1、1冗余 PLC 系统在高压换流阀水冷控制系统中的应用摘要：作为直流输电工程的核心设备，高压换流阀的可靠运行至关重要。因此换流阀水冷系统对可靠性的要求也极高。本文从换流阀水冷系统电气控制方面入手，介绍冗余 PLC 控制系统。从控制系统的整体配置到局部安排，从硬件连接方式到软件处理方法，对冗余 PLC 系统进行了说明，阐述了系统的容错能力的提高，从而更高程度上保证了水冷系统的可靠性。 关键词：换流阀水冷系统；冗余；PLC；容错 Abstract：As the core ofHVDC transmission system，it is essentially important to ensure
2、safe and reliable operation of HVDC converter. The article describes a redundant PLC system applied in valve-cooling equipment, based on the automatic controls point of view. It is explained how to improve the fault-tolerant capability by the introduction of not only the whole and local layout but a
3、lso the solution of hardware and software. Thereby the reliability of the whole valve-cooling equipment is strengthened on a higher platform. Keyword：HV valve water-cooling system，redundant，PLC，fault-tolerant 中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号： 2引言 换流阀通过依次将三相交流电压连接到直流端得到期望的直流电压和实现对功率的控制，是实现交直流电能互相转换的设备单元，是直
4、流输电工程的核心设备。由于输电系统对可靠性的有着极高的要求，所以对换流阀的可靠运行也有着极高的要求。 换流阀水冷系统是一个闭环的循环系统，在主循环泵驱动下，冷却水沿管路以恒定的流速通过换流阀及散热器，带出热量，为换流阀提供安全运行条件。作为换流阀的辅助系统，换流阀水冷系统的安全可靠性是换流阀系统安全可靠性的一个重要环节。工艺流程图如图 1： 图 1 水冷系统工艺流程图 Fig1 flowchart of valve-cooling system 冗余配置方式在很多对可靠性要求高的系统中有应用。本质上说，冗余的根本目的在于容错，即通过提高容错能力来达到降低故障率的目的。具体到水冷电气控制系统，电
5、气设备故障在一定的范围内，系统仍能正常工作，保证水冷系统的运行。 本文从冗余的角度，关注提高水冷系统的容错能力的方式方法，最大程度上减少电气故障引起的设备停机。控制系统采用冗余的 PLC 系统，以下从系统整体配置到局部安排，从硬件连接方式及软件处理方法来具体说明。 2 PLC 控制系统结构 3图 2PLC 控制系统结构图 Fig2 Structure image of redundant PLC system 如控制系统结构图所示，PLC 核心部分 CPU 采用西门子 S7-400H 模块。正常情况下，两模块“以一主一从”方式运行，通过同步光纤保证两模块运行的程序同步。若任何一个 CPU 发生
6、停机故障，系统会无扰动地切换到单一 CPU 运行方式，保证控制程序仍然正常执行，水冷系统不受到影响。 但是，若水冷控制系统仅采用 CPU 冗余，还不足以满足可靠性的要求。本系统中，将输入输出模块，与上位机进行通讯的模块，及触摸屏都采用冗余的方式。其中，冗余输入输出模块之间为“或”的关系，对应的地址为唯一的：取低地址；冗余通讯模块的通讯内容完全一致；两触摸屏的操作及显示内容也是相同的。 另外，PLC 系统模块全部采用直流 24V 供电，两电源通过二极管并联一起，实现了 PLC 电源的冗余。 这样，整个控制系统可以看为两个完全相互冗余的 PLC 系统组成，系统内的单一故障不会导致系统故障。 3 冗
7、余输入输出通道的连接方式 控制系统通过输入输出通道，采集外界信息，经过处理，对外输出控制信号。由于本 PLC 系统输入输出通道是冗余的，故通道与外围设备的对应关系是“二对一”的。 4数字输入通道接线方式，如图所示，一个开关状态量分别接入了两个相互冗余的 DI 通道。两模块的输入状态一致。 图 3DI 通道接线原理图 Fig3 connection diagram of redundant DI channel 数字输出通道接线方式，如图所示，两冗余的 DO 通道并联接到一个输出继电器线圈。 图 4DO 通道接线原理图 Fig4 connection diagram of redundant D
8、O channel 模拟量输入通道接线方式，如图所示，现场测量仪表采用电流信号，经电阻器转化为电压信号，AI 输入模块采用电压方式采集信号，两冗余模块并联连接。采集信号一致。 图 5AI 通道接线原理图 Fig4 connection diagram of redundant AI channel 模拟量输出通道接线方式，如图所示，模拟输出通道采用电流信号，两通道用二极管并联一起，实现电流信号的叠加。正常运行时，两通道各承担一半的输出电流，合成总的输出电流。如有单通道故障，无输出，5则另一通道自动承担全部的输出电流。 图 6AO 通道接线原理图 Fig6 connection diagram
9、of redundant AO channel 采用以上连接方式，输入输出通道的单一故障，不会影响系统的输入输出功能。并且选取相应的程序块，系统可以检测到故障设备，提示报警。冗余元件允许在线更换，系统实现了输入输出通道的冗余及容错运行。 4 冗余系统软件编程方面的工作 西门子 S7 400H 系统具有完善的软件系统，通过设置和程序块选取，可以实现冗余系统运行，故障情况下的处理，及故障点的检测。本文关注针对水冷系统的软件方面采取的做法。 首先，由于水冷系统对可靠性要求高，但对实时性相对要求地很多，所以在系统程序中对输入量进行了滤波处理，加长了信号确认的时间。这样避免了外界干扰引起的信号抖动，防止
10、系统误动作和误报警。 其次，如系统工艺流程图所示，水冷系统有两台主泵轮流工作，为循环冷却水提供动力。控制程序须保证一台主泵工作。正常情况下，每168 小时主泵切换一次。单台泵故障情况下，正常泵投入运行。而且在泵切换的过程中，为减小冷却水流量波动，程序尽量减少切换时间。 另外，换流阀水冷系统检测仪表采用冗余的安装方式，以达到对系统高可靠性的要求。但与之相应的能够体现出冗余功能的测量值异常判6断方法，还不够完善。主要体现在：只对单一测量点的单一测量量的冗余值进行判断，缺乏判断依据，无法确定故障仪表，容易造成误判，不能充分起到容错的作用。如果采用三个冗余仪表的安装方式，可以解决以上问题，但会增加系统
11、的成本。本文认为：水冷系统作为整体，各位置的各种测量值之间存在着相互影响的关系。任何一个测量的极端值会一定程度上体现到其它点及其它测量值。因此，PLC 系统测量值判断程序处理方法为：不仅把单一测量值超出正常范围作为判断异常的依据，需结合其它测量值作为参考。如果其它测量值也存在异常则判断测量值异常，则判断系统存在故障，否则判断该测量仪表故障，提示运行人检查更换。从而使程序适应了冗余仪表的功能，实现了仪表的容错。 5 结语 冗余 PLC 系统，提高了设备的容错能力。而容错能力可以降低设备故障造成系统停机的概率。 本文从冗余 PLC 系统角度，探讨了提高可靠性的一种途径。然而，从高压换流阀水冷系统对
12、可靠性要求来看，可靠性完全可作为一个系统工程处理，还涉及到其它很多方面。值得进行深入研究。 参考文献 1西门子冗余系统指南 西门子公司 2朱文杰 S700-300/400 PLC 编程设计与案例分析 ，机械工业出版社 3陈建业. 大功率电力电子装置冷却系统的原理与应用. 电网技术,2002,6(4) 74王永华 现代电气及可编程控制技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2002 5IEC-61508, Functional safety of programmable electronic safty-related systemsS 6IA-84.0, Process Safety Standards and User ResourcesS 7周永茜 姜克寒 故障安全控制系统 H51q/HRS(PES)在苯酚丙酮装置的应用J. 中国仪表，2009，9. 8贺明智，赵荣华 PLC 冗余系统在多晶硅还原炉电源系统中的应用S. 电气自动化，2010，10 9刘丹 PLC 冗余系统在冰蓄冷中央空调中的应用S. 自动化技术与应用，2011，30 10 毛卫岗 S7-414H 在水处理中的开发和应用 S. 化工自动化及仪表， 2010，37
