現(xiàn)場總線應(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)實現(xiàn)的，因此帶來了其自身的局限性。近年來，隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)，現(xiàn)場總線控制系統(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，依靠現(xiàn)場智能設(shè)備實現(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)場總線系統(tǒng)[l]。

　　1 現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用

　　現(xiàn)場總線是用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(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)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)，其技術(shù)特點：(l)現(xiàn)場總線的通信協(xié)議都是公開的，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)場設(shè)備可以完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài);(4)現(xiàn)場總線是一種構(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)對現(xiàn)場環(huán)境有較強的適應(yīng)性，具有較強的抗干擾能力。

　　1.1 Lonworks

　　Lonworks由美國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)計方法，支持完全分布式的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，是開放且可互操作控制系統(tǒng)的一個技術(shù)平臺。誼過網(wǎng)絡(luò)變量，把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(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，國內(nèi)主要應(yīng)用于電力自動化和樓宇自動化方面，其具有如下特點[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種常見的1/0 控制對象。

　　(2) 采用一種基于載波偵聽多路訪問/介質(zhì)訪問控制(CSMA/MAC)的新型通信模式，稱為帶預(yù)測的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)點通信，使網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計簡化成為參數(shù)設(shè)置，從而大大簡化了復(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 個字節(jié)。

　　(5)通信速度可達1.25 Mbit/S(有效距離為130m)。

　　(6)測控網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點數(shù)可以達到32000個。

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

　　(8)針對不同的通信介質(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)場總線

　　ProfibuS為德國國家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲國家標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線標(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個站點，主要應(yīng)用于制造業(yè)、過程、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的簡稱，其總線規(guī)范現(xiàn)已被150國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)。CANBUS 現(xiàn)場總線主要應(yīng)用于汽車制造、公共交通車輛、機器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/0 。另外，在電梯、醫(yī)療器械、工具機床、樓宇自動化等方面均有所應(yīng)用。

　　2 現(xiàn)場總線技術(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)運行監(jiān)控以母線、變壓器、發(fā)電機、電動機的電氣單元開關(guān)(斷路器及相關(guān)隔離、接地刀閘為一個間隔單元)為控制對象。本文以2臺600MW機組FECS為例，介紹采用LonWorkS現(xiàn)場總線技術(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號機組和公用系統(tǒng)，另1套包括2號機組和公用系統(tǒng)。

　　由圖1中可見，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)備維護和系統(tǒng)擴展;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)場總線網(wǎng)絡(luò)。

　　站控層是整個系統(tǒng)的控制管理中心，完成對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、處理、顯示、監(jiān)視功能，經(jīng)過授權(quán)對電氣設(shè)備進行控制。站控層對DCS/FCS完全開放，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)備管理機和通信管理機等于一體，完成站控層和間隔層之間的實時信息交換，實現(xiàn)與DCS、調(diào)度中心的數(shù)據(jù)交換，同時可以實現(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)計思想，又采納了FCS的實現(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裝置之間采用Lonwork網(wǎng)絡(luò)。

　　間隔層由各種保護測控裝置和智能設(shè)備組成，完成就地電氣設(shè)備的保護、測量、控制功能，通過現(xiàn)場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)，很容易實現(xiàn)冗余雙網(wǎng)絡(luò)。采用主動上送式規(guī)約，具有變化量突發(fā)上送的功能，實時性好，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的配置來配置主控單元，把與熱工生產(chǎn)流程密切相關(guān)的保護、測控裝置(6kV和380V)組成的Lonworks現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)接人主控單元。主控單元與DCS DPU一一對應(yīng)，其它智能設(shè)備通過一對主控單元接入系統(tǒng)，同時將智能設(shè)備信息通過主控單元輸入DCS 。采用工藝流程組網(wǎng)，提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性，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)實現(xiàn)電動機的起動過程錄波，可以根據(jù)波形分析電動機及控制閥的故障和狀態(tài)。

　　(3)機組發(fā)電量統(tǒng)計、變壓器負荷率統(tǒng)計、損耗統(tǒng)計、廠用電回路的功率因數(shù)和發(fā)電機功率因數(shù)及電度量分時統(tǒng)計、廠用電率統(tǒng)計等。

　　(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后臺之間通信。現(xiàn)場總線/工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計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) 校驗措施 在通信機制和通信數(shù)據(jù)上的校驗，保證了在數(shù)據(jù)傳輸過程中因干擾產(chǎn)生誤碼或者數(shù)據(jù)丟失時不影響數(shù)據(jù)的正確性。

　　(3) 診斷和自檢措施 運行過程中對通信單元、通信接口在線進行診斷和自檢，發(fā)現(xiàn)異常則進行切換或者報警。

　　(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)擴展為對6kV、380V電動機的控制。FECS作為DCS的子系統(tǒng)參與控制，完成電氣實時數(shù)據(jù)采集和控制功能。

　　2.5 技術(shù)經(jīng)濟性分析

　　將 2×600MW機組常規(guī)控制方案與2×600MW基于現(xiàn)場總線的FECS方案進行對比表明：

　　(1) FECS設(shè)計方案的綜合技術(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)濟運行和檢修維護提供了依據(jù)，提高了電廠運行的經(jīng)濟性、安全性。

　　(3) 采用FECS方案，節(jié)省大量電纜、變送器、占地面積、檢修維護費用。

　　(4) 采用FECS方案，實現(xiàn)了管控一體化。

　　3 發(fā)電廠中各種現(xiàn)場總線的互聯(lián)

　　發(fā)電廠中常用的現(xiàn)場總線有：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)場總線的不同設(shè)備之間可進行互聯(lián)，而不同種類的現(xiàn)場總線不能進行互聯(lián)。對此，瑞士 HMS 公司提供了將不同工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)的產(chǎn)品使不同種類的現(xiàn)場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)場總線之間可以通過網(wǎng)關(guān)或者通過 OPC 協(xié)議進行互聯(lián)。本文采用主控單元實現(xiàn)不同協(xié)議現(xiàn)場總線之間的互聯(lián)(圖2)。

　　[1] 侯子良.推廣應(yīng)用現(xiàn)場總線系統(tǒng)全面實現(xiàn)火電廠數(shù)字化[J].中國電力，2004,37(3).

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