現(xiàn)場總線的監(jiān)控系統(tǒng)的理論與實踐

　　儀電一體化火電廠監(jiān)控系統(tǒng)是集火電廠生產(chǎn)工藝自動控制、工藝運行操作監(jiān)視、電氣設(shè)備運行操作監(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化解決方案。統(tǒng)一在同一平臺下的各級系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)暢通的地互聯(lián)并各取所需，帶來的效益不僅在于原有數(shù)據(jù)孤島的消失，避免了測點的重復(fù)建設(shè)，還在于火電廠整體自動化水平的提高，更利于大型機組的建設(shè)、運行及維護。

　　火電廠電氣微機監(jiān)控系統(tǒng)(ECS)的功能是：實現(xiàn)對火電廠內(nèi)電氣設(shè)備的運行狀況的監(jiān)視;實現(xiàn)對火電廠內(nèi)電氣配送電方式的改變;實現(xiàn)對火電廠內(nèi)電氣設(shè)備運行中出現(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)生實質(zhì)性變化，僅在監(jiān)控對象的數(shù)量，、信息量的類型上，、系統(tǒng)實時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)實現(xiàn)的通行模式為DCS+ECS。，即硬接線+通訊共同實現(xiàn)對火電廠電氣設(shè)備的監(jiān)控功能，見圖1?！　?/p>

　　DCS通過硬接線接入電氣設(shè)備的基本控制信號(合分閘操作)、測量信號(開關(guān)狀態(tài)、變送器轉(zhuǎn)發(fā)模擬量)，對電氣設(shè)備的控制功能及基本信息監(jiān)視(開關(guān)狀態(tài)監(jiān)視、運行電流)在DCS實現(xiàn)。ECS采用現(xiàn)場總線技術(shù)將位于就地開關(guān)柜上的保護測控裝置內(nèi)的信息接入到系統(tǒng)中，并通過與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)將更加豐富的電氣設(shè)備運行工況信息傳輸給DCS。這種實現(xiàn)方式雖然節(jié)省了部分現(xiàn)場硬接線和就地變送器，但依然存在由于測點信息不全面，加之DCS在電氣信息采集監(jiān)控及信息管理方面不足的問題。因此，其監(jiān)控功能只局限于有限的DAS點監(jiān)測及遙控操作，自動化水平較低，從而無法實現(xiàn)對全廠電氣設(shè)備實現(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)一在一個工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)平臺下來實現(xiàn)并使之能夠互動，對于提高電廠設(shè)備自動化運行水平，提高電廠設(shè)備管理維護工作效率，為電廠提供質(zhì)優(yōu)價廉的一體化監(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)這一市場需求，提出了在火電廠實現(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)平臺實現(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)的平臺統(tǒng)一，消除數(shù)據(jù)孤島，增強兩大系統(tǒng)間的互動，還電廠一個完整的生產(chǎn)監(jiān)控運行模式。經(jīng)過二年多的理論探索和實踐終于推出了在儀電一體化技術(shù)基礎(chǔ)上以現(xiàn)場總線技術(shù)實現(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)實現(xiàn)的DCS一同成功地實現(xiàn)了商業(yè)運行。

　　二、通訊ECS

　　硬接線+通訊共同實現(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”模式下的一種變通的節(jié)省成本的過渡方案，是現(xiàn)場總線技術(shù)于DCS電氣監(jiān)控部分的一種應(yīng)用，但僅是基于現(xiàn)場總線技術(shù)實現(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為何不能獨立全面地完成火電廠電氣監(jiān)控功能呢?

　　2.1 難于實現(xiàn)現(xiàn)場總線技術(shù)下火電廠ECS的原因

　　為了滿足對生產(chǎn)工藝控制的要求，DCS必須實現(xiàn)對電氣設(shè)備(負荷設(shè)備)的控制。因為這些配電設(shè)備既是工藝控制的一個基礎(chǔ)又是工藝控制系統(tǒng)的重要組成部分，所以電氣設(shè)備特別是廠用電負荷設(shè)備的運行工況及控制對實現(xiàn)生產(chǎn)工藝要求有很大影響，在實際應(yīng)用中很難把工藝控制與對電氣設(shè)備的操作分開。加之DCS推廣應(yīng)用時，基于現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)的變電站綜自系統(tǒng)才剛剛起步，除了采用當時的DCS平臺來實現(xiàn)電氣監(jiān)控并無更好的自動化解決方案。

　　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實現(xiàn)互動。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)橋才能實現(xiàn)，而不能在對等的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實現(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)場數(shù)據(jù)中只有少部分通過ECS傳輸至DCS，而重要的控制數(shù)據(jù)無法放心地交由系統(tǒng)間通訊完成，依然采用硬接線來實現(xiàn)。

　　由此可見，解決ECS在火電廠電氣監(jiān)控方面的深入應(yīng)用必須實現(xiàn)其與DCS的互動。ECS與DCS的互動應(yīng)當通過多層次、對等的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來實現(xiàn)。為了便于這種互動的實現(xiàn)，不但應(yīng)當將ECS與DCS統(tǒng)一在同一系統(tǒng)平臺下，還應(yīng)當保證在這一平臺下的多層次對等網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的各向數(shù)據(jù)交換都可靠通暢，見圖2?！　?/p>

　　2.2 獨立實現(xiàn)火電廠電氣監(jiān)控功能的全通訊ECS

　　ECS作為獨立的火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)而存在，必先解決DCS實現(xiàn)工藝控制對電氣設(shè)備監(jiān)控的需要。DCS對電氣設(shè)備監(jiān)控的需要主要集中在用電負荷設(shè)備上，并且所需測點類型基于以下幾種：

　　控制操作(DO)―― 遙控分合閘;

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

　　運行監(jiān)視(AI) ―― 負荷電流、功率、母線電壓等。

　　以上測點中僅有DO/DI參與直接的邏輯控制。AI量則為運行人員判斷負荷運行狀況的輔助參數(shù)，并不直接參與DCS中DPU的邏輯控制計算，只在運行界面上進行觀察。以上幾種數(shù)據(jù)恰是ECS通過就地保護測控設(shè)備采集交換的基本數(shù)據(jù)。

　　從數(shù)據(jù)的完整性上說，完全可以通過ECS傳輸給DCS。為達到數(shù)據(jù)傳輸或交換的實時性要求，采用對等網(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。具體實現(xiàn)方式是：DO/DI數(shù)據(jù)的交換采用DPU與通訊管理機之間的通訊來實現(xiàn);對于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操作員站的方式進行傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向見圖3。　　

　　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)一在一個系統(tǒng)平臺中使得ECS在系統(tǒng)服務(wù)器級向DCS無縫傳輸數(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，在間隔層采用對等網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了DPU與通訊管理機的數(shù)據(jù)交換。DPU所需參與邏輯控制的電氣設(shè)備DO/DI測點不是從通訊管理機發(fā)出就是從通訊管理機取來，取消了DCS電氣部分的硬接線。DPU與通訊管理機實現(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)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。DPU與通訊管理機通訊無論是一對一還是一對多的方式，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)量亦或網(wǎng)絡(luò)連接的數(shù)量上來說都是極少的。依據(jù)此需求定制的雙向通訊系統(tǒng)無論從實時性還是可靠性上都能得到良好的保障。盡管如此，對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入DCS，或由專用的自動裝置來直接實現(xiàn)，如重要設(shè)備的聯(lián)鎖保護(鍋爐保護、汽機保護)、保安電源的自動投切等。

　　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)并無直接聯(lián)系，因此完全可以獨立在ECS中實現(xiàn)。實現(xiàn)的方式及功能配置要求與現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)的中低壓變電站綜自系統(tǒng)基本相同。DCS不再配置獨立的電氣專業(yè)的操作站、管理站。ECS配置獨立的電氣操作站、管理站、歷史站、工程師站。ECS完全通過與就地保護測控設(shè)備、保護設(shè)備、采集裝置、自動裝置等電氣二次設(shè)備以通訊的方式對全廠納入監(jiān)控的電氣設(shè)備實現(xiàn)監(jiān)控。ECS的實現(xiàn)架構(gòu)宜按單元機組及公用系統(tǒng)分開配置。

　　三、全通訊ECS的實現(xiàn)基礎(chǔ)

　　全通訊ECS完善地實現(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)場總線的選擇應(yīng)用、與DPU數(shù)據(jù)交換、與DCS通訊三個方面的性能決定了整個全通訊ECS的性能。

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

　　3.1.1 ECS對保護測控裝置通訊的接入以現(xiàn)場總線為宜

　　ECS保護測控裝置通訊的接入以現(xiàn)場總線為宜，原因有三：

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

　　2)現(xiàn)場總線電纜材料及組網(wǎng)成本低廉、保護測控裝置配置現(xiàn)場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)點數(shù)量過于龐大(單元機組的配置可達400臺以上)，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，同時也利于減輕系統(tǒng)服務(wù)器通訊的負擔。

　　3.1.2 兩種中低壓保護測控裝置的組網(wǎng)方案

　　1)按工藝系統(tǒng)分配，通訊管理機與DPU采用一對一方式通訊。這種組網(wǎng)方式與DPU通訊簡潔，且通訊方式靈活，但中低壓保護測控裝置需跨段接入通訊管理機，現(xiàn)場總線組網(wǎng)布線難度較大。

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

　　3.1.3 現(xiàn)場數(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。誠然，在這幾類總線中以RS-485總線的通訊速率最低