現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于發(fā)電廠電氣控制系統(tǒng)的研究

　　到目前，發(fā)電廠機(jī)組控制系統(tǒng)一直采用DCS 。在傳統(tǒng)的DCS中，體現(xiàn)的是集中管理與分散控制的控制策略。但是，DCS中通信系統(tǒng)是由封閉的專用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，因此帶來(lái)了其自身的局限性。近年來(lái)，隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)，組成了新型的全分布式結(jié)構(gòu)，將控制功能徹底向下分散到了現(xiàn)場(chǎng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)基本控制功能，使建立數(shù)字化電廠的目標(biāo)成為可能。發(fā)電廠數(shù)字化(數(shù)字化電廠)是發(fā)電廠信息化的基礎(chǔ)，而發(fā)電廠數(shù)字化的核心是推廣應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)[l]。

　　1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用

　　現(xiàn)場(chǎng)總線是用于過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開(kāi)放式、新型全分布控制系統(tǒng)，其技術(shù)特點(diǎn)：(l)現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議都是公開(kāi)的，可與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備互聯(lián);(2)系統(tǒng)互可操作性與互用性;(3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài);(4)現(xiàn)場(chǎng)總線是一種構(gòu)成全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，可提高控制系統(tǒng)的可靠性;(5)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

　　1.1 Lonworks

　　Lonworks由美國(guó)Ecelon公司推出，其采用了150/051模型的全部7層通信協(xié)議及面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，支持完全分布式的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，是開(kāi)放且可互操作控制系統(tǒng)的一個(gè)技術(shù)平臺(tái)。誼過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量，把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率從300bit/s至15Mbit/s 不等，直接通信距離可達(dá)到2700m(78kbit/s，雙絞線)，支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。目前，Lonworks主要應(yīng)用于工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)等，國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于電力自動(dòng)化和樓宇自動(dòng)化方面，其具有如下特點(diǎn)[2]。

　　(1) Lonworks技術(shù)核心是神經(jīng)元芯片(Neuron chip)，該芯片具備通信和控制功能，并且固化了150/051的全部7層通信協(xié)議，以及 34種常見(jiàn)的1/0 控制對(duì)象。

　　(2) 采用一種基于載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/介質(zhì)訪問(wèn)控制(CSMA/MAC)的新型通信模式，稱為帶預(yù)測(cè)的P-Persistent CSMA算法，有效地避免了網(wǎng)絡(luò)的頻繁碰撞，可在重負(fù)載的情況下保持網(wǎng)絡(luò)通訊性能。

　　(3) LonworkS使用網(wǎng)絡(luò)變量與其它節(jié)點(diǎn)通信，使網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化成為參數(shù)設(shè)置，從而大大簡(jiǎn)化了復(fù)雜的分布式應(yīng)用編程，提高了通信的可靠性。

　　(4)通信的每幀有效字節(jié)可以從。到 228 個(gè)字節(jié)。

　　(5)通信速度可達(dá)1.25 Mbit/S(有效距離為130m)。

　　(6)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到32000個(gè)。

　　(7)直接通信距離可以達(dá)到270Om(雙絞線，通信速率 78 kbit/S)。

　　(8)針對(duì)不同的通信介質(zhì)有不同的收發(fā)器和路由器。

　　(9) Lonworks網(wǎng)絡(luò)支持總線型、星型、自由拓樸等多種拓樸結(jié)構(gòu)，極大地方便了控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

　　1.2 Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線

　　ProfibuS為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，其最大傳輸速率為12 Mbit/s，傳輸距離為100m和400m，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)，主要應(yīng)用于制造業(yè)、過(guò)程、發(fā)電、輸配電、樓宇、鐵路交通等控制。

　　1.3 CANBUS

　　CAN 是控制網(wǎng)絡(luò)ControlAreaNetwork的簡(jiǎn)稱，其總線規(guī)范現(xiàn)已被150國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。CANBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線主要應(yīng)用于汽車制造、公共交通車輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/0 。另外，在電梯、醫(yī)療器械、工具機(jī)床、樓宇自動(dòng)化等方面均有所應(yīng)用。

　　2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在廠用電電氣全通信模式中的應(yīng)用

　　FECS的目標(biāo)是利用數(shù)字化廠用電監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化控制，其使用范圍是發(fā)一變組電氣系統(tǒng)、廠用電電氣系統(tǒng)等設(shè)備的監(jiān)控。電氣系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控以母線、變壓器、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)的電氣單元開(kāi)關(guān)(斷路器及相關(guān)隔離、接地刀閘為一個(gè)間隔單元)為控制對(duì)象。本文以2臺(tái)600MW機(jī)組FECS為例，介紹采用LonWorkS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在FECS中的應(yīng)用。

　　2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　FECS 采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1中，系統(tǒng)由2套FECS組成，其中1套系統(tǒng)包括1號(hào)機(jī)組和公用系統(tǒng)，另1套包括2號(hào)機(jī)組和公用系統(tǒng)。

　　由圖1中可見(jiàn)，F(xiàn)ECS采用分層分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)自上而下分為站控層、分布控制層和間隔層3層。分布控制層和間隔層設(shè)備可分散配置，易于設(shè)備維護(hù)和系統(tǒng)擴(kuò)展;站控層和分布控制層之間的網(wǎng)絡(luò)采用1000 Mbit/s/100 Mbit/s以太網(wǎng);分布控制層和間隔層之間采用 Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。

　　站控層是整個(gè)系統(tǒng)的控制管理中心，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、處理、顯示、監(jiān)視功能，經(jīng)過(guò)授權(quán)對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行控制。站控層對(duì)DCS/FCS完全開(kāi)放，提供電氣設(shè)備管理和操作功能。

　　分布控制層是FECS的核心層，由主控單元組成，主控單元集監(jiān)控子站、終端設(shè)備管理機(jī)和通信管理機(jī)等于一體，完成站控層和間隔層之間的實(shí)時(shí)信息交換，實(shí)現(xiàn)與DCS、調(diào)度中心的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠電氣邏輯控制功能。這樣，既保持了DCS集散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，又采納了FCS的實(shí)現(xiàn)原則。分布控制層采用LonworkS網(wǎng)絡(luò)，即主控單元和間隔層的繼電保護(hù)裝置之間采用Lonwork網(wǎng)絡(luò)。

　　間隔層由各種保護(hù)測(cè)控裝置和智能設(shè)備組成，完成就地電氣設(shè)備的保護(hù)、測(cè)量、控制功能，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式與分布控制層通信。間隔層裝置組成的 LonworkS 網(wǎng)絡(luò)，由于是總線型網(wǎng)絡(luò)，很容易實(shí)現(xiàn)冗余雙網(wǎng)絡(luò)。采用主動(dòng)上送式規(guī)約，具有變化量突發(fā)上送的功能，實(shí)時(shí)性好，占用信道帶寬少，響應(yīng)速度較快。

　　2.2 工藝流程組網(wǎng)方式

　　在全通信模式中，間隔層的組網(wǎng)方式采用工藝流程組網(wǎng)(圖2)，即按照DCS中DPU的配置來(lái)配置主控單元，把與熱工生產(chǎn)流程密切相關(guān)的保護(hù)、測(cè)控裝置(6kV和380V)組成的Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)接人主控單元。主控單元與DCS DPU一一對(duì)應(yīng)，其它智能設(shè)備通過(guò)一對(duì)主控單元接入系統(tǒng)，同時(shí)將智能設(shè)備信息通過(guò)主控單元輸入DCS 。采用工藝流程組網(wǎng)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，可適應(yīng)DCS控制邏輯的工藝聯(lián)鎖需要;采用LonworkS網(wǎng)絡(luò)，繼電保護(hù)裝置以分布式I/0的方式參與DCS控制;采用通信的方式與DPU交換數(shù)據(jù)，減少了硬接線，節(jié)省了投資，提高了發(fā)電廠監(jiān)控的信息量。

　　2.3 數(shù)據(jù)信息處理功能

　　(1)事故分析信息管理中包括告警信息管理、保護(hù)信息管理、系統(tǒng)日志信息管理、裝置故障錄波管理、系統(tǒng)事故順序記錄( S OE )管理、主控單元操作記錄管理。

　　(2)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程錄波，可以根據(jù)波形分析電動(dòng)機(jī)及控制閥的故障和狀態(tài)。

　　(3)機(jī)組發(fā)電量統(tǒng)計(jì)、變壓器負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)、損耗統(tǒng)計(jì)、廠用電回路的功率因數(shù)和發(fā)電機(jī)功率因數(shù)及電度量分時(shí)統(tǒng)計(jì)、廠用電率統(tǒng)計(jì)等。

　　(4)系統(tǒng)控制權(quán)切換管理。FECS與DCS一體化控制中涉及到DCS、FECS 2個(gè)系統(tǒng)的控制權(quán)限，F(xiàn)ECS控制權(quán)管理功能基于IEC61131-3邏輯模塊，控制權(quán)管理可以根據(jù)用戶組態(tài)，在任意一個(gè)系統(tǒng)上完成控制操作及控制權(quán)限的切換。主控單元可以記錄必要控制操作信息，以保證電氣控制系統(tǒng)(ECS)、DCS以及其它控制系統(tǒng)之間的控制權(quán)限的可靠切換以及控制操作的安全管理。

　　2.4 與DCS實(shí)現(xiàn)一體化控制

　　電氣設(shè)備以分布式I/0的形式參與DCS控制，這就涉及到FECS和DCS信息的交換。在FECS設(shè)計(jì)中，采用了2種方式與DCS交換數(shù)據(jù)(圖3)，一種是主控單元與DPU之間通信;另一種是轉(zhuǎn)發(fā)工作站和DCS后臺(tái)之間通信?，F(xiàn)場(chǎng)總線/工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)中采取以下措施保證通信的可靠性：

　　(1) 冗余措施 通信網(wǎng)絡(luò)的冗余和通信單元的冗余，保證在單一網(wǎng)絡(luò)或者通信單元故障的情況下數(shù)據(jù)能夠正常正確地傳輸。

　　(2) 校驗(yàn)措施 在通信機(jī)制和通信數(shù)據(jù)上的校驗(yàn)，保證了在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中因干擾產(chǎn)生誤碼或者數(shù)據(jù)丟失時(shí)不影響數(shù)據(jù)的正確性。

　　(3) 診斷和自檢措施 運(yùn)行過(guò)程中對(duì)通信單元、通信接口在線進(jìn)行診斷和自檢，發(fā)現(xiàn)異常則進(jìn)行切換或者報(bào)警。

　　(4) 全廠控制權(quán)管理 FECS和DCS的信息交換全部采用通信方式，從而減少控制電纜。FECS參與DCS控制的范圍由純電氣部分的控制(例如電源控制)擴(kuò)展為對(duì)6kV、380V電動(dòng)機(jī)的控制。FECS作為DCS的子系統(tǒng)參與控制，完成電氣實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和控制功能。

　　2.5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

　　將 2×600MW機(jī)組常規(guī)控制方案與2×600MW基于現(xiàn)場(chǎng)總線的FECS方案進(jìn)行對(duì)比表明：

　　(1) FECS設(shè)計(jì)方案的綜合技術(shù)性能水平高，信息量是常規(guī)應(yīng)用方式的2倍;電氣信息量是傳統(tǒng)硬接線的10倍以上。

　　(2) FECS豐富的信息為發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和檢修維護(hù)提供了依據(jù)，提高了電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性。

　　(3) 采用FECS方案，節(jié)省大量電纜、變送器、占地面積、檢修維護(hù)費(fèi)用。

　　(4) 采用FECS方案，實(shí)現(xiàn)了管控一體化。

　　3 發(fā)電廠中各種現(xiàn)場(chǎng)總線的互聯(lián)

　　發(fā)電廠中常用的現(xiàn)場(chǎng)總線有：LonworkS、Profibus、CANBUS，此外還有PLC控制系統(tǒng)比較常用的Modbus和CC-Link總線等。支持同一種現(xiàn)場(chǎng)總線的不同設(shè)備之間可進(jìn)行互聯(lián)，而不同種類的現(xiàn)場(chǎng)總線不能進(jìn)行互聯(lián)。對(duì)此，瑞士 HMS 公司提供了將不同工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)的產(chǎn)品使不同種類的現(xiàn)場(chǎng)總線接人任意主流工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。目前，發(fā)電廠中不同現(xiàn)場(chǎng)總線之間可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)或者通過(guò) OPC 協(xié)議進(jìn)行互聯(lián)。本文采用主控單元實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)總線之間的互聯(lián)(圖2)。

　　[1] 侯子良.推廣應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)火電廠數(shù)字化[J].中國(guó)電力，2004,37(3).

　　[2] 美國(guó) Echelon公司.Neuron Chip Data Book[Z].1995.