現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在火電廠的成功嘗試

　　現(xiàn)場總線技術(shù)自80年代末至90年代初, 逐步形成第五代過程控制體系結(jié)構(gòu)(現(xiàn)場總線制式FCS：Fieldbus Control System)，F(xiàn)CS在國外的制造、石化、樓宇等行業(yè)應用較廣泛，在國內(nèi)石化、化工、冶金等過程控制領域也開始推廣。到目前為止，國外火電廠FCS仍以中、小型工程的示例居多，完整FCS網(wǎng)絡應用于大型電站的示例目前只有德國尼德豪森電廠的報道。在國內(nèi)，個別電廠部分設備和局部系統(tǒng)采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，但缺乏完整系統(tǒng)的應用示例。

　　華能玉環(huán)電廠4×1000MW超超臨界燃煤機組水處理控制系統(tǒng)采用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)，進行了全新的設計、開發(fā)、試驗、安裝、調(diào)試。該系統(tǒng)完全按照現(xiàn)場總線技術(shù)的設計理念，構(gòu)建了監(jiān)控層網(wǎng)絡(冗余工業(yè)以太網(wǎng))、控制層網(wǎng)絡(冗余Profibus光環(huán))和現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡(Profibus-DP,PA);系統(tǒng)中采用了多種現(xiàn)場總線智能儀表和設備，并集成不同公司的Profibus產(chǎn)品，實現(xiàn)互聯(lián)和互操;開發(fā)了中文界面的信息診斷和設備管理軟件，充分利用現(xiàn)場總線儀表和設備提供的狀態(tài)和診斷信息，發(fā)揮現(xiàn)場總線技術(shù)本質(zhì)的優(yōu)越性。該套FCS系統(tǒng)已于2006年2月底投入穩(wěn)定、長期運行。

　　一、華能玉環(huán)電廠Profibus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

　　華能玉環(huán)電廠水處理FCS控制和監(jiān)視系統(tǒng)，包含了鍋爐補給水處理和工業(yè)廢水處理兩個子系統(tǒng)。兩個子系統(tǒng)各配置一對冗余PLC控制器(西門子 S7-417H)，冗余控制器通過冗余Profibus-DP光環(huán)與現(xiàn)場冗余通訊鏈路器(Y-LINK)相聯(lián)?，F(xiàn)場Y-LINK產(chǎn)生的Profibus-DP支路掛接DP通訊接口的儀表、控制單元;通過DP/PA耦合器產(chǎn)生Profibus-PA支路，掛接現(xiàn)場的PA變送器。鍋爐補給水和廢水處理各自的PLC控制器形成2個獨立的主控Profibus-DP冗余光環(huán)。廢水控制系統(tǒng)的控制器通過冗余光纖聯(lián)到鍋爐補給水控制機柜內(nèi)的交換機上。水處理FCS控制監(jiān)視系統(tǒng)配置2個操作員站，1個工程師站(可兼操作員站)，安裝在鍋爐補給水控制室。操作員站、工程師站、控制站通過工業(yè)級交換機連接到雙星型工業(yè)以太網(wǎng)中。

　　由于目前Profibus-DP和PA儀表和設備均無冗余通訊接口，因此在儀表和設備相對集中的現(xiàn)場設計DP或PA支路，連接這些設備。而不同區(qū)域之間的DP、PA支路，通過Y-LINK接入冗余DP光環(huán)。這樣既保證了電廠通訊網(wǎng)絡的可靠性，又滿足了Profibus現(xiàn)場總線設備的通訊條件。水處理FCS監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡總體結(jié)構(gòu)如圖1-1所示?！　?/p>

　　圖1-1華能玉環(huán)電廠水處理FCS監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡總體示意圖

　　在Profibus-DP支路上連接了四類DP儀表和設備：超聲波液位計(單點或雙點)、電機保護和控制單元(SIMOCODE)、變頻器、開關量控制單元(ET200x)及氣動閥島。在Profibu-PA支路上連接了三類PA儀表：差壓(流量)變送器、壓力變送器、磁翻板液位變送器。這些儀表和設備來自西門子、ABB、FESTO(費斯托)等國外公司和上海某儀表公司。

　　二、現(xiàn)場總線儀表和設備的應用

　　國際上有上百家公司支持Profibus標準，生產(chǎn)符合該現(xiàn)場總線國際標準的產(chǎn)品。集成和應用現(xiàn)場總線儀表和設備是FCS的關鍵技術(shù)之一，特別是實現(xiàn)不同公司產(chǎn)品的互聯(lián)、互操具有重要的工程意義。以下簡要介紹幾類典型的Profibus設備和儀表的集成和組態(tài)。

　　2.1電機保護和控制單元(SIMOCODE)

　　SIMOCODE具有Profibus-DP通訊接口，通過軟件組態(tài)可實現(xiàn)對電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制，還具有過流報警、過流和堵轉(zhuǎn)保護跳閘、起動曲線設定、過流冷卻保護等功能。通過Profibus網(wǎng)絡，能夠在工程師站對SIMOCODE進行監(jiān)視、調(diào)整參數(shù)和修改軟件組態(tài)。

　　SIMOCODE通過DP總線與控制器交換的數(shù)據(jù)能夠組態(tài)設定，循環(huán)周期通訊數(shù)據(jù)可組態(tài)為輸出4字節(jié)，輸入4～12字節(jié)。我們根據(jù)現(xiàn)場設備配備的實際情況，組態(tài)了4字節(jié)輸入和4字節(jié)輸出(循環(huán)周期通訊數(shù)據(jù))，讀入非循環(huán)周期通訊數(shù)據(jù)20字節(jié)，包括報警、診斷、統(tǒng)計數(shù)據(jù)，用于信息診斷和設備管理。

　　控制邏輯向SIMOCODE發(fā)出的的控制指令字節(jié)，包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、過載測試、緊急啟動、就地手動/遠方自動、故障復位、CPU故障/正常;控制器讀入SIMOCODE的反饋字節(jié)，包括電機電流(模擬量，2字節(jié))、電機運行、停止、過載報警、就地手動/遠方自動、電氣總報警、電氣總故障、接觸器異常失電、母線電壓低、斷路器保護跳閘。我們利用SIMOCODE的智能控制，組態(tài)了現(xiàn)場的保護跳閘功能：接觸器異常失電、母線電壓低、斷路器斷開等條件出現(xiàn)，即刻自動跳閘電動機，不需要控制器的指令。

　　2.2 開關量控制單元(ET200x)和閥島

　　ET200X是一種分布式I/O控制單元，設計的保護等級為IP65/IP67。在系統(tǒng)中，它作為DP從站，需要通過編程與控制器主站進行數(shù)據(jù)交換。ET200x(西門子)輸出指令控制閥島模塊(FESTO公司)，實現(xiàn)對氣動閥門的控制。我們定義了4字節(jié)輸入和4字節(jié)輸出，包含了氣動閥門的控制指令和氣動閥的開、關反饋。每個氣動閥門電磁閥箱中，配置一套ET200x和閥島單元。

　　ET200x可通過2組DP通訊接口與DP主站交換數(shù)據(jù)，經(jīng)過實驗室和現(xiàn)場多次研究和試驗，實現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠的通訊。

　　2.3差壓和壓力變送器

　　采用了ABB公司的Profibus- PA 現(xiàn)場總線儀表。在國內(nèi)以往的工程中，西門子設備與ABB公司現(xiàn)場總線儀表沒有集成在一個系統(tǒng)中運行的經(jīng)驗，所以系統(tǒng)建立之初出現(xiàn)了通訊無法建立的現(xiàn)象。經(jīng)過研究、試驗，解決了通訊協(xié)議、接口和電子描述軟件匹配的問題，并進行硬件設置調(diào)整，最終建立了穩(wěn)定的通訊。

　　經(jīng)過組態(tài)，PA差壓和壓力變送器在循環(huán)數(shù)據(jù)通訊中向DP主站傳送10字節(jié)數(shù)據(jù)，分為2組。第1組5字節(jié)是流量或差壓測量值(浮點數(shù))及其狀態(tài)。第2組5字節(jié)為差壓或溫度測量值及其狀態(tài)。狀態(tài)字節(jié)共8位分三段，分別表示測量值質(zhì)量好、壞或值不確定三類狀態(tài)，在每類狀態(tài)中還細分為多個子狀態(tài)。磁翻板液位變送器的輸入數(shù)據(jù)為5字節(jié)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與上述相似。

　　根據(jù)變送器的循環(huán)數(shù)據(jù)通訊，開發(fā)了中文界面的狀態(tài)、診斷信息功能。

　　三、中文界面的現(xiàn)場實時信息診斷和設備管理軟件

　　現(xiàn)場總線技術(shù)的本質(zhì)性優(yōu)點在于突破了信號傳輸?shù)?ldquo;點對點”模式，現(xiàn)場儀表和設備能夠與主控單元、HMI進行雙向數(shù)據(jù)傳輸。豐富的數(shù)據(jù)需要實用的軟件進行處理、分析和綜合成為有用的信息，實現(xiàn)高層次的診斷、管理、優(yōu)化功能。

　　在華能玉環(huán)電廠水處理FCS系統(tǒng)中，采用了西門子公司的SIMATIC PDM(過程設備管理)軟件用于PA儀表管理。PDM軟件有一定的局限性，表現(xiàn)在：①PDM是基于EDD標準的軟件，儀表生產(chǎn)商必須開發(fā)和提供EDD軟件，才能被PDM管理，如超聲波液位計不能提供EDD就無法管理;②PDM軟件需要人工激活，無法自動循環(huán)采集現(xiàn)場儀表和設備狀態(tài)和診斷信息;③PDM軟件界面沒有漢化。針對上述存在的問題，在本項目中設計并開發(fā)了適合火電廠運行及熱工維護人員使用的“化水和廢水系統(tǒng)信息診斷和設備管理軟件”。該軟件分別在下位控制器和上位工程師站、操作員站運行，上位機畫面使用IFIX3.5設計友好的中文人機界面，使電廠運行和熱工維護人員比較容易掌握、便于使用。

　　該軟件分兩部分，一部分運行在控制器CPU，自動完成循環(huán)通訊數(shù)據(jù)采集，還可根據(jù)工程師站的指令，完成非循環(huán)通訊數(shù)據(jù)的采集，然后對數(shù)據(jù)進行處理和分析成為狀態(tài)和診斷信息。這些信息通過OPC通訊方式存儲到工程師站的數(shù)據(jù)庫中。軟件的另一部分運行在工程師站和操作員站，如OPC通訊、圖形處理、指令處理等。呈現(xiàn)在運行和維護人員面前的是中文界面的狀態(tài)診斷信息和遠程設備管理的窗口。

　　3.1變送器信息和診斷

　　如2.3節(jié)所述，差壓變送器的循環(huán)數(shù)據(jù)通訊有10字節(jié)，分為2組。如某變送器定義在控制器內(nèi)存中映射地址I524～I533。它們代表變送器測量的2個物理量及其狀態(tài)。第1組I524～I527是第一測量值(浮點數(shù))，I528是其狀態(tài)值。第2組I529～I532為第二測量值，I533是其狀態(tài)。狀態(tài)字節(jié)共8位分三段，分別表示測量值質(zhì)量好、壞或值不確定三類狀態(tài)，分析每類狀態(tài)中的子狀態(tài)，設計了中文界面的狀態(tài)、診斷信息窗。“質(zhì)量好”的子狀態(tài)包括正常、高1/高2報警、低1/低2報警、事件更新;“質(zhì)量壞”子狀態(tài)包括設置錯誤、設備故障;“值不確定”子狀態(tài)包括超出范圍、設備重啟未更新、手動模擬狀態(tài)、補償傳感器失靈。中文界面窗口見圖3-1。

　　圖3-2 變送器信息診斷窗口

　　3.2 超聲波液位計診斷信息和管理

　　超聲波液位計由于不具備EDD文件，所以PDM軟件無法管理。在研究了該設備通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎上，編程組態(tài)了循環(huán)周期通訊數(shù)據(jù)-輸出7個字，輸入10個字，開發(fā)了狀態(tài)診斷信息顯示和遠程參數(shù)設置的功能。中文界面窗口見圖3-2。該軟件功能使運行和熱工維護人員能夠在集控室監(jiān)視儀表的運行狀況，進行參數(shù)檢查和維護設置。這樣不僅減輕了勞動強度，提高了工作效率，而且增強了系統(tǒng)的可靠性和可維護性?！　?/p>

　　圖3-2 超聲波液位計診斷和管理窗口

　　3.3 電機控制和保護單元(SIMOCODE)

　　利用其循環(huán)通訊數(shù)據(jù)，形成了狀態(tài)和診斷信息，這些信息包括：正、反轉(zhuǎn)、停止、自動/手動、過載報警、電氣報警、電氣故障等狀態(tài)，以及斷路器保護跳閘、斷路器異常失電、母線電壓低等電機跳閘原因。模擬量為電動機電流。這些信息顯示在供運行員使用的窗口中(參見圖3-3)。