施耐德復(fù)雜RIO網(wǎng)絡(luò)的解決

廣州發(fā)展燃料港口有限公司 張春光

西安航天自動(dòng)化股份有限公司 王 征

施耐德復(fù)雜RIO網(wǎng)絡(luò)的解決

廣州發(fā)展燃料港口有限公司 張春光

西安航天自動(dòng)化股份有限公司 王 征

本文通過對(duì)施耐德公司可編程邏輯控制系統(tǒng)（PLC）遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)劃、光電網(wǎng)絡(luò)的組建原則、組網(wǎng)過程中需注意的錯(cuò)誤鏈接、及通訊衰減的計(jì)算及解決方法的詳細(xì)介紹，結(jié)合珠江電廠環(huán)保煤場(chǎng)技改工程進(jìn)行新舊系統(tǒng)融合升級(jí)、光電混合通訊網(wǎng)絡(luò)的工程實(shí)施過程、以及所遇通訊問題解決過程的剖析總結(jié)，闡述了施耐德復(fù)雜RIO網(wǎng)絡(luò)的在系統(tǒng)升級(jí)改造實(shí)現(xiàn)過程中的步驟，以及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中需要注意的關(guān)鍵問題，提供了可以借鑒的實(shí)際解決經(jīng)驗(yàn)。

PLC；RIO；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃；衰減值；光纖中繼器

1 施耐德PLC遠(yuǎn)程IO簡(jiǎn)介

施耐德電氣公司在工業(yè)電氣自動(dòng)化領(lǐng)域的中大型可編程邏輯控制器PLC系統(tǒng)包括:莫迪康 984系列PLC、QUANTUM系列PLC、最新施耐德 UNITY系列PLC。

施耐德PLC系統(tǒng)RIO:通訊基于S908協(xié)議,通過RIO模塊實(shí)現(xiàn)。RIO適用于滿足距離較遠(yuǎn)、點(diǎn)數(shù)較多、點(diǎn)數(shù)集中、干擾較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)。施耐德PLC熱備冗余系統(tǒng)只支持RIO系統(tǒng)。

RIO提供了一種網(wǎng)絡(luò)體系解決方案。RIO體系是個(gè)高速通訊網(wǎng)絡(luò)、具有遠(yuǎn)距離傳輸能力,同軸網(wǎng)絡(luò)距離不夠,可用光纖進(jìn)行傳輸,還可提高抗干擾特性。

2 施耐德PLC的RIO網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中應(yīng)該考慮問題

(1)典型的不合理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):1)遠(yuǎn)程分站不可以直接接入干纜;2)干纜中分支器接頭不能為空,需接終端電阻;3)在同軸系統(tǒng)中使用多個(gè)分離器構(gòu)成星型結(jié)構(gòu)或組建沒有終端的環(huán)形網(wǎng)絡(luò);4)光纖鏈路中超過5個(gè)光纖中繼器。

(2)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中信號(hào)衰減問題考慮。

電纜、分支器和分離器都能導(dǎo)致信號(hào)衰減;為保證阻抗匹配,在主干纜中,開放的分支器和干纜終端,必須使用75Ω的終端電阻;整個(gè)RIO網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)衰減不能超過35DB。

1)通常選用型號(hào)為RG-6、RG-11標(biāo)準(zhǔn)的75Ω的同軸電纜的衰減值:

RG-11:0.38 dB/30m (100 ft) @ 5MHz

良好的抗干擾能力使其用于大多數(shù)工業(yè)環(huán)境下的干纜和強(qiáng)噪聲環(huán)境的分支電纜。

RG-6:0.38 dB/30m (100 ft) @ 2MHz

中等的抗干擾能力使其一般作為分支電纜,也可用于小型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的干纜。

2)分支器的衰減值:所有分站都必須使用分支器,干纜間衰減是0.8DB,分支間衰減是14DB。

3)1.544MHZ下系統(tǒng)衰減的計(jì)算公式:衰減值DB=TCA +DCA+TDA+(NOSX6)+(NOTX0.8)

TCA:從頭到尾整個(gè)干纜的衰減;DCA:分支電纜的衰減,通常是最后一個(gè)分站的;TDA:分支器的衰減, 14DB;NOS:系統(tǒng)中的分離器數(shù)量;NOT:從頭到最后一個(gè)站點(diǎn)之間分支器的數(shù)量。

最大衰減不應(yīng)超出35DB,對(duì)于雙纜系統(tǒng)是獨(dú)立計(jì)算的,如使用光纖,需計(jì)算光纜上的衰減。光纖衰減參考下表:

3 珠江電廠輸煤程控現(xiàn)狀及需求

現(xiàn)有舊輸煤程控系統(tǒng)由電廠4×300MW輸煤程控和重件碼頭裝船出庫程控系統(tǒng)兩部分組成。其中電廠4× 300MW輸煤程控系統(tǒng)主站、子站、遠(yuǎn)程站均為施耐德公司莫迪康品牌,主站為采用施耐德公司莫迪康品牌CPU43412型CPU(雙機(jī)冗余熱備),煤倉間子站為采用施耐德公司莫迪康品牌CPU43412型單CPU,遠(yuǎn)程站共7個(gè)。重件碼頭裝船出庫輸煤程控系統(tǒng)采用西門子品牌設(shè)備,包括一個(gè)主站(CPU為S7-300)和三個(gè)遠(yuǎn)程站。重A線負(fù)責(zé)通過重A碼頭的裝船機(jī)向外送煤。

本工程需對(duì)現(xiàn)有舊輸煤程控系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行擴(kuò)建和升級(jí)改造,包括升級(jí)原電廠4×300MW輸煤程控系統(tǒng)主站、改造重件碼頭裝船出庫輸煤程控系統(tǒng)及接入新增輸煤系統(tǒng)各遠(yuǎn)程站等。

圖1 系統(tǒng)工藝流程圖

圖2 第一階段網(wǎng)絡(luò)框圖

本工程主機(jī)采用施耐德公司UNITY系列PLC,CPU為140CPU67160型,采用雙機(jī)熱備冗余方式提高程控系統(tǒng)可靠性,共規(guī)劃新增12個(gè)遠(yuǎn)程站,主站和各新增遠(yuǎn)程站之間通過RIO方式搭建控制網(wǎng)路,考慮到距離分散,主站和各新增遠(yuǎn)程站之間通過冗余光纖實(shí)施組網(wǎng),光纖中繼器采用COMARK CI-RF120雙光口模塊。原有老系統(tǒng)仍然保持冗余同軸電纜通訊的結(jié)構(gòu),最終降級(jí)為IO分站接入新系統(tǒng)。

本工程通過改造,可解決原有整個(gè)輸煤程控系統(tǒng)區(qū)域中存在多個(gè)控制中心,多種PLC系統(tǒng)帶來的運(yùn)行協(xié)調(diào)、檢修維護(hù)及管理的困難,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制調(diào)度的統(tǒng)一。

該工程實(shí)施的難點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,分站數(shù)量多,各站分布范圍廣,RIO網(wǎng)絡(luò)共計(jì)有22個(gè)遠(yuǎn)程IO分站;RIO網(wǎng)絡(luò)中光纖和同軸電纜鏈路混用,會(huì)存在時(shí)延問題;控制范圍大,各遠(yuǎn)程站按地理位置分布在各個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站;新老系統(tǒng)融合在保障生產(chǎn)的前提下需做到平穩(wěn)過渡,實(shí)施過程存在臨時(shí)過渡方案(見圖1)。

圖3 第二階段網(wǎng)絡(luò)框圖

圖4 最終階段網(wǎng)絡(luò)框架圖

4 珠江電廠復(fù)雜RIO網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施過程

由于該項(xiàng)目是珠江電廠原露天煤場(chǎng)基礎(chǔ)上改擴(kuò)建工程,需要邊運(yùn)行邊改造,改造的過程中還不能影響生產(chǎn),同時(shí)由于各遠(yuǎn)程分站的物理位置較為分散,因此實(shí)施改造的過程不能一步到位,必須結(jié)合原有系統(tǒng)及施工進(jìn)度,按功能、分區(qū)域、分步驟的實(shí)施。根據(jù)具體施工安排,靈活搭建控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),分步實(shí)現(xiàn),做到平穩(wěn)過渡,最終實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的大統(tǒng)一。

4.1 根據(jù)工程實(shí)施首先實(shí)現(xiàn)西線出庫功能

首先在老集控室安裝一面主機(jī)柜,在新建輸煤配電間、T205轉(zhuǎn)運(yùn)站、T303轉(zhuǎn)運(yùn)站T304轉(zhuǎn)運(yùn)站安裝各個(gè)遠(yuǎn)程機(jī)柜。由于是過渡方案,從主機(jī)柜到新建輸煤配電間遠(yuǎn)程站、T205遠(yuǎn)程站之間光纖通訊采用臨時(shí)單通道方式; T304遠(yuǎn)程站、T303遠(yuǎn)程站、T205遠(yuǎn)程站之間和最終網(wǎng)絡(luò)方案相同,之間光纖采用冗余雙通道方式。

同時(shí)由于中央控制室土建沒有完工,系統(tǒng)監(jiān)控通過以太網(wǎng)在船舶調(diào)度室設(shè)立一臺(tái)臨時(shí)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。

舊的控制系統(tǒng)暫時(shí)保留不做升級(jí),新舊系統(tǒng)主機(jī)之間采用MODBUS TCP協(xié)議通過以太網(wǎng)通訊方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換(見圖2)。

該階段RIO網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,由于正式通道沒有,因此從主機(jī)柜到新建輸煤配電間遠(yuǎn)程站放置臨時(shí)6芯光纜解決RIO通路和上位通訊問題。

4.2 實(shí)現(xiàn)東線卸煤功能

在T201轉(zhuǎn)運(yùn)站、T202轉(zhuǎn)運(yùn)站、T203轉(zhuǎn)運(yùn)站增加、遠(yuǎn)程機(jī)柜。由于仍是過渡方案,在輸煤配電間臨時(shí)增加光纖中繼器和T203遠(yuǎn)程站相接,輸煤配電間遠(yuǎn)程站、T201遠(yuǎn)程站、T202遠(yuǎn)程站、T203遠(yuǎn)程站之間的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和最終網(wǎng)絡(luò)方案相同,之間光纖采用冗余雙通道方式。

舊的控制系統(tǒng)暫時(shí)保留不做升級(jí),新舊系統(tǒng)主機(jī)之間采用MODBUS TCP協(xié)議通過以太網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

此階段臨時(shí)在輸煤配電間遠(yuǎn)程站增加2個(gè)光纖中繼器做樹形分支。

4.3 實(shí)現(xiàn)新老系統(tǒng)的融合

新老系統(tǒng)融合時(shí)需要將原有老程控系統(tǒng)和原煤倉程控系統(tǒng)降級(jí)為子站。

老程控系統(tǒng)由于原先就是RIO網(wǎng)絡(luò),降級(jí)較為容易,斷開主機(jī)通訊鏈路,直接將原先的遠(yuǎn)程分站接入即可(見圖3)。

原煤倉程控系統(tǒng)需要減少無關(guān)模塊,增加相關(guān)RIO通訊模塊,把原先RIO、DIO混用網(wǎng)絡(luò)調(diào)整為RIO網(wǎng)絡(luò)。

最終RIO網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一個(gè)樹形結(jié)構(gòu),各自干纜基本按照地理區(qū)域及整個(gè)輸煤程控的使用功能進(jìn)行了分區(qū)規(guī)劃。

4.4 信號(hào)衰減計(jì)算

衰減值=TCA+DCA+TDA+(NOSX6)+(NOTX0.8)

(1)同軸電纜的衰減:34.68DB=0.38x25+0.38+14+ 1x6+6x0.8

由于老系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不需要修改,因此最大問題會(huì)在這里出現(xiàn),經(jīng)計(jì)算處于臨界狀態(tài),基本上滿足衰減要求。

(2)光纜同軸混用網(wǎng)絡(luò):20.58DB=0.38x10+0.38+1 4+0+3x0.8

注:光纖通路單獨(dú)計(jì)算。如圖4所示。

4.5 實(shí)施過程中遇到的典型故障現(xiàn)象及解決

在新老系統(tǒng)融合過程中,出現(xiàn)了最嚴(yán)重的故障:RIO通訊模塊的通訊故障燈全亮,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)失效,通訊全斷。通過施耐德編程軟件UNITY監(jiān)控各站AB纜通訊狀態(tài)字,發(fā)現(xiàn)各個(gè)遠(yuǎn)程站通訊的雙纜通訊錯(cuò)誤幀奇高。

故障原因分析排除過程:先恢復(fù)到初始狀態(tài),斷開老系統(tǒng)通訊,仍然沒有解決通訊失效的問題。繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)過程中,發(fā)現(xiàn)只要是投運(yùn)原來單纜,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊失效的問題就能解決;此時(shí)投運(yùn)老系統(tǒng),雖然仍出故障報(bào)警,本來所有遠(yuǎn)程站應(yīng)該是出現(xiàn)統(tǒng)一的B纜錯(cuò)誤,在極個(gè)別遠(yuǎn)程站卻出現(xiàn)了A纜錯(cuò)誤。初步說明由于之前是臨時(shí)網(wǎng)絡(luò),通訊中單雙纜復(fù)用,此次是整體投運(yùn)雙纜冗余,由于要保證生產(chǎn),切換時(shí)間緊張,未對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行核實(shí),懷疑是通道AB不對(duì)應(yīng)的原因,因此重新核對(duì)了新系統(tǒng)的通訊通路,使之確保各遠(yuǎn)程站之間A,B通道對(duì)應(yīng)的正確性。

重新核對(duì)新系統(tǒng)雙纜通道后,新系統(tǒng)之間的通訊網(wǎng)絡(luò)能夠正常運(yùn)行,但只要雙纜的情況下,老系一接入,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)又不能正常通訊,但是單纜使用卻能正常工作。說明老系統(tǒng)原有網(wǎng)絡(luò)也存在問題。繼續(xù)按網(wǎng)絡(luò)規(guī)范整理老系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),檢查AB路對(duì)應(yīng)關(guān)系,檢查終端電阻是否接入。完成以后投運(yùn)雙纜發(fā)現(xiàn)還是出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)失效。此時(shí)判斷老系統(tǒng)的同軸介質(zhì)出了問題。因此先保證老系統(tǒng)單路正常,然后一段一段投雙纜檢查,有問題的通路重新敷設(shè),最終實(shí)現(xiàn)了雙纜投運(yùn)。

特別注意:由于光電復(fù)用,由于光電信號(hào)轉(zhuǎn)換需要時(shí)間,導(dǎo)致光電系統(tǒng)反應(yīng)不一,導(dǎo)致通訊出錯(cuò),所以要考慮光纖中繼器的時(shí)延問題,考慮到如采用施耐德光纖中繼器產(chǎn)品,同一鏈路中只能保證五臺(tái),因此選用其他替代產(chǎn)品,從目前使用來看,該光纖中繼器在同一鏈路中可串接達(dá)13臺(tái),但我們發(fā)現(xiàn),由于老系統(tǒng)為同軸電纜,通訊故障率較高,很容易影響到新系統(tǒng)。為保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性,最終同一鏈路最多串接了7臺(tái)。

5 總結(jié)

出于對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定性的考慮,為做到系統(tǒng)平滑過渡,珠江電廠輸煤此次繼續(xù)使用施耐德PLC系統(tǒng),可以最大限度保證正常生產(chǎn)。但由于控制設(shè)備數(shù)的增加,遠(yuǎn)程分站增多,以及新老系統(tǒng)混用,遠(yuǎn)程站通訊介質(zhì)既有同軸電纜又有光纖,給整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出了很高要求,為保證網(wǎng)絡(luò)功能能夠?qū)崿F(xiàn),在RIO網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)按規(guī)范要求進(jìn)行,特別注意通訊衰減不超出35DB。實(shí)施過程中要注意冗余通路的對(duì)應(yīng),做到不交叉。同時(shí)做好接地、電纜敷設(shè)通路的抗干擾措施。遇到實(shí)際問題,借助分析工具,具體問題具體分析,分段查找,最終解決故障,保證了整體系統(tǒng)的可靠。

［1］Modicon Remote I/O CableSystem Planning and Installation Guide 06/2012.

張春光（1973—），男，湖南醴陵人，工程碩士，工程師，電力系統(tǒng)電氣技術(shù)總監(jiān)。

王征（1972—），男，陜西西安人，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化控制工程。