現(xiàn)場總線應用于發(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)是由封閉的專用網絡實現(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)采用標準的網絡，組成了新型的全分布式結構，將控制功能徹底向下分散到了現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設備實現(xiàn)基本控制功能，使建立數字化電廠的目標成為可能。發(fā)電廠數字化(數字化電廠)是發(fā)電廠信息化的基礎，而發(fā)電廠數字化的核心是推廣應用現(xiàn)場總線系統(tǒng)[l]。

　　1 現(xiàn)場總線技術的應用

　　現(xiàn)場總線是用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現(xiàn)場智能設備互聯(lián)的通信網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現(xiàn)場及控制設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絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)，其技術特點：(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準的其它設備互聯(lián);(2)系統(tǒng)互可操作性與互用性;(3)現(xiàn)場設備可以完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài);(4)現(xiàn)場總線是一種構成全分布式控制系統(tǒng)的體系結構，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)議及面向對象的設計方法，支持完全分布式的網絡控制技術，是開放且可互操作控制系統(tǒng)的一個技術平臺。誼過網絡變量，把網絡通信設計簡化為參數設置，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，被譽為通用控制網絡。目前，Lonworks主要應用于工業(yè)控制、樓宇自動化、數據采集、數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)等，國內主要應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技術核心是神經元芯片(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/介質訪問控制(CSMA/MAC)的新型通信模式，稱為帶預測的P-Persistent CSMA算法，有效地避免了網絡的頻繁碰撞，可在重負載的情況下保持網絡通訊性能。

　　(3) LonworkS使用網絡變量與其它節(jié)點通信，使網絡通信的設計簡化成為參數設置，從而大大簡化了復雜的分布式應用編程，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)測控網絡上的節(jié)點數可以達到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有不同的收發(fā)器和路由器。

　　(9) Lonworks網絡支持總線型、星型、自由拓樸等多種拓樸結構，極大地方便了控制網絡的構建。

　　1.2 Profibus 現(xiàn)場總線

　　ProfibuS為德國國家標準和歐洲國家標準的現(xiàn)場總線標準，其最大傳輸速率為12 Mbit/s，傳輸距離為100m和400m，傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點，主要應用于制造業(yè)、過程、發(fā)電、輸配電、樓宇、鐵路交通等控制。

　　1.3 CANBUS

　　CAN 是控制網絡ControlAreaNetwork的簡稱，其總線規(guī)范現(xiàn)已被150國際標準組織制訂為國際標準。CANBUS 現(xiàn)場總線主要應用于汽車制造、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用。

　　2 現(xiàn)場總線技術在廠用電電氣全通信模式中的應用

　　FECS的目標是利用數字化廠用電監(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(斷路器及相關隔離、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)場總線技術在FECS中的應用。

　　2.1 系統(tǒng)網絡結構

　　FECS 采用的網絡結構如圖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采用分層分布式結構，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備可分散配置，易于設備維護和系統(tǒng)擴展;站控層和分布控制層之間的網絡采用1000 Mbit/s/100 Mbit/s以太網;分布控制層和間隔層之間采用 Lonworks現(xiàn)場總線網絡。

　　站控層是整個系統(tǒng)的控制管理中心，完成對整個系統(tǒng)的數據收集、處理、顯示、監(jiān)視功能，經過授權對電氣設備進行控制。站控層對DCS/FCS完全開放，提供電氣設備管理和操作功能。

　　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、調度中心的數據交換，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)的設計思想，又采納了FCS的實現(xiàn)原則。分布控制層采用LonworkS網絡，即主控單元和間隔層的繼電保護裝置之間采用Lonwork網絡。

　　間隔層由各種保護測控裝置和智能設備組成，完成就地電氣設備的保護、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 網絡，由于是總線型網絡，很容易實現(xiàn)冗余雙網絡。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，響應速度較快。

　　2.2 工藝流程組網方式

　　在全通信模式中，間隔層的組網方式采用工藝流程組網(圖2)，即按照DCS中DPU的配置來配置主控單元，把與熱工生產流程密切相關的保護、測控裝置(6kV和380V)組成的Lonworks現(xiàn)場總線網絡接人主控單元。主控單元與DCS DPU一一對應，其它智能設備通過一對主控單元接入系統(tǒng)，同時將智能設備信息通過主控單元輸入DCS 。采用工藝流程組網，提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性，可適應DCS控制邏輯的工藝聯(lián)鎖需要;采用LonworkS網絡，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交換數據，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 數據信息處理功能

　　(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和發(fā)電機功率因數及電度量分時統(tǒng)計、廠用電率統(tǒng)計等。

　　(4)系統(tǒng)控制權切換管理。FECS與DCS一體化控制中涉及到DCS、FECS 2個系統(tǒng)的控制權限，F(xiàn)ECS控制權管理功能基于IEC61131-3邏輯模塊，控制權管理可以根據用戶組態(tài)，在任意一個系統(tǒng)上完成控制操作及控制權限的切換。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設計中，采用了2種方式與DCS交換數據(圖3)，一種是主控單元與DPU之間通信;另一種是轉發(fā)工作站和DCS后臺之間通信?，F(xiàn)場總線/工業(yè)以太網設計中采取以下措施保證通信的可靠性：

　　(1) 冗余措施 通信網絡的冗余和通信單元的冗余，保證在單一網絡或者通信單元故障的情況下數據能夠正常正確地傳輸。

　　(2) 校驗措施 在通信機制和通信數據上的校驗，保證了在數據傳輸過程中因干擾產生誤碼或者數據丟失時不影響數據的正確性。

　　(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，完成電氣實時數據采集和控制功能。

　　2.5 技術經濟性分析

　　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設計方案的綜合技術性能水平高，信息量是常規(guī)應用方式的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)電廠的經濟運行和檢修維護提供了依據，提高了電廠運行的經濟性、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)網絡進行互聯(lián)的產品使不同種類的現(xiàn)場總線接人任意主流工業(yè)網絡。目前，發(fā)電廠中不同現(xiàn)場總線之間可以通過網關或者通過 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.推廣應用現(xiàn)場總線系統(tǒng)全面實現(xiàn)火電廠數字化[J].中國電力，2004,37(3).

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