冗余plc系統(tǒng)在高壓換流閥水冷控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、<p>　　冗余PLC系統(tǒng)在高壓換流閥水冷控制系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　摘要：作為直流輸電工程的核心設(shè)備，高壓換流閥的可靠運行至關(guān)重要。因此換流閥水冷系統(tǒng)對可靠性的要求也極高。本文從換流閥水冷系統(tǒng)電氣控制方面入手，介紹冗余PLC控制系統(tǒng)。從控制系統(tǒng)的整體配置到局部安排，從硬件連接方式到軟件處理方法，對冗余PLC系統(tǒng)進(jìn)行了說明，闡述了系統(tǒng)的容錯能力的提高，從而更高程度上保證了水冷系統(tǒng)的可靠性。 &

2、lt;/p><p>　　關(guān)鍵詞：換流閥水冷系統(tǒng)；冗余；PLC；容錯 </p><p>　　Abstract：As the core ofHVDC transmission system，it is essentially important to ensure safe and reliable operation of HVDC converter. The article describe

3、s a redundant PLC system applied in valve-cooling equipment, based on the automatic control’s point of view. It is explained how to improve the fault-tolerant capability by the introduction of not only the whole and loca

4、l layout but also the solution of hardware and software. Thereby the reliability of the whole valve-cooling equipment is streng</p><p>　　Keyword：HV valve water-cooling system，redundant，PLC，fault-tolerant <

5、;/p><p>　　中圖分類號：K826.16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　換流閥通過依次將三相交流電壓連接到直流端得到期望的直流電壓和實現(xiàn)對功率的控制，是實現(xiàn)交直流電能互相轉(zhuǎn)換的設(shè)備單元，是直流輸電工程的核心設(shè)備。由于輸電系統(tǒng)對可靠性的有著極高的要求，所以對換流閥的可靠運行也有著極

6、高的要求。 </p><p>　　換流閥水冷系統(tǒng)是一個閉環(huán)的循環(huán)系統(tǒng)，在主循環(huán)泵驅(qū)動下，冷卻水沿管路以恒定的流速通過換流閥及散熱器，帶出熱量，為換流閥提供安全運行條件。作為換流閥的輔助系統(tǒng)，換流閥水冷系統(tǒng)的安全可靠性是換流閥系統(tǒng)安全可靠性的一個重要環(huán)節(jié)。工藝流程圖如圖1： </p><p>　　圖1 水冷系統(tǒng)工藝流程圖 </p><p>　　Fig1 flowcha

7、rt of valve-cooling system </p><p>　　冗余配置方式在很多對可靠性要求高的系統(tǒng)中有應(yīng)用。本質(zhì)上說，冗余的根本目的在于容錯，即通過提高容錯能力來達(dá)到降低故障率的目的。具體到水冷電氣控制系統(tǒng)，電氣設(shè)備故障在一定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)仍能正常工作，保證水冷系統(tǒng)的運行。 </p><p>　　本文從冗余的角度，關(guān)注提高水冷系統(tǒng)的容錯能力的方式方法，最大程度上減少電氣故障

8、引起的設(shè)備停機(jī)?？刂葡到y(tǒng)采用冗余的PLC系統(tǒng)，以下從系統(tǒng)整體配置到局部安排，從硬件連接方式及軟件處理方法來具體說明。 </p><p>　　2 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) </p><p>　　圖2PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　Fig2 Structure image of redundant PLC system </p><p>　

9、　如控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示，PLC核心部分CPU采用西門子S7-400H模塊。正常情況下，兩模塊“以一主一從”方式運行，通過同步光纖保證兩模塊運行的程序同步。若任何一個CPU發(fā)生停機(jī)故障，系統(tǒng)會無擾動地切換到單一CPU運行方式，保證控制程序仍然正常執(zhí)行，水冷系統(tǒng)不受到影響。 </p><p>　　但是，若水冷控制系統(tǒng)僅采用CPU冗余，還不足以滿足可靠性的要求。本系統(tǒng)中，將輸入輸出模塊，與上位機(jī)進(jìn)行通訊的模塊，及觸摸屏

10、都采用冗余的方式。其中，冗余輸入輸出模塊之間為“或”的關(guān)系，對應(yīng)的地址為唯一的：取低地址；冗余通訊模塊的通訊內(nèi)容完全一致；兩觸摸屏的操作及顯示內(nèi)容也是相同的。 </p><p>　　另外，PLC系統(tǒng)模塊全部采用直流24V供電，兩電源通過二極管并聯(lián)一起，實現(xiàn)了PLC電源的冗余。 </p><p>　　這樣，整個控制系統(tǒng)可以看為兩個完全相互冗余的PLC系統(tǒng)組成，系統(tǒng)內(nèi)的單一故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)故障

11、。 </p><p>　　3 冗余輸入輸出通道的連接方式 </p><p>　　控制系統(tǒng)通過輸入輸出通道，采集外界信息，經(jīng)過處理，對外輸出控制信號。由于本PLC系統(tǒng)輸入輸出通道是冗余的，故通道與外圍設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系是“二對一”的。 </p><p>　　數(shù)字輸入通道接線方式，如圖所示，一個開關(guān)狀態(tài)量分別接入了兩個相互冗余的DI通道。兩模塊的輸入狀態(tài)一致。 </p

12、><p>　　圖3DI 通道接線原理圖 </p><p>　　Fig3 connection diagram of redundant DI channel </p><p>　　數(shù)字輸出通道接線方式，如圖所示，兩冗余的DO通道并聯(lián)接到一個輸出繼電器線圈。 </p><p>　　圖4DO通道接線原理圖 </p><p>　

13、　Fig4 connection diagram of redundant DO channel </p><p>　　模擬量輸入通道接線方式，如圖所示，現(xiàn)場測量儀表采用電流信號，經(jīng)電阻器轉(zhuǎn)化為電壓信號，AI輸入模塊采用電壓方式采集信號，兩冗余模塊并聯(lián)連接。采集信號一致。 </p><p>　　圖5AI通道接線原理圖 </p><p>　　Fig4 connecti

14、on diagram of redundant AI channel </p><p>　　模擬量輸出通道接線方式，如圖所示，模擬輸出通道采用電流信號，兩通道用二極管并聯(lián)一起，實現(xiàn)電流信號的疊加。正常運行時，兩通道各承擔(dān)一半的輸出電流，合成總的輸出電流。如有單通道故障，無輸出，則另一通道自動承擔(dān)全部的輸出電流。 </p><p>　　圖6AO通道接線原理圖 </p><

15、p>　　Fig6 connection diagram of redundant AO channel </p><p>　　采用以上連接方式，輸入輸出通道的單一故障，不會影響系統(tǒng)的輸入輸出功能。并且選取相應(yīng)的程序塊，系統(tǒng)可以檢測到故障設(shè)備，提示報警。冗余元件允許在線更換，系統(tǒng)實現(xiàn)了輸入輸出通道的冗余及容錯運行。 </p><p>　　4 冗余系統(tǒng)軟件編程方面的工作 </p&g

16、t;<p>　　西門子S7 400H系統(tǒng)具有完善的軟件系統(tǒng)，通過設(shè)置和程序塊選取，可以實現(xiàn)冗余系統(tǒng)運行，故障情況下的處理，及故障點的檢測。本文關(guān)注針對水冷系統(tǒng)的軟件方面采取的做法。 </p><p>　　首先，由于水冷系統(tǒng)對可靠性要求高，但對實時性相對要求地很多，所以在系統(tǒng)程序中對輸入量進(jìn)行了濾波處理，加長了信號確認(rèn)的時間。這樣避免了外界干擾引起的信號抖動，防止系統(tǒng)誤動作和誤報警。 </p&g

17、t;<p>　　其次，如系統(tǒng)工藝流程圖所示，水冷系統(tǒng)有兩臺主泵輪流工作，為循環(huán)冷卻水提供動力?？刂瞥绦蝽毐ＷC一臺主泵工作。正常情況下，每168小時主泵切換一次。單臺泵故障情況下，正常泵投入運行。而且在泵切換的過程中，為減小冷卻水流量波動，程序盡量減少切換時間。 </p><p>　　另外，換流閥水冷系統(tǒng)檢測儀表采用冗余的安裝方式，以達(dá)到對系統(tǒng)高可靠性的要求。但與之相應(yīng)的能夠體現(xiàn)出冗余功能的測量值異常

18、判斷方法，還不夠完善。主要體現(xiàn)在：只對單一測量點的單一測量量的冗余值進(jìn)行判斷，缺乏判斷依據(jù)，無法確定故障儀表，容易造成誤判，不能充分起到容錯的作用。如果采用三個冗余儀表的安裝方式，可以解決以上問題，但會增加系統(tǒng)的成本。本文認(rèn)為：水冷系統(tǒng)作為整體，各位置的各種測量值之間存在著相互影響的關(guān)系。任何一個測量的極端值會一定程度上體現(xiàn)到其它點及其它測量值。因此，PLC系統(tǒng)測量值判斷程序處理方法為：不僅把單一測量值超出正常范圍作為判斷異常的依據(jù)，需

19、結(jié)合其它測量值作為參考。如果其它測量值也存在異常則判斷測量值異常，則判斷系統(tǒng)存在故障，否則判斷該測量儀表故障，提示運行人檢查更換。從而使程序適應(yīng)了冗余儀表的功能，實現(xiàn)了儀表的容錯。 </p><p><b>　　5 結(jié)語 </b></p><p>　　冗余PLC系統(tǒng)，提高了設(shè)備的容錯能力。而容錯能力可以降低設(shè)備故障造成系統(tǒng)停機(jī)的概率。 </p><

20、p>　　本文從冗余PLC系統(tǒng)角度，探討了提高可靠性的一種途徑。然而，從高壓換流閥水冷系統(tǒng)對可靠性要求來看，可靠性完全可作為一個系統(tǒng)工程處理，還涉及到其它很多方面。值得進(jìn)行深入研究。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]西門子冗余系統(tǒng)指南 西門子公司 </p><p>　　[2]朱文杰 《S700-3

21、00/400 PLC編程設(shè)計與案例分析》，機(jī)械工業(yè)出版社 </p><p>　　[3]陳建業(yè). 大功率電力電子裝置冷卻系統(tǒng)的原理與應(yīng)用. 電網(wǎng)技術(shù),2002,6(4) </p><p>　　[4]王永華 現(xiàn)代電氣及可編程控制技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002 </p><p>　　[5]IEC-61508, Functional safety of

22、programmable electronic safty-related systems[S] </p><p>　　[6]IA-84.0, Process Safety Standards and User Resources[S] </p><p>　　[7]周永茜 姜克寒 故障安全控制系統(tǒng)H51q/HRS(PES)在苯酚丙酮裝置的應(yīng)用[J]. 中國儀表，2009，9. </p

23、><p>　　[8]賀明智，趙榮華 PLC冗余系統(tǒng)在多晶硅還原爐電源系統(tǒng)中的應(yīng)用[S]. 電氣自動化，2010，10 </p><p>　　[9]劉丹 PLC冗余系統(tǒng)在冰蓄冷中央空調(diào)中的應(yīng)用[S]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30 </p><p>　　[10] 毛衛(wèi)崗 S7-414H在水處理中的開發(fā)和應(yīng)用[S]. 化工自動化及儀表， 2010，37 </p&g