現(xiàn)地控制單元

最初，由于美國汽車工業(yè)的需要而產(chǎn)生了可以說是原始的PLC。雖然PLC問世時間不算太長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路制造技術和數(shù)據(jù)通訊技術的迅速發(fā)展，PLC的應用和技術也得到了飛速的發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分三個階段：

（1） 早期的PLC（60年代末-70年代中期）： 早期的PLC一般稱為可編程邏輯控制器。

（2） 中期的PLC（70年代中期-80年代中，后期）： 在70年代開始采用微處理器作為PLC的中央處理單元（CPU）。 這樣，使PLC得功能大大增強。在軟件方面，在原有的邏輯運算、定時、計數(shù)等功能的基礎上增加了算術運算、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通訊、自診斷等功能。在硬件方面，開發(fā)了模擬量模塊、遠程I/O模塊以及各種特殊功能模塊，使PLC的應用范圍得以迅速擴大到需要自動控制的很多行業(yè)。

（3） 近期的PLC（80年代中、后期至今） 進入80年代中、后期，由于微處理器硬件制造技術迅速發(fā)展，同時市場價格大幅度下降，使得各PLC生產(chǎn)廠家可以采用更高檔次的微處理器。為了進一步提高PLC的處理速度，很多制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。后來PLC還融入了Ethernet、Web Server等技術，提供了功能豐富的配套軟件，使廣大用戶使用起來更加得心應手。

上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30%~40%。在這時期，PLC的數(shù)據(jù)采集處理能力、數(shù)字運算能力、人機接口和網(wǎng)絡通信能力都得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，與部分工業(yè)控制設備相結合后在某些應用上逐漸取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。由于PLC具有通用性強、可靠性高、使用方便、編程簡單、適應面廣等特點，使它在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的得到了非常廣泛的應用。

我國將PLC應用于水電廠生產(chǎn)設備的監(jiān)控始于上世紀80年代，由于PLC一般按照工業(yè)使用環(huán)境的標準進行設計，可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單實用、接插性能好很快被電站用戶和系統(tǒng)集成商接受，得到了較好的應用。目前在我國水電廠使用較廣泛的PLC有：GE Fanuc公司的GE Fanuc 90系列，德國Siemens公司的S5、S7系列，法國Schneider公司的Modicon Premium、Atrium 和Quantum，美國Rockwell公司 PLC5、Control Logix，日本OMRON公司的SU-5、SU-6、SU-8，日本MITSUBISHI公司的FX2系列等。由于各種PLC的設計原理差異較大，產(chǎn)品的功能、性能以及可以構成現(xiàn)地系統(tǒng)的規(guī)模有很大的不同。一般來說，根據(jù)不同電站在安全性能（包括可靠性、可維護性等）、應用功能、控制規(guī)模、系統(tǒng)結構等方面的實際需求進行選擇，還是可以找到合適的PLC的。目前我國很大一部分電站的自動化系統(tǒng)都是采用PLC構成現(xiàn)地控制部分的，通過合理的配置和搭配，它們基本上都能在 系統(tǒng)中擔負起相應責任，完成相應的功能。

但PLC作為一種通用的自動化裝置，并非是為水電廠自動化而專門設計的，在水電自動化這一有著特殊要求的行業(yè)應用中不可避免地也會有一些不適合的地方，現(xiàn)列出以下幾點：

（1） PLC以“掃描”的方式工作，不能滿足事件分辨率和系統(tǒng)時鐘同步的要求。水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)都是多機系統(tǒng)，為了保證事件分辨率除了PLC本身應具有一定的事件響應能力和高精度時鐘外，還要求整個系統(tǒng)內各部分主要設備之間的時鐘綜合精度也必須保證在毫秒級以內。而以PLC為基礎的現(xiàn)地控制裝置如果不采取特殊措施，就無法保證水電廠安全運行對事件分辨率和系統(tǒng)時鐘同步的要求。

（2） 通用型PLC的起源主要針對機械加工行業(yè)，以后逐步擴展到各行各業(yè)?，F(xiàn)在的PLC雖然具有較強的自診斷功能，但對于輸入、輸出部分，它只自診斷到模件級。這對于我國電力生產(chǎn)這樣一個強調“安全第一”的行業(yè)來說，有一定的欠缺，往往需要另加特殊的安全措施。

（3） 通用型PLC一般都具有一定的浪涌抑制能力，基本上可以適合大部分行業(yè)應用。但對于水電廠自動化系統(tǒng)來講，由于設備工作環(huán)境的特殊性，通用型PLC的浪涌抑制能力與技術規(guī)范所要求的三級浪涌抑制能力還有一些差距。

2．2 智能現(xiàn)地控制器

在我國水電廠自動化系統(tǒng)中應用較多的另一類現(xiàn)地控制單元應該就是智能現(xiàn)地控制器，如ABB公司AC450，南瑞集團的SJ-600系列，Elin公司的SAT1703等。

其中AC450是ABB公司生產(chǎn)的適用于工業(yè)環(huán)境的Advant Controller系列現(xiàn)地控制單元中的一種，主要應用于其它行業(yè)的DCS中。它包括了以Motorola 68040為主處理器的CPU模件和I/O、MasterBus等多種可選的模件，支持集中的I/O和分布式I/O，可根據(jù)不同的應用需求采用不同的模件來構成適用的現(xiàn)地子系統(tǒng)。

SAT1703是奧地利Elin公司生產(chǎn)的多處理器系統(tǒng)，它包括3個裝有不同接口處理器的子系統(tǒng)AK1703、AME1703和AM1703。每個子系統(tǒng)由主處理器、接口模板（模塊）、通信模塊等構成，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、控制和通信功能，在LCU內部采用SMI（Serial Module Interconnector）進行通信。SAT1703現(xiàn)地控制單元采用OS/2操作系統(tǒng)，運行的控制軟件為ToolBox。

SJ-600系列是國電自動化研究院上世紀九十年代末為在惡劣工業(yè)環(huán)境下運行而生產(chǎn)的國產(chǎn)智能分布式現(xiàn)地控制單元，由主控模件、智能I/O模件、電源模件以及連接各模件與主控模件的現(xiàn)場總線網(wǎng)組成。已在全國數(shù)十個大中型水電廠可靠地運行。SJ-600具有以下主要特點：

（1） 其中，主控模件采用符合IEEE1996.1的嵌入式模塊標準PC104，具有可靠性高、現(xiàn)場環(huán)境適應性強等特點。使用低功耗嵌入式CPU，可選CPU型號從486至Pentium系列。

（2） 32位智能I/O模件。所有模件采用32位嵌入式CPU，該CPU專門為嵌入式控制而設計，軟件上采用板級實時操作系統(tǒng)和統(tǒng)一的程序代碼，只是按模件的不同而運行相應的任務。采用了大規(guī)?？删幊踢壿嬓酒‥PLD）及Flash存儲器，簡化了系統(tǒng)設計，提高了可靠性。智能化的I/O模件除了可獨立完成數(shù)據(jù)采集和預處理，還具備很強的自診斷功能，提供了可靠的控制安全性和方便的故障定位能力。

（3） 具有現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的體系結構，系統(tǒng)采用兩層網(wǎng)絡結構，第一層是廠級控制網(wǎng)，連接LCU和廠級計算機，構成分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)；第二層是I/O總線網(wǎng)絡，連接主控模件和智能I/O模件（現(xiàn)地或遠程），構成分布式現(xiàn)地控制子系統(tǒng)。所有I/O模件均配備兩個現(xiàn)場總線網(wǎng)絡接口，這些模件都可以分散布置，形成高可靠性的分布式冗余系統(tǒng)。

（4） LCU直接連接高速網(wǎng)。網(wǎng)絡已成為計算機監(jiān)控系統(tǒng)中的重要部分，它涉及到電站控制策略和運行方式。以前現(xiàn)地控制器多是使用專用網(wǎng)絡與上位機系統(tǒng)進行連接，而不是符合開放性標準的網(wǎng)絡。如AC450采用MB300網(wǎng)絡與上位機系統(tǒng)連接，而與采用TCP/IP協(xié)議的系統(tǒng)連接只能通過專用模件以VIP的方式進行受限制的數(shù)據(jù)傳輸。

（5） 提供了直接的GPS同步時鐘接口，無需編程和設置。GPS對時可直達模件級，滿足了對時鐘有特殊要求的場合，如SOE等。

（6） 提供基于IEC61131-3標準的控制語言，在保留了梯形圖、結構文本、指令表等編程語言的基礎上，開發(fā)了采用“所見即所得”技術設計的可視化流程圖編程語言。支持控制流程的在線調試和回放，非常適合復雜的控制流程的生成和維護。

（7） 針對水電廠自動化專業(yè)應用開發(fā)的專用功能模塊。

3. LCU的發(fā)展趨勢

在全球計算機工業(yè)控制領域圍繞著計算機和控制系統(tǒng)硬件/軟件、網(wǎng)絡技術、通信技術、自動控制技術等方面都在迅速地發(fā)展，同時，我國水電自動化領域的技術也不斷取得長足的發(fā)展。隨著全國水電廠”無人值班”（少人值守）工作的推進，以及多個單機容量700MW的特大型水電廠的建設，要求水電廠自動化系統(tǒng)及其自動控制裝置應具備高度可靠性、自治性、開放性，發(fā)展成為一個集計算機、控制、通信、網(wǎng)絡、電力電子等新技術為一體的綜合系統(tǒng)，LCU應具備完備可靠的硬件結構，開放的軟硬件平臺和強大的應用系統(tǒng)。完成對電廠生產(chǎn)設備有效的安全監(jiān)控和經(jīng)濟運行。

PLC和智能現(xiàn)地控制器都在朝著適應新的應用需求的方向發(fā)展，如PLC根據(jù)傳統(tǒng)PLC的不足，開發(fā)新的功能模件或者結合PLC技術和IPC技術開發(fā)出相當于智能現(xiàn)地控制器的新產(chǎn)品。Schneider公司開發(fā)了ERT模件，GE公司融入了第三方的產(chǎn)品以滿足水電自動化對SOE的要求，GE Fanuc 2003年推出了新產(chǎn)品PACSystem，分別為90-70的升級產(chǎn)品RX7i和90-30的升級產(chǎn)品RX3i兩個系列。與以前的GE PLC相比，最主要的是CPU部分徹底更換了。RX7i系列仍然采用VME64總線機架方式安裝，CPU采用Intel PIII-700處理器，集成2個10/100M自適應以太網(wǎng)卡，不需要另配以太網(wǎng)模件。主機架采用新型17槽VME機架，而擴展機架、I/O模塊、Genius網(wǎng)絡仍采用原90-70產(chǎn)品。從而使其在兼容以前產(chǎn)品的同時，性能得到了很大地提高?？梢钥闯鲎詣踊O備生產(chǎn)商都在不斷努力開發(fā)新的產(chǎn)品，但有些改進并不是針對水電自動化這個有一定特殊性的行業(yè)的，對水電自動化來說重要的幾點是：

（1） CPU模件宜采用符合IEEE1996.1的嵌入式模塊標準的低功耗CPU，或符合工業(yè)環(huán)境使用的通用型低功耗CPU。運行實時多任務的操作系統(tǒng)，以利于提高現(xiàn)地控制單元對實時事件的即時響應和處理能力，方便增加、集成水電行業(yè)的專用模塊和特殊需求的功能。傳統(tǒng)的PLC由于受其運行模式的限制，在測點數(shù)量大量增加、邏輯任務處理量或任務數(shù)增加的時候，會對運行處理周期產(chǎn)生較大影響；對現(xiàn)場的實時事件的響應也不夠即時。這對實現(xiàn)大容量特別是單機容量700MW的大型水輪發(fā)電機組的高質量現(xiàn)地實時監(jiān)控有著一定的欠缺。

（2） 采用智能化的I/O模件，它除了可獨立完成數(shù)據(jù)采集和預處理，方便分散布置，還可具備很強的自診斷功能，提供了可靠的控制安全性和方便的故障定位能力。

（3） 標準化的網(wǎng)絡連接，這里包括現(xiàn)場總線網(wǎng)和常用的以太網(wǎng)。LCU往往通過現(xiàn)場總線（常用的有CAN、ProfiBus-DP等）向下連接著各種智能儀表、智能傳感器和分級監(jiān)控的子系統(tǒng)（如大型機組的溫度、水系統(tǒng)等），通過高速網(wǎng)絡（TCP/IP、工業(yè)以太網(wǎng)）連接廠級計算機監(jiān)控系統(tǒng)

。所以LCU必須遵循嚴格的國際開放標準（如IEC 61158等），對這兩種網(wǎng)絡提供有效的支持，提高現(xiàn)場不同廠家設備的組網(wǎng)能力、方便性和可維護性。

（4） 提供對SOE既方便又有良好性價比的支持，提高現(xiàn)場事件信號分辨率，以滿足水電廠“無人值班"（少人值守）管理模式下對故障的產(chǎn)生原因進行準確分析的需求。目前大部分傳統(tǒng)PLC對此需求還有所欠缺。

（5）提高控制安全性，應在LCU軟硬件故障或異常的任何情況下，都不會有錯誤的控制信號輸出。否則，就會造成電廠生產(chǎn)設備損壞，甚至會造成電力系統(tǒng)事故。這是至關重要的一點，一般LCU對此尚無足夠的重視。

（6） 網(wǎng)絡安全性，隨著對通過Ethernet進行數(shù)據(jù)交換的需求日益提高，很多LCU廠家已經(jīng)提供或正在開發(fā)LCU的Ethernet模件或者在LCU中內嵌Ethernet功能和Web服務。無論外掛或內嵌式的Ethernet功能和Web支持都為應用提供了極大的便利，但是在用戶得到應用便利的同時也受到網(wǎng)絡安全的極大危險。攻擊、入侵、病毒等都可能對控制系統(tǒng)造成致命的危害，所以，必須按照國家相關部委關于“電力二次系統(tǒng)安全防護“的規(guī)定認真執(zhí)行。

（7） 提高可靠性和可用性，由于水電廠的特殊應用環(huán)境，要求LCU應具有很強的抗電磁干擾能力、抗浪涌能力和一定的抗振動能力?？梢园匆蠼M成冗余的熱備系統(tǒng)，確保在監(jiān)控系統(tǒng)中，無論是不相同的單部件故障還是主機和備機的切換都不會對控制造成影響。部分廠家的LCU還無法滿足這些要求或指標太低。

（8） 提高易用性，這也是用戶考慮的一個重要方面。南瑞自控公司的SJ-600提供了功能強大的可視化交換式組態(tài)工具軟件MBPro，可以幫助用戶方便的進行生產(chǎn)控制應用的生成、調試和維護。Schneider公司的也提供了支持Modicon Premium、Atrium 和Quantum PLC系列產(chǎn)品完全重新設計的自動化軟件Unity。其他LCU廠家也提供了或正在開發(fā)不同功能的非常有用工具軟件，用戶在使用LCU方面將越來越方便。

現(xiàn)在我們可以確信的是，在各LCU生產(chǎn)廠家全面透徹地理解我國水電自動化領域對LCU的真正需求以后，都會認真的進行新產(chǎn)品開發(fā)。無論PLC、智能現(xiàn)地控制器，還是PCC、PAC盡管它們在硬件結構、系統(tǒng)構成、工作原理、系統(tǒng)軟件、應用功能等方面都存在大大小小的差異，它們都可能在廣泛的水電自動化應用中找到不同的定位（如一些LCU可以在要求比較低的小水電中得到應用）。但是，要在大型、超大型電站得到很好的應用，則必須結合計算機技術、工業(yè)控制技術、通信技術、工業(yè)網(wǎng)絡技術等方面的發(fā)展，不斷進行LCU軟硬件的技術更新。在未來幾年內，對標準化、安全性、可靠性、開放性、可互操作性、可移植性的要求將是水電用戶至為關心的自動化產(chǎn)品的重要特征。我們相信自動化產(chǎn)品生產(chǎn)商在最近幾年將會推出更多適合各領域個性化應用的控制器及新的功能，以滿足不同用戶廣泛和不斷增長的需求。

水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)通?？梢苑殖蓛纱蟛糠郑皇菍θ珡S設備進行集中控制的部分，稱之為廠級或廠站級監(jiān)控系統(tǒng)；另一部分是位于水輪發(fā)電機層、開關站等設備附近的控制部分，稱為現(xiàn)地控制系統(tǒng)。現(xiàn)地控制系統(tǒng)的主要組成部分就是現(xiàn)地控制單元LCU（LocalControlUnit），在早期曾采用過與電網(wǎng)調度遠程終端RTU（RemoteTerminalUnit）同樣的名稱，考慮到LCU的含義更確切，自1991年“現(xiàn)地控制單元學術會議“之后，基本上統(tǒng)一稱之為LCU。

在水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)中LCU直接與電廠的生產(chǎn)過程接口，是系統(tǒng)中最具面向對象分布特征的控制設備。現(xiàn)地控制單元的控制對象主要包括以下幾個部分：

（1）電廠發(fā)電設備，主要有水輪機、發(fā)電機、輔機、變壓器等；

（2）開關站，主要有母線、斷路器、隔離開關、接地刀閘等；

（3）公用設備，主要有廠用電系統(tǒng)、油系統(tǒng)、水系統(tǒng)、直流系統(tǒng)等；

（4）閘門，主要有進水口閘門、泄洪閘門等。

LCU一般布置在電站生產(chǎn)設備附近，就地對被控對象的運行工況進行實時監(jiān)視和控制，是電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的較底層控制部分。原始數(shù)據(jù)在此進行采集和預處理，各種控制調節(jié)命令都通過它發(fā)出和完成控制閉環(huán)，它是整個監(jiān)控系統(tǒng)中很重要、對可靠性要求很高的控制設備。用于水電廠的LCU按監(jiān)控對象和安裝的位置可分為機組LCU、公用LCU、開關站LCU等。而按照LCU本身的結構和配置來分，則可以分為單板機——線型結構的LCU、以可編程控制器（PLC）為基礎的LCU、智能現(xiàn)地控制器等三種。第一種LCU多為水電廠自動化初期的產(chǎn)品，目前已基本不再在新系統(tǒng)中采用。另外尚有極少數(shù)的小型水電廠采用基于工業(yè)PC機（又稱工控機IPC）的控制系統(tǒng)，下面僅討論處于主流地位的PLC和智能現(xiàn)地控制器（最近幾年尚有稱為PCC（ProgrammableComputerController）、PAC（ProgrammableAutomationController）的產(chǎn)品，應該也可以歸類其中）。

2．1可編程控制器（PLC）

PLC的定義有許多種。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用可編程序的存貯器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算 , 順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。