基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的火電廠電氣自動(dòng)化系統(tǒng)
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傳統(tǒng)的電廠電氣監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)方式是由DCS系統(tǒng)經(jīng)I/O板實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣部分的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)方控制。電氣部分特殊控制功能如繼電保護(hù)、故障錄波等都由獨(dú)立的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，與DCS系統(tǒng)無(wú)關(guān)。圖1為傳統(tǒng)電廠電氣監(jiān)控方案，在這個(gè)方案中，DCS的I/O板只能處理標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，模擬量需要經(jīng)過(guò)變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA電流。DCS可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣中的關(guān)鍵少量的信號(hào)的監(jiān)視和控制，但需要大量的電纜和變送器，實(shí)施的成本比較高。
二、電廠電氣自動(dòng)化系統(tǒng)方案
隨著微機(jī)在繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置中的廣泛應(yīng)用，電氣綜合保護(hù)測(cè)控裝置可以實(shí)現(xiàn)基于交流采樣的保護(hù)、測(cè)量、錄波、控制和通信，這些新型的微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置可以非常方便地采用現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)組成網(wǎng)絡(luò)，電廠電氣監(jiān)控也發(fā)展為以交流采樣、數(shù)字通信為主要特點(diǎn)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。
2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介
現(xiàn)場(chǎng)總線(Field Bus)是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)，是計(jì)算機(jī)數(shù)字通信技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用，為底層設(shè)備信息及生產(chǎn)過(guò)程信息集成提供了通信平臺(tái)。工廠底層應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全廠信息縱向集成的透明通信，即從管理層到自動(dòng)化底層的數(shù)據(jù)存取?，F(xiàn)場(chǎng)總線的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式可滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求，即通信的實(shí)時(shí)性和確定性，但是現(xiàn)場(chǎng)總線的通信速率相對(duì)比較低，不適合大量的數(shù)據(jù)傳輸。
2.2 工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介
以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議在IT行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，隨著IEC61158統(tǒng)一現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的失敗，使得工業(yè)控制領(lǐng)域的專家將目標(biāo)轉(zhuǎn)向在IT行業(yè)獲得成功的以太網(wǎng)技術(shù)，以太網(wǎng)具有兼容性好、成本低廉、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)，但是也有實(shí)時(shí)性差、不確定性等問(wèn)題。以太網(wǎng)適合應(yīng)用于大數(shù)據(jù)量，實(shí)時(shí)性要求不是特別高的場(chǎng)合。
2.3 電廠電氣監(jiān)控的特點(diǎn)
電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的范圍包括廠用電系統(tǒng)、網(wǎng)控系統(tǒng)、機(jī)組系統(tǒng)等，其申網(wǎng)控系統(tǒng)可采用目前非常成熟的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)，電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):
·系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量和種類多，信息量大，物理位置分散。要接入的裝置類型包括6kV綜保、380V綜保、發(fā)變組保護(hù)測(cè)控、錄波、勵(lì)磁、同期、廠用電快切、UPS、柴油發(fā)電機(jī)組、安全穩(wěn)定裝置、直流系統(tǒng)等，裝置數(shù)量經(jīng)常是幾百臺(tái)甚至上千臺(tái)，每臺(tái)裝置都有幾百個(gè)信息點(diǎn)，裝置分布在電子設(shè)備司及各個(gè)廠房。
· 與其他系統(tǒng)的接口復(fù)雜，需要與ECS系統(tǒng)接口的其他系統(tǒng)包括機(jī)組的DCS系統(tǒng)、電廠SIS系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)等，而與DCS的接口方式既有硬接線方式，又有通信方式，通信接口方式既有系統(tǒng)級(jí)的接口又有主控單元和DPU級(jí)的接口。
· ECS是DCS系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。
2.4 基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的電廠電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
根據(jù)電廠電氣監(jiān)控的要求以及工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)，電廠電氣自動(dòng)化系統(tǒng)采用以下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，站控層采用工業(yè)以太網(wǎng)，司隔層采用現(xiàn)場(chǎng)總線組網(wǎng)，如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，分為站控層、通信控制層和間隔層，下層的功能不依賴于上層設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)。站控層由主站系統(tǒng)構(gòu)成，是整個(gè)ECS系統(tǒng)的控制管理中心，完成對(duì)整個(gè)ECS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、處理、顯示、監(jiān)視、控制功能。通信控制層不僅完成間隔層裝置和主站系統(tǒng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)與DCS的DPU的數(shù)據(jù)交換，而且可以實(shí)現(xiàn)與電氣相關(guān)的部分邏輯控制功能，通信控制層主要由通信和控制兩個(gè)功能組成。間隔層也叫設(shè)備層或者裝置層，主要由各種保護(hù)測(cè)控裝置和智能設(shè)備組成，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)、串口等方式和上一層主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由兩種網(wǎng)絡(luò)組成，站控層網(wǎng)絡(luò)和間隔層網(wǎng)絡(luò)。
站控層網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)部分功能，一是站控層設(shè)備和通信控制層設(shè)備或間隔層裝置之間的通信，一是站控層各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信。主站系統(tǒng)中有兩個(gè)相互冗余的作為數(shù)據(jù)處理核心的通信服務(wù)器，通信服務(wù)器負(fù)責(zé)通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)、站級(jí)通信規(guī)約與通信控制層的主控單元或者直接與裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與站控層其他主站接口交換數(shù)據(jù)。站控層網(wǎng)絡(luò)采用高速以太網(wǎng)絡(luò)，通信介質(zhì)采用五類雙絞線，當(dāng)距離遠(yuǎn)時(shí)采用光纖。
間隔層網(wǎng)絡(luò)指通信控制層與間隔層裝置之間的通信網(wǎng)絡(luò)，主要采用LON現(xiàn)場(chǎng)總線為基本測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，傳輸通道物理介質(zhì)采用屏蔽雙絞線。LON現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)過(guò)了充分的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)考驗(yàn)，是較理想的自動(dòng)化系統(tǒng)的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。間隔層也可根據(jù)用戶需求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用工業(yè)以太網(wǎng)、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線、RS-485等作為通信網(wǎng)絡(luò)。
系統(tǒng)吸收了DCS系統(tǒng)和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，具有以下特點(diǎn):
·采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，站控層和間隔層分別用工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線組網(wǎng);
·采用雙機(jī)雙網(wǎng)的冗余設(shè)計(jì)，各種關(guān)鍵的主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)均采用熱備冗余方式;
·保護(hù)測(cè)控一體化設(shè)計(jì);
·開(kāi)放的通信系統(tǒng)，支持與各種綜保、智能裝置、DCS系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)的通信接口;
·可根據(jù)用戶的需要按照DCS的生產(chǎn)工藝流程組網(wǎng)，也可按照電氣分段組網(wǎng)。
2.5 電廠電氣自動(dòng)化系統(tǒng)與DCS的接口
采用電氣自動(dòng)化系統(tǒng)后，ECS系統(tǒng)內(nèi)部的信息交換以網(wǎng)絡(luò)通信方式為主，但是ECS與DCS的信息交換還主要采用硬接線方式，主要原因是通信方式還沒(méi)有被廣大用戶和設(shè)計(jì)院接受，全通信方式在有些對(duì)新技術(shù)比較容易接受的電廠中也有采用，甚至是大容量和高電壓等級(jí)的機(jī)組。目前ECS與DCS的接口方式主要有以下幾種:
·DAS(Data Acquirment System)模式，即ECS作為DCS的一個(gè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。
·保留關(guān)鍵硬接線的方式，采用現(xiàn)場(chǎng)總線、按照電廠工藝流程構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)電氣部分的信息采集和控制;參與熱工控制的重要電動(dòng)機(jī)的起停控制以硬接線實(shí)現(xiàn)控制。
·完全采用通信方式。
三、結(jié)語(yǔ)
ECS系統(tǒng)充分利用了工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)，將各自獨(dú)立運(yùn)行的保護(hù)測(cè)控裝置、自動(dòng)裝置以及其他智能設(shè)備等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線或以太網(wǎng)聯(lián)結(jié)起來(lái)構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了采用通信方式與DCS系統(tǒng)交換信息，減少了DCS的測(cè)點(diǎn)投資和硬接線方式下的電纜投資，同時(shí)提高了整個(gè)發(fā)電廠的自動(dòng)控制水平和運(yùn)行管理水平。與DCS的通信方式的信息交換也必將隨著軟硬件技術(shù)的成熟和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的豐富成為主流的方式。
評(píng)論