Digital power plant and Ovation multi-network architecture applications

              艾默生公用事業部(Power and Water Solution)  王軍  薛偉 

　　摘要：信息化是現代工業發展的一個重要方向。Ovation系統的多網絡結構正是應這種需要而提出。這種多網絡結構不僅可以集成多個Ovation系統，而且可以和輔控PLC進行集成，形成一個統一的工廠控制網絡。
Abstract: Information integration is the trend of modern industry management. For this requirement, PWS presents Ovation multi-network solution, i.e. it could not only integrate multi ovation system using redundancy core switches, but also integrate auxiliary control systems, which usually use PLCs, to form a united control platform in a whole plant.
1、概述
　　數字化電廠是現代電力工業的一個主要發展方向。數據集成、綜合優化應用、決策支持則是用戶因應現代化管理，對控制系統的新需求。
Ovation系統的多網絡結構正是應這種需要而設計，能夠通過核心交換機集成廠區內的多臺機組DCS、公共系統、輔助控制系統等，實現數據映射、互鎖操作、時間同步、數據集成等綜合應用，能夠支持操作人員在同一控制室里面對多臺機組進行監視和操作，同時也簡化了歷史數據的采集和存儲。
2、多網絡方案
　　Ovation多網絡架構就是利用一對冗余的核心交換機，對多個機組網絡或者輔助控制系統網絡實現互聯，不僅支持快速以太網，還支持T1線路、幀中繼、VPN通道等。每個網絡之間可以通過路由器進行隔離，以確保各個網絡的獨立性和安全性。冗余的網絡連接，支持故障自動切換，極大地提高了多網絡的安全性。多網絡結構為用戶帶來的好處有：
　　更為靈活的操作性和安全性：只要具備足夠的權限和功能設置，用戶可以在網絡內的任一臺工作站上完成其他機組的監控功能。而多網絡體系本身將處理這種復雜的安全操作限制。
　　單一的工程控制中心：用戶可以將全廠控制室縮減為一個控制中心，減少投資，也簡化了與集團總部之間的網絡聯系。
　　跨網絡功能：通過多網絡結構，用戶能夠擁有跨網絡的全部工程師和操作員站功能。如果喜歡，用戶可以將所有機組的報警或者監視畫面統一顯示到一臺工作站上。
　　支持不同版本的集成：對于Ovation系統，多網絡架構支持不同的Ovation版本、不同的平臺(Windows和Solaris)，甚至是不同的網絡結構(快速以太網與FDDI)之間的集成。
事實上，多網絡架構主要應用于集成兩類系統：遠方Ovation系統，如公用系統或者脫硫系統等，和輔助控制系統。
3、與遠方Ovation系統的集成
　　以兩臺機組加公用系統為例，兩臺單元機組配置獨立的冗余網絡設備，形成獨立的LAN網；公用系統也配置獨立的冗余網絡設備，形成獨立的公用系統。公用系統的控制器通過公用網絡設備進行數據交換。
　　在單元機組網絡和公用系統網絡上配置一對冗余的核心交換機，具有多層交換功能并具有路由功能，負責#1，#2機組及公用部分的數據交換，以形成多網絡結構。在具體的實現上，可以采取如下兩種方式：
　　第一種是將公共網絡的交換機直接連接到核心交換機上，如圖1所示。這種連接的優點是公共網絡和單元機組網絡處于對等地位，公共網絡易于擴展而形成一個功能豐富的公共系統。華能玉環電廠4×1000MW的網絡就是采取這種方式，其公共系統涵蓋了機組公用、電氣公用段功能。

　　　　　　圖1 Ovation系統兩臺單元機組與公用系統網絡的集成示意圖-方式1

　　第二種是將公共網絡的交換機連接到某臺機組的根交換機上，如圖2所示。這種連接方式的優點是直接將公用系統和單元機組相連，更便于從機組操作站上對公用系統進行操作。山東鄒縣電廠2×1000MW的公共網絡就是采取這種方式。

　　　　　　圖2 Ovation系統兩臺單元機組與公用系統網絡的集成示意圖-方式2 
　

　　多網絡結構中，從物理及網絡定義上，公用系統點相當于遠程網絡點。具體的掃描方式與OVATION系統掃描第三方設備的信號點一樣，即：第三方設備或系統點源于OVATION控制器，而由第三方的驅動程序進行更新，并通過OVATION控制器將第三方的點掃描到系統。對于公用系統，它就相當于一種遠程Ovation網絡，本地網絡可通過以下途徑完成遠程網絡的點掃描： 

　　生成設備驅動-生成序列號 
　　組態I/O設備-定義I/O Drive Type: EXTERNAL OVATION NETWORK 
　　掃描點-Register Mapping 
這樣，公用系統的點就可以在本地網絡中進行操作監控，包括畫面顯示。對于操作權限問題，可以通過軟件連鎖來完成，通常定義#1機組優先權最高，#2機組次之。連鎖邏輯如下： 
　　#1機組可以直接操作 
　　#2機組必須經連鎖邏輯確認#1機組沒有操作，并進行控制權口令切換后，才能操作。 
4、與輔助控制系統PLC的集成 
　　在電廠中，除了單元機組的控制系統外，還有很多由PLC所組成的輔助控制系統，如輸煤、化學水處理、除灰等系統。Ovation開放式結構提供了多種與PLC的集成方式，可以在 PLC上執行的對獨立現場設備和過程邏輯的控制能力，也可以在 Ovation 系統中用于高級控制和支持信息通訊策略： 
　　數據鏈接卡(LC: Link controller)：提供兩個RS-232/485串行口，支持MODBUS RTU和ASCII協議，能夠同時傳輸命令和數據消息。采用兩個數據鏈接卡，可以實現與PLC設備的冗余鏈接，確保通訊的安全可靠性。 
    控制器上的以太網端口：Ovation控制器提供多個以太網端口與第三方設備相連，如MODBUS/TCP、Allen-Bradley PLCs DF-1、Profibus、Foundation Fieldbus等設備。 
    交換機端口：與控制器的以太網端口使用方法類似，Ovation網絡的交換機支持直接將第三方設備，如MODBUS/TCP、Allen-Bradley PLCs DF-1、Profibus、Foundation Fieldbus等設備。 
　　尤其Allen-Bradley PLC，可以和Ovation網絡實現無縫集成，無需其它硬件或者模塊可以進行直接互連，還可以使用Allen-Bradley 工具從 Ovation 工作站實現對 PLC 的組態。每個網絡端口最多可以配置五個全負荷的PLC。 
5、廠級網絡控制網絡 
　　圖3為電廠廠級控制網絡示意圖，是一個兩臺單元機組的電廠樣例。整個網絡通過核心交換機，將兩臺單元機組網絡、公共系統網絡、FGD網絡、輔助控制系統等都連接到一起。廠級控制網絡實現了機組控制系統、公用系統、脫硫脫硝系統、輔助控制系統的連接。整個廠級控制網絡采用支持第三層交換的冗余千兆快速以太網交換機構成核心交換系統，每個分支控制系統采用冗余的快速以太網交換機形成冗余配置；每個分支控制系統與核心交換機之間均采用冗余的雙絞線或者光纖實現互連。但每個分支控制系統都占據獨立的虛擬網段(VLAN: Virtual LAN)，未經路由設置無法進行跨網絡相互訪問。以上分支網絡中，除1號機組DCS可以訪問公共系統、2號機組DCS可以訪問公共系統外，其余分支之間無法相互訪問。這種虛擬網段設置的主要目的是保證各個分支控制系統之間不受干擾，保護各自的獨立性。 
　　與SIS之間，則是通過各個OPC Server站和路由器相連。SIS網絡不能直接與控制系統網絡相連，以確保控制系統的安全性。 

　　　　　　　　　　　　　　   圖３ 廠級控制網絡圖

6、總結 
　　Ovation多網絡結構是應用廣泛、技術成熟的集成方案，為全廠控制系統集成提供了便利，使得系統間的集成監視和互操作成為可能，能夠有效地節省控制室成本和人力成本，實現整個電廠的信息化和數字化，最終提高生產效益。 
　　Ovation多網絡結構在電廠應用案例很多，從Ovation第一套多網絡結構系統在內蒙古托克托電廠實施至今，幾乎所有的多單元機組Ovation都采用了這種多網絡結構，幾乎所有的使用Ovation的華能系統電廠都集成了輔助控制系統。在越南的海防電廠2×300MW項目，我們采用多網絡結構實現了全廠控制系統的一體化，即：整個輔助控制系統采用一套Ovation實現，并且與單元機組Ovation形成多網絡結構。