現(xiàn)場(chǎng)總線的監(jiān)控系統(tǒng)的理論與實(shí)踐

　　儀電一體化火電廠監(jiān)控系統(tǒng)是集火電廠生產(chǎn)工藝自動(dòng)控制、工藝運(yùn)行操作監(jiān)視、電氣設(shè)備運(yùn)行操作監(jiān)視等監(jiān)控系統(tǒng)于一體的多功能、大容量、高性能的一體化綜合自動(dòng)化解決方案。統(tǒng)一在同一平臺(tái)下的各級(jí)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)暢通的地互聯(lián)并各取所需，帶來(lái)的效益不僅在于原有數(shù)據(jù)孤島的消失，避免了測(cè)點(diǎn)的重復(fù)建設(shè)，還在于火電廠整體自動(dòng)化水平的提高，更利于大型機(jī)組的建設(shè)、運(yùn)行及維護(hù)。

　　火電廠電氣微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)(ECS)的功能是：實(shí)現(xiàn)對(duì)火電廠內(nèi)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況的監(jiān)視;實(shí)現(xiàn)對(duì)火電廠內(nèi)電氣配送電方式的改變;實(shí)現(xiàn)對(duì)火電廠內(nèi)電氣設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的異常狀況的處理。以上功能自火電廠出現(xiàn)到今未天基本未發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化，僅在監(jiān)控對(duì)象的數(shù)量，、信息量的類型上，、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求等方面有比以前提出更高的要求。

　　目前火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的通行模式為DCS+ECS。，即硬接線+通訊共同實(shí)現(xiàn)對(duì)火電廠電氣設(shè)備的監(jiān)控功能，見(jiàn)圖1?！　?/p>

　　DCS通過(guò)硬接線接入電氣設(shè)備的基本控制信號(hào)(合分閘操作)、測(cè)量信號(hào)(開(kāi)關(guān)狀態(tài)、變送器轉(zhuǎn)發(fā)模擬量)，對(duì)電氣設(shè)備的控制功能及基本信息監(jiān)視(開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)視、運(yùn)行電流)在DCS實(shí)現(xiàn)。ECS采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將位于就地開(kāi)關(guān)柜上的保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)的信息接入到系統(tǒng)中，并通過(guò)與DCS架設(shè)網(wǎng)關(guān)網(wǎng)橋等通訊接口設(shè)備(系統(tǒng)服務(wù)器級(jí))將更加豐富的電氣設(shè)備運(yùn)行工況信息傳輸給DCS。這種實(shí)現(xiàn)方式雖然節(jié)省了部分現(xiàn)場(chǎng)硬接線和就地變送器，但依然存在由于測(cè)點(diǎn)信息不全面，加之DCS在電氣信息采集監(jiān)控及信息管理方面不足的問(wèn)題。因此，其監(jiān)控功能只局限于有限的DAS點(diǎn)監(jiān)測(cè)及遙控操作，自動(dòng)化水平較低，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。因此，將火電廠熱工控制系統(tǒng)和電氣監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一在一個(gè)工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)下來(lái)實(shí)現(xiàn)并使之能夠互動(dòng)，對(duì)于提高電廠設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行水平，提高電廠設(shè)備管理維護(hù)工作效率，為電廠提供質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的一體化監(jiān)控設(shè)備具有革命性意義。

　　華電南自天元控制系統(tǒng)科技有限公司順應(yīng)這一市場(chǎng)需求，提出了在火電廠實(shí)現(xiàn)熱工控制+電氣監(jiān)控一體化系統(tǒng)的構(gòu)想。其基本思想是：基于成熟的DCS控制系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)火電廠電氣系統(tǒng)監(jiān)控，并使熱工控制系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)的平臺(tái)統(tǒng)一，消除數(shù)據(jù)孤島，增強(qiáng)兩大系統(tǒng)間的互動(dòng)，還電廠一個(gè)完整的生產(chǎn)監(jiān)控運(yùn)行模式。經(jīng)過(guò)二年多的理論探索和實(shí)踐終于推出了在儀電一體化技術(shù)基礎(chǔ)上以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的全通訊新一代火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)TCS3000，并與儀電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的DCS一同成功地實(shí)現(xiàn)了商業(yè)運(yùn)行。

　　二、通訊ECS

　　硬接線+通訊共同實(shí)現(xiàn)的火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)是基于火電廠“DCS一體化設(shè)計(jì)”模式下的一種變通的節(jié)省成本的過(guò)渡方案，是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)于DCS電氣監(jiān)控部分的一種應(yīng)用，但僅是基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的變電站綜自系統(tǒng)于火電廠電氣配電系統(tǒng)――一種特殊工業(yè)環(huán)境下的移植。ECS幾乎可以囊括對(duì)電氣配電系統(tǒng)的所有功能要求并且是定制于此類系統(tǒng)的應(yīng)用，那么這種移植型的ECS為何不能獨(dú)立全面地完成火電廠電氣監(jiān)控功能呢?

　　2.1 難于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)下火電廠ECS的原因

　　為了滿足對(duì)生產(chǎn)工藝控制的要求，DCS必須實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備(負(fù)荷設(shè)備)的控制。因?yàn)檫@些配電設(shè)備既是工藝控制的一個(gè)基礎(chǔ)又是工藝控制系統(tǒng)的重要組成部分，所以電氣設(shè)備特別是廠用電負(fù)荷設(shè)備的運(yùn)行工況及控制對(duì)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝要求有很大影響，在實(shí)際應(yīng)用中很難把工藝控制與對(duì)電氣設(shè)備的操作分開(kāi)。加之DCS推廣應(yīng)用時(shí)，基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的變電站綜自系統(tǒng)才剛剛起步，除了采用當(dāng)時(shí)的DCS平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣監(jiān)控并無(wú)更好的自動(dòng)化解決方案。

　　ECS雖然是電氣監(jiān)控系統(tǒng)的完整解決方案，但在火電廠電氣監(jiān)控配電系統(tǒng)領(lǐng)域，存在與DCS不相融而導(dǎo)致的目前的應(yīng)用局限。如前所述，ECS應(yīng)用受限在于ECS不能很好的與DCS實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。ECS與DCS的數(shù)據(jù)交換本質(zhì)上是兩種網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)不同的系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通訊，必須加入網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋才能實(shí)現(xiàn)，而不能在對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。這種傳輸速率、效率、環(huán)節(jié)、途徑均受限制的通訊方式導(dǎo)致豐富的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)中只有少部分通過(guò)ECS傳輸至DCS，而重要的控制數(shù)據(jù)無(wú)法放心地交由系統(tǒng)間通訊完成，依然采用硬接線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　由此可見(jiàn)，解決ECS在火電廠電氣監(jiān)控方面的深入應(yīng)用必須實(shí)現(xiàn)其與DCS的互動(dòng)。ECS與DCS的互動(dòng)應(yīng)當(dāng)通過(guò)多層次、對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了便于這種互動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，不但應(yīng)當(dāng)將ECS與DCS統(tǒng)一在同一系統(tǒng)平臺(tái)下，還應(yīng)當(dāng)保證在這一平臺(tái)下的多層次對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的各向數(shù)據(jù)交換都可靠通暢，見(jiàn)圖2?！　?/p>

　　2.2 獨(dú)立實(shí)現(xiàn)火電廠電氣監(jiān)控功能的全通訊ECS

　　ECS作為獨(dú)立的火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)而存在，必先解決DCS實(shí)現(xiàn)工藝控制對(duì)電氣設(shè)備監(jiān)控的需要。DCS對(duì)電氣設(shè)備監(jiān)控的需要主要集中在用電負(fù)荷設(shè)備上，并且所需測(cè)點(diǎn)類型基于以下幾種：

　　控制操作(DO)―― 遙控分合閘;

　　狀態(tài)監(jiān)視(DI) ―― 開(kāi)關(guān)本體信號(hào)，如開(kāi)關(guān)位置、手車位置、閉鎖狀態(tài)等;

　　運(yùn)行監(jiān)視(AI) ―― 負(fù)荷電流、功率、母線電壓等。

　　以上測(cè)點(diǎn)中僅有DO/DI參與直接的邏輯控制。AI量則為運(yùn)行人員判斷負(fù)荷運(yùn)行狀況的輔助參數(shù)，并不直接參與DCS中DPU的邏輯控制計(jì)算，只在運(yùn)行界面上進(jìn)行觀察。以上幾種數(shù)據(jù)恰是ECS通過(guò)就地保護(hù)測(cè)控設(shè)備采集交換的基本數(shù)據(jù)。

　　從數(shù)據(jù)的完整性上說(shuō)，完全可以通過(guò)ECS傳輸給DCS。為達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸或交換的實(shí)時(shí)性要求，采用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)方式能夠?qū)⒉煌猛镜臄?shù)據(jù)快速可靠地傳輸?shù)紻CS各層中去。具體實(shí)現(xiàn)方式是：DO/DI數(shù)據(jù)的交換采用DPU與通訊管理機(jī)之間的通訊來(lái)實(shí)現(xiàn);對(duì)于AI數(shù)據(jù)及部分次重要DI數(shù)據(jù)的監(jiān)視采用ECS服務(wù)器上傳至DCS操作員站的方式進(jìn)行傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向見(jiàn)圖3?！　?/p>

　　依圖3，在站控層采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的DCS可以允許系統(tǒng)中存在多組服務(wù)器，操作員站(客戶端)可以平等的任意調(diào)用多組服務(wù)器的數(shù)據(jù)，將ECS統(tǒng)一在一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)中使得ECS在系統(tǒng)服務(wù)器級(jí)向DCS無(wú)縫傳輸數(shù)據(jù)成為了可能。這種數(shù)據(jù)傳輸方式也就省去了網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋等通訊連接設(shè)備，系統(tǒng)架構(gòu)更加簡(jiǎn)單明了、穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)上傳效率更高。

　　依圖3，在間隔層采用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了DPU與通訊管理機(jī)的數(shù)據(jù)交換。DPU所需參與邏輯控制的電氣設(shè)備DO/DI測(cè)點(diǎn)不是從通訊管理機(jī)發(fā)出就是從通訊管理機(jī)取來(lái)，取消了DCS電氣部分的硬接線。DPU與通訊管理機(jī)實(shí)現(xiàn)直接的數(shù)據(jù)交換，可以采用串口總線交換也可以采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。DPU與通訊管理機(jī)通訊無(wú)論是一對(duì)一還是一對(duì)多的方式，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)量亦或網(wǎng)絡(luò)連接的數(shù)量上來(lái)說(shuō)都是極少的。依據(jù)此需求定制的雙向通訊系統(tǒng)無(wú)論從實(shí)時(shí)性還是可靠性上都能得到良好的保障。盡管如此，對(duì)于特別重要的電氣設(shè)備控制聯(lián)鎖的操作也可以保留少量硬接線進(jìn)入DCS，或由專用的自動(dòng)裝置來(lái)直接實(shí)現(xiàn)，如重要設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)(鍋爐保護(hù)、汽機(jī)保護(hù))、保安電源的自動(dòng)投切等。

　　火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)中廠用配電系統(tǒng)的監(jiān)控操作與生產(chǎn)工藝控制系統(tǒng)并無(wú)直接聯(lián)系，因此完全可以獨(dú)立在ECS中實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的方式及功能配置要求與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的中低壓變電站綜自系統(tǒng)基本相同。DCS不再配置獨(dú)立的電氣專業(yè)的操作站、管理站。ECS配置獨(dú)立的電氣操作站、管理站、歷史站、工程師站。ECS完全通過(guò)與就地保護(hù)測(cè)控設(shè)備、保護(hù)設(shè)備、采集裝置、自動(dòng)裝置等電氣二次設(shè)備以通訊的方式對(duì)全廠納入監(jiān)控的電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。ECS的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)宜按單元機(jī)組及公用系統(tǒng)分開(kāi)配置。

　　三、全通訊ECS的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)

　　全通訊ECS完善地實(shí)現(xiàn)取決于通訊系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及快速性，其中又以快速性最為重要。現(xiàn)場(chǎng)總線的選擇應(yīng)用、與DPU數(shù)據(jù)交換、與DCS通訊三個(gè)方面的性能決定了整個(gè)全通訊ECS的性能。

　　3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的選擇及組網(wǎng)方式應(yīng)用

　　3.1.1 ECS對(duì)保護(hù)測(cè)控裝置通訊的接入以現(xiàn)場(chǎng)總線為宜

　　ECS保護(hù)測(cè)控裝置通訊的接入以現(xiàn)場(chǎng)總線為宜，原因有三：

　　1)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊距離一般較長(zhǎng)且抗干擾能力也較好，比較符合火電廠配電設(shè)備分布的實(shí)際情況，也有利于通訊管理機(jī)集中設(shè)置、集中管理。

　　2)現(xiàn)場(chǎng)總線電纜材料及組網(wǎng)成本低廉、保護(hù)測(cè)控裝置配置現(xiàn)場(chǎng)總線接口的成本也較低。

　　3)ECS必須分層向DCS傳輸電氣工藝設(shè)備的數(shù)據(jù)，并且ECS接入設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)于龐大(單元機(jī)組的配置可達(dá)400臺(tái)以上)，因此需要設(shè)置數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也利于減輕系統(tǒng)服務(wù)器通訊的負(fù)擔(dān)。

　　3.1.2 兩種中低壓保護(hù)測(cè)控裝置的組網(wǎng)方案

　　1)按工藝系統(tǒng)分配，通訊管理機(jī)與DPU采用一對(duì)一方式通訊。這種組網(wǎng)方式與DPU通訊簡(jiǎn)潔，且通訊方式靈活，但中低壓保護(hù)測(cè)控裝置需跨段接入通訊管理機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)總線組網(wǎng)布線難度較大。

　　2)按配電段分配，通訊管理機(jī)與DPU采用一對(duì)多方式通訊。這種組網(wǎng)方式與DPU通訊宜采用以太網(wǎng)，通過(guò)綁定以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠。網(wǎng)絡(luò)布線簡(jiǎn)潔，抗通訊干擾能力強(qiáng)。特別對(duì)于高壓工作段，也可按大的工藝系統(tǒng)分配多個(gè)通訊管理機(jī)，可將通訊管理機(jī)的外部網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)控制在6個(gè)以內(nèi)，有助于提高網(wǎng)絡(luò)通訊效率。對(duì)于大型機(jī)組，低壓配電段也是按照大系統(tǒng)的工藝分配來(lái)的，因此低壓段也可按配電段分配通訊管理機(jī)。

　　3.1.3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)快速更新的保證

　　目前在ECS應(yīng)用較為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線有RS-485、CAN、Profibus-DP、LonWorks等，其中以RS-485總線支持的廠商最多，應(yīng)用也最為廣泛。誠(chéng)然，在這幾類總線中以RS-485總線的通訊速率最低