV(差模)，3级(IEC61000-4-12);

　　¨ 快速瞬变：±4kV(电源)/±2kV(I/O)，4级(IEC61000-4-4);

　　¨ 静电放电：±15kV(空气)/±8kV(接触)，4级(IEC61000-4-2);

　　¨ 辐射电磁场抗干扰：10V/m，频率80MHz~1GHz，3级(IEC61000-4-3)。

　　2.3.3 针对水电厂的设计

　　¨ 方便的可视化流程图编程语言，使复杂控制流程的实现变得非常简单;

　　¨ 全汉化的梯形图设计大大提高了梯形图程序的可读性;

　　¨ 针对水电厂的专用功能块设计使其更适宜于水电厂(脉冲型开出、SOE);

　　¨ 独有的SOE模件大大提高了事件分辨率(<1ms)

　　¨ 多串口模件设计，大大提高了与其它智能设备的通信能力。

　　¨ 方便的现地人机接口，提供了与触摸屏的串行通讯接口，支持Modbus通讯协议。可与多种触摸屏直接连接，无需增加辅助设备，也无需编写通讯驱动程序。

　　2.4 更高的性价比

　　¨ CPU模件集成以太网接口(节省了网络模件)

　　¨ 串口通信模件提供的丰富通信接口;

　　¨ 扩展无需扩展模件(节省了扩展模件);

　　¨ 双机热备冗余仅靠一条冗余电缆即可完成(节省了热备模件)。

　　3. NAPro编程软件

　　NA-PLC编程与调试开发工具——NAPro软件，支持符合IEC61131-3国际标准的编程语言及独创的顺序控制图语言，并提供收费合理的软件定制化服务。NAPro不但支持在线调试、在线下载，还将支持数据以曲线形式显示。该软件系统配置简单、编程易学，并提供断点、单步执行、监视执行和调试执行等调试手段，适合国内的思维习惯，其方便性大大优于国外PLC编程软件。

　　3.1支持IEC61131-3国际标准的编程语言

　　支持全部5种IEC61131-3编程语言，同一项目中的任一代码段均可选择不同的语言编程，且可相互调用。这5种编程语言包括：LD：梯形图、ST：结构文本、IL：指令表、FBD：功能块图、SFC：顺序功能图。

　　3.2 独创的顺序控制图(SCC)编程语言

　　在控制领域中，大量使用的控制操作为顺序控制方式，为此NAPro提供了独创的顺序控制图，它是一种简单的图形化过程描述，非常直观方便。

　　3.3 多任务

　　NAPro支持多达64个任务(优先级0~63)，优先级0为主任务，循环执行，其它任务均为周期执行，可设置任务周期。此外，还支持定时器中断任务和外部硬件中断任务。

　　3.4 事故追忆功能

　　NAPro具有事故追忆功能，对事故发生前后的重要参数进行追忆记录，以供运行人员分析事故。一张追忆表中可以有多个启动源，可以追忆多个测点。最大存储数据可达128Mbytes。

　　除上述特色功能外，NAPro软件具有丰富的运算控制功能、实时的在线监测功能、完备的在线修改功能、强大的在线调试功能、完善的仿真功能、友好的软件设计界面、有效的诊断工具等特色设计。

　　4. 工程应用实例

　　多年来NA系列可编程控制器已在水利、水电自动化、煤炭自动化、物流、重型装备业等行业。NA400可编程控制器在中小型水电厂计算机监控系统中得到了大量应用，下面介绍NA400可编程控制器在某中型水电厂的典型应用。

　　4.1工程概述

　　老虎山电站总装机为2*12500kW，发电机额定电压6.3kV。冲击式立式机组。

　　电站计算机监控系统分为主控级和现地控制单元级，主控级和现地控制单元级采用100Mbps光纤相连。

　　监控系统主要由以下几部分组成：

　　(1) 主机/操作员工作站 2套

　　配置两台主机/操作员工作站，安装于老虎山电站控制室。

　　主机的功能包括对整个电厂的运行管理、数据库管理、综合计算、AGC及AVC计算和处理、事故和故障的分析处理等。两台主机采用冗余工作方式，任何一台主机故障，系统仍可正常运行，提高了系统的安全可靠性。

　　主机同时供运行值班人员使用，具有图形显示、全厂运行监视和控制功能、发操作控制命令、作定值修改、设定与变更工作方式等功能。

　　全厂所有的操作控制都可以通过鼠标器及键盘而实现;通过彩色显示器可以对全厂的生产、设备运行作实时监视，并取得所需的各种信息;主机同时兼工程师工作站的功能，供工程师维护系统及参数修改;采用双机，互为冗余热备，切换无扰动;配置声卡、音箱和语言软件，设置语音报警系统作为电站监控系统的一部分，对电站故障和事故发语音报警，提醒运行人员;具有语音报警、测试等功能。

　　操作员工作站是高性能、多任务、多用户型通用型工作站，配有足够的通信接口，各种存储器带保护装置，防止和避免因电源或不正确操作造成信息丢失和改变。

　　(2) 通信工作站 1套

　　设一套通信工作站，该机完成与全站电子电能表、消防报警装置、取水口闸门控制系统及其它装置的接口，该机完成与上级调度系统的通讯。

　　(3) 打印机 1台

　　配1台A3黑白激光打印机用于操作及报警记录(主要为报警记录)等打印，另电站已配一台针式打印机用于报表的打印，两台工作打印机可互为备用。

　　(4) GPS卫星时钟同步系统 1套

　　采用GPS卫星时钟系统对监控系统的主控级计算机和各现地控制单元(LCU)进行时钟同步。

　　(5) 网络设备 1套

　　一电站配3COM的10/100Mbps以太网交换机3C16470一台，网络符合工业通用的国际标准IEEE802.3以及TCP/IP规约。

　　主计算机、通信服务器和各LCU通过10/100M网络交换机联结成快速以太网络，网络介质主要为光纤电缆，单网，网络速率为100Mbps;

　　(6) 现地控制单元(LCU)

　　LCU共4套，老虎山站：机组LCU 2套、公用开关站LCU 1套、开关站LCU 1套，实现对各生产对象的监控。

　　LCU向上直接通过100Mbps快速以太网与上位机通信;PLC和触摸屏通过串行口相互通信;

　　每套机组LCU配一台通信管理机通过串行口与本单元的PLC通信;通信管理机负责微机转速装置、微机温度巡检装置、交流采样装置、微机保护及其他智能装置与PLC进行通信。

　　LCU主要完成数据的采集及数据预处理功能，同时也具有控制操作和监视功能。其设计能保证当它与主机系统脱离后仍然能实现对机组进行必要的监视和控制功能，这些功能包括机组的开、停操作;有功、无功负荷增、减;机组运行状态及参数的监视，而当其与主机恢复联系后又能自动地服从上位机系统的控制和管理。

　　4.2 系统结构图

　　4.3 系统优势

　　NA400 PLC针对电力行业具有独特的功能特点，其中SOE模块分辨率为1ms，时间记录精确，性能可靠;背板自带GPS对时接口，无需软件、硬件配置，系统自动完成对时功能，操作简单实用;CMM401串口通讯模块，可以扩展4或8个RS232串口，每个串口支持C语言自定义编程，使用方便，与CPU交换数据采用现场总线，数据交换速率快，操作简单。其他厂家PLC没有针对电力行业特有功能进行开发，系统实现上存在一定的缺陷，同时价格成本比较高。

　　5. 结语

　　NA-PLC具有传统通用PLC的所有特点，是通用的工业控制平台，可以广泛地应用于多种工业控制。同时NA400可编程控制器又具有显著的特点使在应用中更灵活、更方便。为适用顺序控制的特点、解决传统PLC调试困难、不直观的缺点，NA400可编程控制器开发了顺序控制图语言，使顺序控制过程的实现简单、调试直观;为提高在电力系统应用的方便性对传统梯形图语言功能块进行了扩充，增加了SOE功能块、脉冲型开出等独具特色的功能块使用户编程更加方便;NA400可编程控制器所具有的以太网远程编程与调试功能可以方便地解决远方(如远程控制中心等)对现地LCU的编程与维护，为电厂实现“无人值班”(少人值守)、甚至关门运行提供了技术基础。