DCS与DEH通讯存在问题及解决方案

专家：朱亚清 领域：DCS 行业：电力 日期：11-05-19 14:27 点击数：3176

    朱亚清：广东省电力试验研究所

    广东韶关发电厂8号200MW机组的DCS和DEH改造，DCS采用西屋公司的OVATION分散控制系统，DEH采用新华公司的由XDPS 400分散控制系统组成的DEH―ⅢA。在改造设计中，DEH系统配备工程师站和历史站各一台，没有专用的操作员站。DEH系统采用与DCS系统共享操作员站的方案，通过通讯的方法，实现在DCS的操作员站上对DEH系统进行全部监控的功能。

    1  DEH与DCS通讯原理

    如图1所示，DEH侧的工程师站和历史站同时兼作通讯站，其第3块网卡通过RJ45通讯电缆与DCS侧的1、2号FDDI（光纤分布数据接口）交换机连接起来，实现与DCS侧的07、57号控制器（Drop07、Drop57）通讯。通讯协议采用TCP/IP上的MODBUS，DEH侧为从站（SLAVE），DCS侧为主站（MASTER）。

图1 DEH与DCS通讯结构图

    DEH侧运行新华公司开发的“Hbgtw.exe”程序与OVATION系统进行通讯，该程序当初是新华公司为XDPS400系统与H&B公司的CONTRONIC DCS系统通讯而开发的，后来成为新华公司的XDPS400系统与其它系统进行通讯的一部份，并且与多个DCS系统通讯取得了成功。

    DCS侧利用OVATION系统的虚拟IO（Input & Output）设备与DEH系统进行通讯，虚拟IO设备是OVATION系统集成的与第三方系统通讯的功能，利用虚拟IO设备，OVATION可以直接与AB PLC、MODBUS PLC、GE Mark Ⅴ/Ⅵ、RTP I/O等第三方系统进行通讯。在本工程中，将DEH系统虚拟为OVATION系统的MODBUS PLC设备，实现与DEH系统的通讯。

    2  DEH与DCS通讯存在的问题

    2.1 DCS无法正常向DEH发送操作指令

    新华公司的XDPS400系统采用“HBGTW.EXE”程序与H&B公司的CONTRONIC、ABB BAILEY的SYMPHENY等系统进行通讯都取得了成功，但与OVATION系统通讯还是第一次。
在韶关电厂8号机组改造中，DEH与DCS通讯一开始调试时，就发现虽然DEH侧的数据可以正确送到DCS系统，但是DCS无法对DEH进行正常操作，而且当通讯程序启动后，DEH的所有操作块每秒周期地被操作一次，造成DEH系统出现混乱。

    新华公司的“HBGTW.EXE”程序当初是为实现DEH与DCS共享操作员站而设计开发的，其设计的当初是与DCS的操作员站进行通讯，“HBGTW.EXE”程序用MODBUS功能号2、4完成向DCS传送开关量和模拟量数据、用MODBUS功能号5、6完成DCS对DEH系统进行的脉冲和置数操作。在通讯过程中，主站（MASTER）DCS周期地向从站（SLAVE）DEH发送MODBUS功能号2、4消息，DEH回应主站的号2、4消息，从而实现DEH侧数据传送到DCS侧；当DCS侧要对DEH进行脉冲或置数操作时，主站DCS向从站DEH发送MODBUS 2号或4号息消，DEH收到主站的2、4号消息后，向DPU（Distributed Process Unit）发送操作指令信号，就象运行人员在DEH操作员站对DEH进行操作一样，从而实现DEH与DCS共享操作站。

    在本工程中，DEH是与OVATION系统的控制器通讯，而不是操作员站。OVATION控制器用MODBUS功能号5、6向DEH传送的不是操作指令，而是开关量和模拟量信号，而且是周期地传送的。由于DCS与DEH两系统对MODBUS功能号5、6消息的解释不同，DEH每收到一条MODBUS功能号5或6消息，DEH系统就对其DPU进行一次操作，造成每个通讯周期DEH都要对其DPU进行一次脉冲和置数操作，引起DEH系统混乱。

    2.2  通讯无法实现冗余

    通讯设计时，DCS侧的07号控制器与DEH的工程站通讯，DCS侧的57号控制器与DEH的历史站通讯。DEH侧的工程师站和历史站在通讯上是相互冗余来设计的，任一个站与DCS通讯正常都能保证DEH与DCS两系统间的通讯正常。

    DCS侧的07、57号控制器作为冗余而配置的控制器，采用一用一备的工作方式，当07号控制器为主时，57号控制器备用，反之，当57号控制器为主时，07号控制器备用。处于备用方式的控制器跟踪主控制器，其本身并不进行IO扫描运算，因此，处于备用方式的控制器并不会与DEH进行通讯，而处于主工作方式的控制器只与DEH的其中一个站进行通讯，当这路通讯线路故障或DEH侧正在通讯的站出现故障或关闭时，虽然DCS与DEH的另一路通讯回路正常，但DCS主控制器并不会切换到与DEH侧的另一台站进行通讯，DCS的主/备控制器也不会自动切换，造成DCS与DEH的通讯失去。
可见，虽然设计了两个通讯回路，但由于通讯是一对一的方式，一路通讯中断后无法自动切换到另一路通讯上，两个通讯回路无法真正实现相互冗余的功能。

    3  DEH与DCS通讯问题解决

    3.1 DCS无法正常向DEH发送操作指令的解决

    从上面的分析可以得知，DCS无法向DEH发送操作指令的原因是DCS向DEH传送的不是操作指令，而是开关量和模拟信号。要解决DCS不能对DEH进行正常操作的问题，理论上分析可有两种解决方案。

    第一种是对DCS侧的通讯设置进行修改，使DCS向DEH发送的不是开关量和模拟信号，而是操作指令，即DCS侧只有运行人员对DEH进行开关量或模拟量置数操作时，才向DEH发送MODBUS功能5或6号消息。采用这个方案的好处是通讯实时性较好，通讯负担也较小，但DCS侧的OVATION系统是采用虚拟IO设备与DEH进行通讯，虚拟IO设备是OVATION系统集成的功能，我们可能无法对OVATION系统进行修改。

    第二种是对DEH侧进行修改，使DEH收到DCS传送来的数据时，不是直接对DPU进行操作，而是将数据送到DPU进行逻辑判断，判断出DCS需要对DEH进行操作时，再通过逻辑处理的方法对DPU进行操作。这种方案，DCS侧对DEH进行操作时，操作指令先送到DCS的控制器，由控制器进行逻辑处理后再以IO输出方式通讯到DEH侧，DEH收到后再经过逻辑处理才进行操作。可见，在DCS侧进行操作后，至少要经过DCS和DEH各一个逻辑扫描周期后，DEH才进行操作，操作实时性较第一种方案差。DEH侧的通讯程序为新华公司开发，新华公司的研发人员可以很容易对通讯程序进行修改。当第一种方案无法实施时，只能采用这种方案了。

    通过对OVATION系统资料的查阅和厂家的确认，我们无法对OVATION系统进行修改，最后决定采用第二种方案进行实施。修改DEH侧的通讯程序，增加接收MODBUS 15和16功能码消息来实现接收开关量和模拟量数据。当通讯传送的是开关量或模拟量数据而不是操作指令时，采用MODBUS功能号5和6则效率太低，因为MODBUS功能号5或6号的每一个通讯数据包只能包含一个开关量或一个模拟量，而MODBUS功能号15和16则不同，每一个通讯数据包可以包含多个开关量和多个模拟量。因此，当通讯传送的是多个开关量或模拟量数据时，采用MODBUS 15或16号功能码更为合适。

    要使OVATION系统采用MODBUS功能号15和16传递数据，只需修改相关的通讯点的“I/O ACCESS PATH”的设置即可，如I/O ACCESS PATH 为“MODBUS 1 OUT 16001 PLC_1”表示OVATION系统的PLC_1虚拟设备采用MODBUS功能号5向1号从站的MODBUS地址6000传送开关量，改为“MODBUS 1 OUT 6001 PLC_1”则为采用MODBUS功能号15来传递；再如“MODBUS 1 OUT 36001 PLC_1”表示OVATION系统的PLC_1虚拟设备采用MODBUS功能号6向1号从站的
MODBUS地址6000传送模拟量，改为“MODBUS 1 OUT 46001 PLC_1”则为采用MODBUS功能号16来传递。

    要实现DCS侧能够操作DEH，DCS侧和DEH侧的逻辑都要作相应的修改。对于开关量的脉冲操作，DCS侧操作时，只需向DEH发送一个脉冲信号，DEH将DCS发送来的脉冲信号与其自身的操作进行“相或”运算即可；对于模拟量置数操作，还要在DCS侧为每一个置数操作增加一路开关量信号，这个开关量信号作为“模拟量置数操作的有效”信号，当在DCS侧进行模拟量置数时，除了将模拟量数据传送到DEH外，同时将相应的“置数操作的有效”信号以一个脉冲发送到DEH侧，DEH通过判断“置数操作的有效”信号进行相应的置数操作。DEH相应的逻辑处理如图2、图3所示。

图2 DCS对DEH进行开关量操作的DEH逻辑(虚线部分为增加)

图3 DCS对DEH进行模拟量置数操作的DEH逻辑(虚线部分为增加)

     3.2  通讯冗余的实现

    DEH的两台操作员站和DCS的DROP07、DROP57对其各自系统来说已经是冗余的，若能实现DCS与DEH之间既能一对一通讯，又能交叉通讯，也就能实现DEH与DCS通讯冗余了。DEH侧的两台交换机采用光纤连接起来，实现了两个交换机之间相互通讯连接的功能，已实现了DCS侧DROP07、DROP57与DEH工程师站、历史站之间的硬件交叉连接。在DEH与DCS的通讯中，DEH为从站，既可接受DCS侧DROP07的连接请求，也可接受DROP57的连接请求；而DCS为主站，处于主动地位，因此，要实现交叉通讯，必须从DCS侧的OVATION系统着手进行修改。

    经过对OVATION系统资料的查阅和厂家的确认，OVATION系统这种通过虚拟IO设备与第三方进行通讯是不具备冗余功能的，必须另想办法才能实现通讯的冗余。最后我们采用增加一路虚拟IO设备的方法，成功实现了通讯冗余功能。

    OVATION系统共有5个设备号（DEVICE）可用，而每个设备号最多又可带5路虚拟设备，原通讯设计Drop07和Drop57均采用了第三个设备号（DEVICE#3）的第一路虚拟IO设备PLC_1。为此，我们在DEVICE#3上再增加一路虚拟IO设备PLC_2，并设置使其与DEH另一台通讯站进行通讯，从而实现DCS同时与DEH两台通讯站进行通讯。当Drop07为主时，其虚拟IO设备PLC_1与DEH的工程师站通讯、PLC_2与DEH的历史站通讯；反之，当Drop57为主时，其虚拟IO设备PLC_1与DEH的历史站通讯、PLC_2与DEH的工程师站通讯。

    DCS采用两路虚拟IO设备与DEH进行通讯，信号的处理与采用两块真实IO卡与DEH进行连接的处理是相似的。DCS发送数据到DEH时，将数据同时送到两路虚拟IO设备，两路通讯将数据同时送到DEH的两台通讯站，DEH只要保证其中一台通讯站正确收到数据，DEH就能正确收到DCS发送来的数据；DCS接收DEH数据时，对两路通讯来的数据进行“2选1”逻辑处理，当两路通讯均正常时，取其中一路数据，当有一路通讯不正常时，取正常的那一路数据。这样，就实现了DCS与DEH的冗余通讯功能。

    4  结语

    经过这次改造后，成功实现了DEH与DCS的通讯，并采用双回路实现了冗余通讯功能。正常运行时，两个通讯回路同时工作，两路通讯相互冗余，相互热备用，只要保证有一路或以上的通讯正常时，就能保证DEH与DCS系统通讯的正常，这就大大提高了机组的安全可靠性。这种采用两个通讯回路来实现通讯冗余的方法，两个通讯回路相互热备用，具有较高的可靠性，对于其它系统的通讯冗余设计也有很大的参考价值。