采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的NETWORK-6000+控制系統(tǒng)在電廠的應(yīng)用分析

一、引 言

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)自70年代誕生至今，由于它在減少系統(tǒng)線纜，簡(jiǎn)化安裝、維護(hù)和管理，降低系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本，增強(qiáng)系統(tǒng)性能等方面的優(yōu)越性，得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。PROFIBUS作為現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，不論是在自動(dòng)化儀表、遠(yuǎn)程I/O，還是在電機(jī)控制裝置中的應(yīng)用均日益廣泛起來。

現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一PROFIBUS技術(shù)是1987年由SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)；1989年批準(zhǔn)為德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245；1996年批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170 V.2；1999年P(guān)ROFIBUS成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC 61158 的組成部分（Type III）。

PROFIBUS技術(shù)為設(shè)備層提供了PROFIBUS-DP和-PA技術(shù)，為車間層提供了PROFIBUS-FMS技術(shù)。PROFIBUS-DP是設(shè)備層現(xiàn)場(chǎng)總線，用于控制器（如DCS、PLC、PC）與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備（如驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)設(shè)備、HMI等）之間的通信總線。

PROFIBUS-DP總線技術(shù)具有高速（12M）、實(shí)時(shí)、確定、可靠的特點(diǎn)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相對(duì)較小?，F(xiàn)場(chǎng)總線的介質(zhì)訪問控制方式滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求，即通信的實(shí)時(shí)性和確定性。確定性確保站點(diǎn)每次得到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)間隔和時(shí)間是確定的；實(shí)時(shí)性是指網(wǎng)絡(luò)分配給站點(diǎn)的服務(wù)時(shí)間和間隔可以保證站點(diǎn)完成它確定的任務(wù)。

PROFIBUS的特點(diǎn)總結(jié)如下：

1） 開放性好（目前800～1000多家廠商的產(chǎn)品支持該總線）；

2） 傳送速度快，可達(dá)12M；

3） 節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)布線，降低工程成本；

4） 配置靈活。

2004年，PROFIBUS國(guó)際組織宣布，基于PROFIBUS接口的設(shè)備節(jié)點(diǎn)在2003底時(shí)突破1000萬(wàn)，成為名副其實(shí)、最具實(shí)力的全球領(lǐng)先的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。

目前PROFIBUS的介質(zhì)訪問控制方式主要有令牌和主從兩種方式，遵循附屬主－從令牌通行原則。這種方法區(qū)分了主動(dòng)和被動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。只有主動(dòng)節(jié)點(diǎn)才接受令牌，也就是發(fā)送的權(quán)利，它在一段規(guī)定的時(shí)間里將令牌從一個(gè)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)送到下一個(gè)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)自動(dòng)偵測(cè)節(jié)點(diǎn)是否離去或是否有新的節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)上。網(wǎng)上的所有節(jié)點(diǎn)都必須以同一傳輸速率通訊。

PROFIBUS-DP總線技術(shù)可采用電氣和光纖網(wǎng)絡(luò)配置。電氣網(wǎng)絡(luò)利用屏蔽的雙絞線電纜作為傳輸介質(zhì)。采用的RS485電氣標(biāo)準(zhǔn)是基于電壓差工作的，因此對(duì)于干擾的敏感性要比電壓或電流接口小。傳輸速率可以從9.6Kbps到12Mbps間選擇，速率的大小與網(wǎng)絡(luò)段長(zhǎng)有關(guān)。

英思維公司（Invensys）是國(guó)際知名的儀控行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，緊密跟蹤了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展潮流，并率先在其自動(dòng)化產(chǎn)品中提供了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的支持。以英思維歐陸公司（EUROTHERM PROCESS AUTOMATION簡(jiǎn)稱EPA）的硬件和系統(tǒng)軟件為基礎(chǔ)，南京科遠(yuǎn)控制工程有限公司自主研發(fā)了火電廠自動(dòng)化軟件（V1.0），推出了新型的NETWORK-6000＋分散控制系統(tǒng)。NETWORK-6000+使用PROFIBUS技術(shù)作為其設(shè)備層通訊標(biāo)準(zhǔn)，能夠使用PROFIBUS集成標(biāo)準(zhǔn)的第三方現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品。

本文介紹的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品是SIEMENS的3UF 50電機(jī)控制單元。該裝置支持PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，具有完善的電機(jī)控制和保護(hù)功能。通過這個(gè)裝置，控制系統(tǒng)可以方便地對(duì)電機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。3UF 50簡(jiǎn)稱SIMOCODE。

二、江陰夏港電廠介紹

江陰夏港電廠位于江蘇省江陰市夏港鎮(zhèn)，屬江陰蘇龍發(fā)電有限公司，目前已有三期工程，一、二期分別是兩臺(tái)135MW單元機(jī)組，三期是兩臺(tái)亞臨界330MW單元機(jī)組。一至三期DCS均由南京科遠(yuǎn)控制工程有限公司供貨。三期第一臺(tái)330MW單元機(jī)組已于2004年12月13日順利完成168小時(shí)試運(yùn)行，并移交投入商業(yè)運(yùn)行。其自動(dòng)和保護(hù)投入率達(dá)99％，點(diǎn)火到168結(jié)束前后共10天；三期第二臺(tái)330MW單元機(jī)組已于2005年8月9日順利完成168小時(shí)試運(yùn)行，已投入商業(yè)運(yùn)行。其自動(dòng)和保護(hù)投入率達(dá)99％，自點(diǎn)火到168結(jié)束前后共9天的，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)30萬(wàn)等級(jí)機(jī)組的最快記錄。此外，科遠(yuǎn)公司還承接了江陰夏港電廠的一、二及三期脫硫DCS項(xiàng)目。

夏港電廠一、二期共4×135MW單元機(jī)組采用了NETWORK-6000+分散控制系統(tǒng)，三期2×330MW單元機(jī)組采用了FOXBORO I/A Series分散控制系統(tǒng)；一、二、三期脫硫也采用NETWORK-6000+。

江陰夏港電廠在三期主廠房及脫硫輔助車間大量使用SIEMENS SIMOCODE裝置，用于低400V電機(jī)的控制和保護(hù)。SIMOCODE安裝在就地電氣控制柜，DCS對(duì)400V電機(jī)控制通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

三期單臺(tái)330MW單元機(jī)組DCS共使用十四對(duì)控制器，公用系統(tǒng)單獨(dú)一對(duì)。I/A Series系統(tǒng)采用專用的通訊卡件FBM223，與SIMOCODE實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP通訊連接。實(shí)際中，在七對(duì)控制器下布置了八只FBM223卡件；每只FBM223通訊卡件具有兩個(gè)獨(dú)立的通訊口，工程實(shí)施中兩個(gè)端口均投入使用，降低了通訊風(fēng)險(xiǎn)，且大量互為備用的設(shè)備分配到不同的FBM223卡件下。每臺(tái)330MW單元機(jī)組DCS共使用了114只SIMOCODE（其中備用34只）。目前，這是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在330MW機(jī)組控制系統(tǒng)中最大規(guī)模的應(yīng)用。

脫硫輔助車間DCS使用NETWORK-6000+分散控制系統(tǒng)，共七對(duì)控制器，該控制器以PROFIBUS作為其IO總線，SIMOCODE可以和EPA的I/O機(jī)架按總線連接方式混合連接，實(shí)施中每對(duì)控制器都有SIMOCODE通訊。三期脫硫DCS共使用了118只SIMOCODE（其中備用16只）。

本文以NETWORK-6000+控制系統(tǒng)為例，說明英思維自動(dòng)化產(chǎn)品的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

三、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用方案

NETWORK-6000+分散控制系統(tǒng)由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)界面、控制網(wǎng)絡(luò)、分散處理單元、I/O網(wǎng)絡(luò)（PROFIBUS）和I/O模件等部分組成。NETWORK-6000+可廣泛應(yīng)用在火電廠主機(jī)、輔機(jī)控制上，下面介紹PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在夏港電廠DCS系統(tǒng)的應(yīng)用。

NETWORK-6000＋分散控制系統(tǒng)，其分散處理單元（DPU）T940X的CPU采用Pentium級(jí)芯片，主頻266MHZ，閃存不小于8Mbyte，可聯(lián)結(jié)1024點(diǎn)I/O，運(yùn)行2000個(gè)Block，具有強(qiáng)大的處理能力，是目前世界上速度最快的DPU之一，DPU和I/O機(jī)架之間通訊速率高達(dá)12Mbps。每對(duì)控制器最多可帶122個(gè)I/O機(jī)架。I/O機(jī)架與T940X通訊使用PROFIBUS－DP協(xié)議。圖一是T940X與EPA I/O機(jī)架、SIMOCODE系統(tǒng)連接示意圖：

T940X控制器的主要性能指標(biāo)如下：

● 電源冗余；

● 控制器冗余；

● 冗余ELIN（EtherNet for LIN）網(wǎng)絡(luò)；

● PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)接口，支持PROFIBUS－DP標(biāo)準(zhǔn)；

● 具有MODBUS通訊接口；

● 具有電源、通訊、看門狗、運(yùn)行、后備指示。

在工程中，NETWORK-6000＋分散控制系統(tǒng)配置了三級(jí)網(wǎng)絡(luò)：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)和I/O網(wǎng)絡(luò)。I/O網(wǎng)絡(luò)完成的是DPU和I/O模件及SIMOCODE的數(shù)據(jù)交換，控制策略的運(yùn)算在DPU中完成。

控制網(wǎng)絡(luò)基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，主要完成DPU之間、DPU和操作員站之間的數(shù)據(jù)交換，速度是100Mbps，符合IEEE802.4協(xié)議的令牌工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，可1:1冗余，具有通訊接口自診斷能力。T940X具有一對(duì)以太網(wǎng)接口，通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與系統(tǒng)相連。以太網(wǎng)交換機(jī)采用快速生成樹協(xié)議或?qū)Ｓ脜f(xié)議實(shí)現(xiàn)環(huán)狀冗余連接。當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障后，路徑切換時(shí)間小于300毫秒?；陔p絞線的最大長(zhǎng)度是100m，基于光纖的最大長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)公里，最大可以支持512個(gè)站。 ［page］

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要完成數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站、操作員站和MIS的數(shù)據(jù)交換，采用冗余以太網(wǎng)，TCP/IP協(xié)議。

受DCS控制的400V電機(jī)采用的SIMOCODE，現(xiàn)場(chǎng)配置了控制面板，以方便就地操作，SIMOCODE安裝在電力抽屜柜中，通過拉出/推進(jìn)進(jìn)行電源分/合操作。

圖二所示的是SIMOCODE基本單元。帶有四個(gè)輸入和四個(gè)輸出的基本單元自動(dòng)執(zhí)行所有保護(hù)和控制功能，并提供與PROFIBUS-DP的連接。四個(gè)輸入由內(nèi)部的24V DC電源供電。擴(kuò)展模塊、操作面板、手操設(shè)備或PC均可通過系統(tǒng)接口和基本單元相連。該基本單元有三種不同的控制電源電壓類型：24V DC，115V AC， 230V AC。項(xiàng)目中采用230V AC供電。

圖三是SIMOCODE控制面板，用于就地進(jìn)行手動(dòng)控制。它可連接至基本單元和擴(kuò)展模塊，由基本單元供電，有接口可連接手操設(shè)備或PC?？刂泼姘灏惭b在電氣柜門前面板內(nèi)，三個(gè)按鈕和六個(gè)LED批示燈都可進(jìn)行編程設(shè)置。

SIMOCODE用SIEMENS PROFIBUS屏蔽雙絞線電纜作為傳輸介質(zhì)。而T940X與I/O機(jī)架使用UTP電纜（超五類雙絞線）。實(shí)際連接時(shí)，SIMOCODE和I/O機(jī)架混合連接在T940X在PROFIBUS接口上，T940X作為唯一主站分別和SIMOCODE和I/O機(jī)架通訊。考慮到兩類電纜阻抗匹配，在UTP電纜和PROFIBUS屏蔽雙絞線電纜之間用SIEMENS RS485 中繼器作為信號(hào)放大用。

圖四是SIMOCODE在一般DCS/PLC系統(tǒng)中的配置應(yīng)用。

四、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在江陰夏港電廠的應(yīng)用效果

江陰夏港電廠的兩臺(tái)33萬(wàn)千瓦單元機(jī)組及其輔助車間系統(tǒng)，大量采用了現(xiàn)場(chǎng)總線通訊技術(shù)，400V電機(jī)基本上都采用SIMOCODE現(xiàn)場(chǎng)總線控制裝置，如果以每只SIMOCODE節(jié)約直接I/O點(diǎn)數(shù)為七點(diǎn)計(jì)算，三期主廠房及脫硫車間共使用346只SIMOCODE（114×2＋118＝346），硬接線I/O減少了（346×7＝2422）2400多點(diǎn)，節(jié)約了DCS硬件系統(tǒng)的投入，如I/O卡件、輸出繼電器及機(jī)柜；同時(shí)減少了像馬達(dá)電流變送器、電纜這樣設(shè)備的投資。總之，一方面減少了電纜敷設(shè)長(zhǎng)度和人力成本，節(jié)約了可觀的電纜成本；另一方面，控制設(shè)備集成化、單一化，減少了維護(hù)工作，提高了系統(tǒng)可靠性。

當(dāng)然，購(gòu)買SIMOCODE需要增加一部分設(shè)備投資。但是使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，總的投資額仍有所節(jié)省。據(jù)山東省電力工程咨詢?cè)河嘘P(guān)人員不完全統(tǒng)計(jì)，以單臺(tái)330MW單元機(jī)組為例，使用SIMOCODE實(shí)現(xiàn)400V電機(jī)控制，比使用直接I/O能夠節(jié)省60萬(wàn)元。到目前為止， 三期第一臺(tái)330MW機(jī)組已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)行九個(gè)月，第二臺(tái)330MW機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行近二個(gè)多月，三期脫硫DCS運(yùn)行也有八個(gè)月。不論是I/A系統(tǒng)，還是NETWORK6000+系統(tǒng)，均在可靠運(yùn)行中。英思維的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)經(jīng)受了時(shí)間的考驗(yàn)，產(chǎn)品的穩(wěn)定可靠性獲得了用戶的認(rèn)可。

五、總結(jié)

我們知道，最早的氣動(dòng)單元組合儀表采用0.2～1kg/cm2 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)信號(hào)，電動(dòng)單元組合儀表系統(tǒng)使用統(tǒng)一的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相互連接，任何廠家的產(chǎn)品都可以實(shí)現(xiàn)互操作，這兩類儀表系統(tǒng)都得到了健康發(fā)展。在DCS系統(tǒng)時(shí)代，由于生產(chǎn)廠要想盡可能地控制市場(chǎng)份額，各自開發(fā)專用的數(shù)據(jù)公路，致使DCS和PLC系統(tǒng)沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，給用戶帶來很大麻煩，在某種程度上降低了用戶的投資效益。

當(dāng)DCS發(fā)展到第四代FCS系統(tǒng)時(shí)，本來爭(zhēng)取在新一代系統(tǒng)取得統(tǒng)一，以促進(jìn)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，但由于各自要保護(hù)過去的投資利益，意見長(zhǎng)期得不到統(tǒng)一，于是各國(guó)大公司都退回原地，開展了一場(chǎng)保衛(wèi)自己“莊園”的戰(zhàn)斗，結(jié)果產(chǎn)生了現(xiàn)在的長(zhǎng)達(dá)3200頁(yè)的新標(biāo)準(zhǔn)?？梢哉f，目前的現(xiàn)場(chǎng)總線之爭(zhēng)是上一代控制系統(tǒng)之爭(zhēng)的繼續(xù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議長(zhǎng)期爭(zhēng)論不休，使得FCS系統(tǒng)的發(fā)展十分緩慢。

從市場(chǎng)需求和技術(shù)發(fā)展的潮流來看，控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)上的統(tǒng)一勢(shì)在必行。對(duì)于電力行業(yè)應(yīng)用來說，我們沒有必要去爭(zhēng)論哪一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)更先進(jìn)，我們要做的是盡快地從現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的實(shí)踐中獲取信心和經(jīng)驗(yàn)，為數(shù)字化電廠奠定現(xiàn)場(chǎng)總線的基石。因此，我們認(rèn)為電力工業(yè)部在行業(yè)中推行PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，將極大的推進(jìn)電廠自動(dòng)化水平的提升。而現(xiàn)場(chǎng)總線在江陰夏港電廠的成功應(yīng)用，作為現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用破冰之旅的一部分，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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