PLC直接上网结构智能设备接入方式探讨 PLC论文

刘 晓 波

（中国水利水电科学研究院 自动化研究所 100038）

[摘要]本文简述了国内水电厂计算机监控系统变化发展历史和变化过程，对计算机监控系统现地控制单元的结构发展方向进行了探讨。重点探讨了近几年开始应用PLC直接上网LCU结构及其特点，主要讨论了在该种模式下智能设备接入的方式、速率、可靠性、编程的复杂性、可接入设备的数量等方面的特点。本文通过比较分析的方法对这些问题作了比较详细的探讨，并得到下面结论：（1）PLC直接上网的LCU结构优于经过工控机上网LCU结构；（2）智能设备以直接接入PLC现地总线方式最好；（3）智能设备经串口转换接入PLC或经串口直接上网方式，具有普遍应用意义；（4）智能设备直接上网是很有前途的方式。本文也讨论了在PLC直接上网模式下，如何实现CPU、输入、输出、电源和机箱联接电缆等冗余策略，为大型、特大型水电厂实现无人值班的目标，提供了可借鉴的方法。

关键词：水电厂 无人值班 计算机监控系统 现地控制单元 结构

Research on Structure Development of Local Control Uints of Computerized Supervision and Control System

Liu Xiaobo

（Department of Automation，IWHR 100038 ）

Abstract：This paper reviews the development history and process of local control units of Computerized Supervision and control system，researches the development direction of LCU structure ,focuses its attention on the structure of LCU structure of PLC linking to local area net directly and its characteristics．It compares different methods of intellective devices linking to LCU in their modes, speed, stability, program complexity and the number of linking intellective devices. After discussion, the author gets results: (1) the structure of PLC linking to LAN is better than the structure of IPC linking to LAN. (2) the mode of intellective devices joints LCU through PLC field bus is better. (3) intellective devices joints LCU through PLC serial ports or intellective devices joints to LAN through PLC serial ports may apply in every PLC. (4) the mode of intellective devices joints to LAN directly will be promising in the future .It discusses the redundancy strategy on how to realize input ，output，power，CPU in the mode new structure．This helps huge and cadreman hydropower plants to realize the target of no-man on duty.

Keywords: Hydropower plant, No-man on duty, Computerized Supervision and control system, Local control units, Structure.

自从二十世纪八十年代中期，计算机监控系统在水电厂开始应用以来，它在水电厂应用越来越广泛。新建电厂大多数都采用计算机监控系统与新机组同步投运，绝大多数没有采用监控系统的老水电厂已经或正在进行以计算机监控系统为中心的综合自动化改造。计算机监控系统是水电厂创国内一流水电厂基础，更是创国际一流水电厂，实现“无人值班，关门运行"的前提条件。

随着计算机监控系统在国内水电厂应用不断扩大，计算机监控系统的结构也在不断地变化发展。近一二十年，计算机按照摩尔定律迅速发展，对监控系统结构的发展影响很大。论文作者从事计算机监控系统的现地控制单元（以下简称LCU）研制工作，愿意将近来LCU结构变化趋势与大家共同分析探讨，希望同行专家能多提宝贵意见。

1．计算机监控系统整体结构发展情况

在二十世纪八十年代初期，水电厂计算机监控系统处在探索阶段。其典型的结构是集中式结构。这主要受当时硬件资源的限制。当时可供选择的计算机设备种类少且价格高，限制了其它结构方式的发展。其主要缺点是灵活性差、可靠性差、实时性差。

到二十世纪九十年代中期，逐渐形成现在计算机监控普遍采用的模式：分层、分布、开放。目前，领先公司的产品已达到全分层、全分布、全开放、面向对象。所谓分层是指计算机监控系统按功能分成现地控制层、厂站控制层、梯调（或集中）控制层（根据实际需要设立该控制层）。现地控制层的功能是现地数据的采集并上送给厂站控制层及梯调控制层（以下将厂站控制层、梯调或集中控制层简称为上位系统），根据指令或自启动执行顺控流程。监控系统的实时性主要由现地控制层来保证，因此它要具有非常好的实时性和很高的可靠性。厂站控制层根据监控系统运行工况，由运行人员对现场设备发出控制命令（设备不成组），或根据负荷曲线或根据电网频率变化自动进行控制（设备成组情况）。梯调（或集中）控制层是厂站层的延伸，在流域梯级电站或电站群的情况下设立，负责所管辖电站的经济运行和统一调度。上位系统要求具有良好的人机联系手段，完善的功能，较高的运算速度，长期稳定运行的性能，较强的与其它系统联接或通讯能力。分布是指将现地控制层依据现场设备分成一个一个单元，每个单元建立相对独立LCU。在水电厂监控系统中，一般每台机组设一个LCU，开关站、公用设备、厂用电设备、大坝等依据控制设备的多少、设备的布置及资金情况设一个LCU或若干个LCU。分布使监控系统功能得到分散，各层有各层的功能，根据各层功能要求设置各层设备，使不同层计算机设备的性能得到充分发挥。分布使现地设备的控制彼此独立，有利于设备独立运行、方便维护检修。分层、分布使计算机监控系统功能分配合理，可靠性提高，设备维护检修非常方便。开放（性）主要指监控系统的软件适应硬件的程度，以及监控系统的节点可扩展性。实践证明，计算机监控系统的分层、分布、开放的模式是正确的，是经得起时间考验的。

2．LCU结构及改进的必要性

到目前为止，普遍使用的LCU结构如下图所示：

图一中虚框内为LCU部分，可以看出LCU主要由工控机和可编程控制器（以下简称PLC）构成。扩展串口部分作为工控机串口的扩展提供与其它智能装置、设备通讯接口。PLC作为主控制器，采集LCU开关量输入、脉冲量输入、 数字量输入、模拟量输入，根据给定的指令或流程自启动控制（开关量）输出，对设备进行控制。在有些情况下，LCU还要通过模拟量输出驱动指示仪表。从这种结构可以看出，PLC作为LCU数据采集与控制的中心，它的实时性、可靠性非常重要。从工程中使用较多的几家国外著名的PLC厂家如施耐德、通用电气、西门子、罗克韦尔、ABB等PLC产品上看，都是完全工业化的产品，可靠性高、实时性好，适于恶劣环境下使用。

这种结构中的工控机，是作为LCU主机而存在的。它的主要任务是将PLC采集的数据进行标度变换、越限报警、数据打包等数据处理功能，并将LCU的所有数据上送到上位系统。同时，上位系统的控制命令经工控机下达给PLC。工控机作为网络接口，起承上启下的枢纽作用，它的任何故障，都使PLC与上位系统中断通讯。它的数据处理能力强，可以做为现地LCU的人机联系手段，为现地维护和设备试验提供方便。工控机与上位系统数据交换的速率早期为10Mbps，现在多为100Mbps。10Mbps与100Mbps两种速率均能满足数据交换的要求，当然100Mbps速度更快一些。

3．PLC直接上网及智能设备接入问题

随着计算机硬件、软件的快速发展，特别是网络技术的快速发展，著名工控厂家及系统集成商都大力开发以太网产品，关注PLC的直接上网问题。现在国际上知名的PLC厂家产品均能够实现直接上网，如施耐德公司全线的Quantum系列、Premium系列等、通用电气公司GE90-70系列、GE90-30系列、VersaMAX系列等、西门子公司的有关PLC、罗克韦尔PLC的有关系列控制器等。

采用直接上网的结构，必须妥善解决PLC直接上网后智能设备的接入问题。采用直接上网的结构，坚持分层分布（单元）式的结构原则，就是要达到与LCU有关的各种数据采集和控制都必须由LCU来实现的目标。现在，LCU一般都需要与一定数量的智能设备进行通讯。在有工控机结构的LCU结构中，通讯实现是比较容易的，通讯的方式也比较灵活。但在采用PLC直接上网的结构后，就必须考虑各种PLC产品特性对接入LCU智能设备的影响。PLC与工控机相比，通讯接口少，方式比较少。LCU智能设备接入问题，解决的总的方法有两种，一种是直接或经转换接入PLC，一种是直接接入以太网。由于各种PLC产品分别产于不同的公司，它们的特性也各不相同，因此实现智能设备接入PLC的方法有多种多样。在比较国外主要PLC产品特性基础上，在满足分层分布（单元）式的结构原则前提条件下，对智能设备接入LCU的方法进行分析对比，从它们的特性中，力图找出共性的方法，侧重于通讯速率、实现方式、是否需要编程、接入智能设备的数量、是否易于维护等方面。

3．1直接接入PLC

每种PLC CPU上的串口或一般通讯模块的串口所支持的普遍方式是从（Slave）方式，即使它支持主（Master）方 式，相应通讯协议也是专有协议,不是开放的协议。对于一些PLC如GE90系列PLC，它有一种模块，该模块通讯方式为主方式，可以使用不同通讯协议编程，与智能设备通讯，这是解决方法之一。结构图见图二。

这种方法智能设备与PLC的数据交换的速率是串口的速率，智能设备采集的数据可以在PLC控制流程中使用。设备通讯协议一致且数量不多时，比较适合这种方式。因为智能设备多，总的通讯速度就会较慢，通讯协议不一致，就会占用该模块较多内存。

3．2通过现场总线直接接入PLC

对于部分PLC，一些智能设备可以通过现场总线直接接入PLC。这种方式较好，因为现场总线的方式，其可靠性、速率与直接插入PLC机箱的模块是相同的，而且接入的地点比较灵活，距离可以比较远。这种方式不需要编程，可以接入较多设备，非常方便，是一种很好的方法。参见结构图二。

3．3间接接入PLC

直接接入PLC的方法不具有普遍性，不是每一种PLC都可以实现的。下面两种方法可以在更大范围使用。尤其是经串口接入PLC的方法，是一种普遍的方法。

3．3．1经串口转换接入PLC

PLC一般具有丰富的通讯模块可供选择，多数PLC的CPU模块具有一到两个串口。由于这些串口多支持从（Slave）方式通用协议，智能设备也多为从方式，两者通讯不能实现。有些串口虽支持主（Master）的通讯方式，但通讯协议多为不公开的专有协议，智能串口设备很少能支持这些协议。因此，解决方法之一是采用一种装置，它一侧接入PLC串口，另一侧接入智能设备。该装置起协议转换作用，而且它对两侧都可以是主方式。这种方式可以接入较多串口设备。这是一种很有前途的、比较经济的方式，可以适用每一种PLC产品。其结构图参见图三。

3．3．2经转换接入现场总线进入PLC

为了解决PLC串口从方式不能直接接入PLC的问题，有些PLC厂家如施耐德，它开发一种网桥装置，一边接串口设备，一边接PLC的现场总线MB+。它有两种，一种支持同一种开放的协议如MODBUS，不需编程，另一种支持各个串口协议可以不同，但需要编程。参见结构图三。

3．4串口设备经转换（不经PLC）上网

前面几种方法都直接或间接通过PLC接入智能设备。现在，通过一种串口以太网转换器装置，它的一侧接入串口设备，另一侧接入局域以太网。串口设备侧不需任何改变，上位系统直接采集串口设备的信号。这样一个LCU需要有几个IP地址。这种方式可以接入大量的智能设备。是一种很有前途的方法。其结构图见图四。

3．5智能设备直接接入以太网

随着时间的推移，越来越多的设备将可以直接上网，因此可以采取智能设备直接上网的方式,速率可以达到10Mbps或100Mbps，将会很有应用前景。但一个LCU需要有几个IP地址。其结构图见图五。

3．6几种方式的比较

将PLC直接上网模式下，智能设备接入LCU情况按速率、方式、编程进行比较，并给出总体评价，见下表：

上表给出了六种方式接入智能设备的方法，本文作者认为：

（1）PLC直接上网的LCU结构优于经过工控机上网LCU结构；因为LCU整体可靠性得到提高；

（2）智能设备以直接接入PLC现地总线方式从比较好，因为应用简单、速率快等，在可以选择直接接入现场总线的设备时，尽量采用这种方式。

（3）智能设备经串口转换接入PLC方式，是一种较优的方法，它虽然与PLC产品有关，但可以在每种PLC产品上使用，接入智能设备数量也较多，经济性能也较好。

（4）智能设备经串口转换上网方式和智能设备直接上网方式是很有应用前景的两种方式。因为这两种方法都与具体的PLC产品无关，是一种具有普遍意义的方法，值得引起注意。

4．结语

结合工程项目，不断加强现地控制单元（LCU）结构研究，有利于提高LCU的可靠性、稳定性、免维护性，有利于水电厂创建国际一流水电厂，实现“无人值班，关门运行”的目标。本文作者所在中国水利水电科学研究院自动化所已经在实际水电厂中使用几种PLC利用几种方式实现了PLC直接上网，并较好解决了智能设备接入问题，在国内这方面，处于领先地位。通过继续研究，使LCU及计算机监控系统的结构更加合理，以最大程度满足水利水电用户的需要。