（文章來源：電氣新科技）

汽輪機緊急跳閘保護ETS系統(tǒng)是采用了可編程控制器PLC組成的冗余控制系統(tǒng)，主要介紹了幾種PLC在ETS系統(tǒng)的冗余方案。

汽輪機危急跳閘系統(tǒng)(ETS)是汽輪機保護最重要的一環(huán)，它是汽輪機電跳閘的出口，其運行安全與否直接影響到汽輪機的安全運行。ETS監(jiān)測汽輪機的一些重要參數(shù)，如:潤滑油壓力、凝汽器真空、汽機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子振動、軸向位移等，當這些參數(shù)越限時，輸出跳閘信號到跳閘電磁閥，跳閘電磁閥卸掉保安系統(tǒng)的保安油，使汽輪機的主汽閥和調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉，完成汽輪機跳閘的功能，使汽輪機緊急停機，處于安全狀態(tài)，以避免發(fā)生嚴重的后果。

汽輪機緊急跳閘系統(tǒng)是電廠重要的安全保護系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性直接影響電廠機組的安全。由于ETS系統(tǒng)是確保機組安全運行的最后一道自動保護裝置，因此，對系統(tǒng)的可靠性和快速性有非常高的要求。目前我國均已采用了以可編程控制器PLC控制取代繼電器控制為核心組成的冗余配置的ETS系統(tǒng)。

ETS系統(tǒng)是采用兩個互為主備運行的PLC代替繼電器、由程序處理控制代替硬接線、I/O電平可與外部裝置相連接以及結(jié)構(gòu)易于擴展的工業(yè)檢測、保護、控制設備。目前我國ETS系統(tǒng)采用的PLC冗余方案主要有西門子S7-300/400軟冗余與S7-400H硬冗余、施耐德的Quantum硬冗余、羅克韋爾的ControlLogix硬冗余和SLC500軟冗余、ABB 的AC800M硬冗余等方案。

在OB100里調(diào)用FC100 ‘SWR_START’塊進行軟冗余的初始化，用戶需要在其中定義冗余部分的數(shù)據(jù)區(qū)，該數(shù)據(jù)區(qū)可以包括：一個過程映象區(qū)，一個定時器區(qū)，一個計數(shù)器區(qū)，一個位地址區(qū)和一個數(shù)據(jù)塊區(qū)，S7-300同步的最大數(shù)據(jù)量為8 kBytes，S7-400同步的最大數(shù)據(jù)量64kBytes。在OB86里調(diào)用FC102 ‘SWR_DIAG’塊進行軟冗余的診斷，導致主從站通訊出錯時CPU不會發(fā)生停機。

下載程序時A路與B路程序必須分別下載，下載完成后當CPU的RUN指示燈亮和僅一個ET200M模塊的ACT指示燈亮，而CPU和ET200M模塊無SF或BUSF燈閃爍，即代表該軟冗余系統(tǒng)已正常工作。

該方案采用西門子S7—400H冗余的PLC控制系統(tǒng)，S7-400H系列PLC是西門子公司專為高端應用場合設計的冗余系統(tǒng)，采用雙機熱備的硬件冗余機制，其工作電源、通信網(wǎng)絡設備、CPU、操作站均為冗余設置，一旦主系統(tǒng)發(fā)生故障，能夠自動無縫切換到熱備用系統(tǒng)，實現(xiàn)平穩(wěn)的Master—Reserve轉(zhuǎn)換，使整個系統(tǒng)可以容錯運行．從而避免了傳統(tǒng)的單機系統(tǒng)因故障停機而造成損失，大大增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

S7-400H 是容錯自動化系統(tǒng)，只有在其它措施配合下控制安全相關(guān)過程時才需要使用。S7-400H的容錯性是通過兩個并行的中央控制器實現(xiàn)的，它們的CPU通過光纖連接，并通過冗余的PROFIBUS-DP線路對冗余I/O進行控制。每個CPU 需要兩個同步模塊，通過光纜成對連接。兩個冗余的S7-400H CPU 之間的通訊使用同步模塊。在發(fā)生錯誤時，將會出現(xiàn)一個無擾動的控制傳輸，即未受影響的熱備設備將在中斷處繼續(xù)執(zhí)行而不丟失任何信息。

標準S7-400 系統(tǒng)的設計和編程規(guī)則也適用于S7-400H。就用戶程序的執(zhí)行而言，S7-400H 的運行方式與標準系統(tǒng)完全相同。操作系統(tǒng)的集成同步功能會自動在后臺執(zhí)行，無需在用戶程序中組態(tài)這些功能。在冗余操作中，用戶程序會在兩個CPU 上冗余地存儲并由事件驅(qū)動同步執(zhí)行。但我們提供了多個用來優(yōu)化程序的塊，用以改善其對因更新等操作而導致的任何周期延長情況的響應。

除S7-400和S7-400H系統(tǒng)中支持的塊外，S7-400H 軟件還另外提供了可用來影響冗余功能的塊。通過STEP 7在用戶程序中使用SFC 51“RDSYSST”執(zhí)行該查詢。使用OB 70- I/O 冗余錯誤與OB 72-CPU 冗余錯誤等組織塊來響應S7-400H 的冗余錯誤?？梢允褂肧FC 90 "H_CTRL"禁止主站CPU 上的鏈接、禁止主站CPU 上的更新和刪除、恢復或立即啟動周期性自檢的測試組件三種方式影響容錯系統(tǒng)。

下載用戶程序至CPU0，將CPU0 的模式選擇器開關(guān)設為RUN，然后再設置CPU1 上開關(guān)，以啟動S7-400H自動化系統(tǒng)。CPU 執(zhí)行暖啟動，并調(diào)用OB 100。結(jié)果CPU0 作為主CPU 啟動，CPU1 作為備用CPU 啟動。 鏈接并更新備用CPU后，S7-400H 處于冗余模式并執(zhí)行用戶程序。當CPU0與CPU1的RUN指示燈亮， INTF、EXTF、 BUSF1 和BUSF2 、IFM1F 、IFM2F和REDF指示燈都熄滅后，S7-400H冗余系統(tǒng)已正常工作。

施耐德Quantum硬冗余系統(tǒng)（Modicon Quantum熱備系統(tǒng)）需要在兩個底板上配有相同的硬件、軟件和固件。其中一個控制器(PLC) 作為主控制器，另一個控制器作為備用控制器。在每個掃描周期后主控制器都要對備用控制器進行更新。主控制器和備用控制器經(jīng)常通信，對整個系統(tǒng)的健康狀況進行監(jiān)控。

如果主控制器故障，備用控制器會在一個掃描周期內(nèi)代替主控制器起控制作用。主控制器執(zhí)行應用程序，控制RIO，在每次掃描（程序周期）之后更新備用控制器。如果主控制器故障，備用控制器在一個掃描周期內(nèi)將起控制作用。

Modicon Quantum熱備系統(tǒng)是由Concept軟件、配備熱備套件、電源和遠程I/O(RIO)等組成。經(jīng)濟型熱備套件140由兩只CPU、兩只電源、兩只熱備模塊140 CHS 11000組成。在熱備控制站A和B上可以配備一套經(jīng)濟型熱備套件和各配一只RIO通訊模塊140 CRP 93200，在遠程站配備了RIO適配器140 CRA 93200，外加電纜與分離器的連接可組成一套經(jīng)濟型的熱備系統(tǒng)。

現(xiàn)在的Modicon Quantum控制器使用Concept軟件，最多能傳送應用數(shù)據(jù)約128Kb，包括已定位數(shù)據(jù)(在狀態(tài)RAM中)和非定位數(shù)據(jù)。為傳送非定位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)必須使用狀態(tài)RAM中一部分3x區(qū)域。施耐德電氣選擇這種方法是為了與現(xiàn)有的CHS 選項模塊(140 CHS 11000)相兼容。

因此，有必要進行折衷：非定位數(shù)據(jù)越多，狀態(tài)RAM就越少，反之亦然。在Concept軟件中，CPU的“Configuration Extension”在“984 Hot Standby”選項選擇后并確認。下載程序至一路PLC，下載完成后可按住另一路的熱備模塊140 CHS 11000上的Update按鈕后完成程序自動傳送。當除了“READY”、“Com Act”和“RUN”指示燈亮并不閃爍等，通過試驗正?？傻贸鲈摕醾湎到y(tǒng)已正常工作。

ControlLogix冗余系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由兩個完全一樣的控制器框架組成，每個ControlLogix冗余系統(tǒng)框架中控制器模塊、通信模塊和SRM模塊。兩個框架尺寸完全相同，模塊一模一樣，插放位置也一模一樣，控制器中的程序也一模一樣。兩個控制器框架之間，完全靠系統(tǒng)冗余模塊SRM來完成同步和數(shù)據(jù)的交換。

進入同步狀態(tài)的主機控制器，自動地傳送備份數(shù)據(jù)到輔機控制器，這些數(shù)據(jù)無須用戶挑選和編程，只要在主機控制器中被程序運行時刷新過的數(shù)據(jù)，都會通過交叉裝載傳送到輔機控制器，傳送的數(shù)據(jù)量可以非常大?？刂破魍ㄟ^與SRM的連接，得知自己是主機控制器還是輔機控制器，從而決定是傳送數(shù)據(jù)還是接收數(shù)據(jù)。這些完全不需要用戶的介入，系統(tǒng)自動獲取、自動判斷、自動傳送。兩個控制器的同步運行和大量數(shù)據(jù)的復制，使得輸出得到無擾切換。

在成對的冗余框架中，首先上電的框架成為主機框架，后上電的框架作為輔機框架，并建立與主機控制器的同步。當出現(xiàn)主機控制器所在框架掉電、拔插主機框架上的任何模塊、控制器程序發(fā)生主要故障、斷開CNBR模塊上的ControlNet分接器或電纜等情況都會發(fā)生冗余切換。

冗余系統(tǒng)中，主控制器框架和從控制器框架上各個模塊的版本必須嚴格一致，并到達到要求的版本號，否則無法正常工作。當版本不一致時，在通訊軟件RSLinx中可能無法看到從控制器框架上的處理器，同時，從控制器框架的處理器狀態(tài)指示燈(OK燈)變?yōu)榧t色長亮。因此，一般系統(tǒng)在第一次上電時，需要進行固件升級。升級工作需要使用Rockwell的固件升級軟ControlFLASH，。

升級完畢后，主從控制器框架都重新上電，使用RSLogix5000將程序下載到主處理器中，然通過切換將程序自動備份至從處理器，最后通過軟件RSNetWorx for ControlNet對網(wǎng)絡進行規(guī)劃。檢查處理器RUN、I/O、RS232、OK指示燈綠色穩(wěn)定和BAT指示燈滅，通過試驗正?？傻贸鲈摕醾湎到y(tǒng)已正常工作。

SLC的冗余可以采用兩個CPU機架，通過HSSL鏈路連接各自的1747-BSN冗余遠程IO模塊，并掛接RIO鏈路即可。其作用如下：主CPU控制遠程IO，后備處理器也接收同樣的實時控制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)同步通過HSSL實現(xiàn)，以便后備處理器按實時數(shù)據(jù)不斷更新，當主處理器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動切換到后備處理器以接管控制，從而為用戶提供事實上不中斷的運行功能。

SLC500軟冗余系統(tǒng)的主從機架完全相同，每個機架上安裝有一個CPU和一個BSN模塊，其中一對配對的BSN與遠程IO上的 1747-ASB遠程I/O適配器模塊實現(xiàn)冗余的RIO數(shù)據(jù)通訊。一個冗余SLC500系統(tǒng)最多支持8對BSN模塊，亦即最多可接8個RIO通訊鏈路，每個RIO鏈最多1024點I/O，因此一個SLC500冗余系統(tǒng)最多可有8192點I/O。

SLC500的熱備系統(tǒng)由1747-BSN構(gòu)成，可以在Remote I/O、DH+和RS-232/485網(wǎng)絡進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的備份。當在Remote I/O網(wǎng)絡上進行熱備的時候，1747-BSN具有和1747-SN模塊完全相同的功能，只是在遠程掃描器的基礎上增加了數(shù)據(jù)備份的能力。系統(tǒng)中，一個1747-BSN模塊處于主系統(tǒng)框架中，另外一個1747-BSN模塊處于備用系統(tǒng)框架中，都通過RIO鏈路與遠程框架的1747-ASB模塊相連。在熱備系統(tǒng)中，主系統(tǒng)框架和備用系統(tǒng)框架中都不插I/O模塊。

在系統(tǒng)運行時，主系統(tǒng)中的控制器通過背板將數(shù)據(jù)傳遞到本地框架的BSN模塊中，然后主系統(tǒng)中的BSN模塊通過HSSL鏈路將數(shù)據(jù)傳遞到備用系統(tǒng)中的BSN模塊中。在備用系統(tǒng)框架中，BSN模塊再將接受到的數(shù)據(jù)通過背板傳遞到備用系統(tǒng)的控制器中，數(shù)據(jù)就是以這樣的方式完成在熱備系統(tǒng)中的備份。

當主系統(tǒng)發(fā)生故障的時候，熱備系統(tǒng)進行切換，以使備用系統(tǒng)中的控制器接管主系統(tǒng)的控制器來控制遠程框架的模塊運行。這個切換的速度是很快的（一般在50ms之內(nèi)便完成切換），以致于在主系統(tǒng)發(fā)生故障的時候，處于遠程框架的輸出還沒有發(fā)生變化，備用系統(tǒng)已經(jīng)代替出現(xiàn)故障的主系統(tǒng)運行了。
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