現(xiàn)場總線在江陰夏港電廠的應(yīng)用

一、引言
      現(xiàn)場總線技術(shù)自70年代誕生至今，由于它在減少系統(tǒng)線纜，簡化安裝、維護和管理，降低系統(tǒng)的投資和運行成本，增強系統(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)場總線的一種，不論是在自動化儀表、遠程I/O,還是在電機控制裝置中的應(yīng)用均日益廣泛起來。
      現(xiàn)場總線國際標準之一PROFIBUS技術(shù)是1987年由SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家研究機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)；1989年批準為德國工業(yè)標準DIN 19245；1996年批準為歐洲標準EN 50170 V.2；1999年P(guān)ROFIBUS成為國際標準 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)場總線，用于控制器(如DCS、PLC、PC)與現(xiàn)場控制設(shè)備（如驅(qū)動器、檢測設(shè)備、HMI等）之間的通信總線。
    PROFIBUS-DP總線技術(shù)具有高速（12M）、實時、確定、可靠的特點，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相對較小?，F(xiàn)場總線的介質(zhì)訪問控制方式滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求，即通信的實時性和確定性。確定性確保站點每次得到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)間隔和時間是確定的；實時性是指網(wǎng)絡(luò)分配給站點的服務(wù)時間和間隔可以保證站點完成它確定的任務(wù)。
    PROFIBUS的特點總結(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12M；
    3）節(jié)省現(xiàn)場布線，降低工程成本；
    4）配置靈活。
    2004年，PROFIBUS國際組織宣布，基于PROFIBUS接口的設(shè)備節(jié)點在2003底時突破1000萬,成為名副其實、最具實力的全球領(lǐng)先的現(xiàn)場總線標準。
    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)分了主動和被動的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。只有主動節(jié)點才接受令牌，也就是發(fā)送的權(quán)利，它在一段規(guī)定的時間里將令牌從一個主動節(jié)點送到下一個主動節(jié)點。系統(tǒng)自動偵測節(jié)點是否離去或是否有新的節(jié)點加入到網(wǎng)上。網(wǎng)上的所有節(jié)點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電氣標準是基于電壓差工作的，因此對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)段長有關(guān)。
    英思維公司（Invensys）是國際知名的儀控行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，緊密跟蹤了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展潮流，并率先在其自動化產(chǎn)品中提供了現(xiàn)場總線技術(shù)的支持。以英思維歐陸公司（EUROTHERM PROCESS AUTOMATION簡稱EPA）的硬件和系統(tǒng)軟件為基礎(chǔ)，南京科遠控制工程有限公司自主研發(fā)了火電廠自動化軟件（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)備層通訊標準，能夠使用PROFIBUS集成標準的第三方現(xiàn)場總線產(chǎn)品。
    本文介紹的現(xiàn)場總線產(chǎn)品是SIEMENS的3UF 50電機控制單元。該裝置支持PROFIBUS現(xiàn)場總線標準，具有完善的電機控制和保護功能。通過這個裝置，控制系統(tǒng)可以方便地對電機進行監(jiān)控。3UF 50簡稱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135MW單元機組，三期是兩臺亞臨界330MW單元機組。一至三期DCS均由南京科遠控制工程有限公司供貨。三期第一臺330MW單元機組已于2004年12月13日順利完成168小時試運行，并移交投入商業(yè)運行。其自動和保護投入率達99％，點火到168結(jié)束前后共10天；三期第二臺330MW單元機組已于2005年8月9日順利完成168小時試運行，已投入商業(yè)運行。其自動和保護投入率達99％，自點火到168結(jié)束前后共9天的，創(chuàng)造了當(dāng)時國內(nèi)30萬等級機組的最快記錄。此外，科遠公司還承接了江陰夏港電廠的一、二及三期脫硫DCS項目。
    夏港電廠一、二期共4×135MW單元機組采用了NETWORK-6000+分散控制系統(tǒng)，三期2×330MW單元機組采用了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，用于低壓400V電機的控制和保護。SIMOCODE安裝在就地電氣控制柜，DCS對400V電機控制通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)。
     三期單臺330MW單元機組DCS共使用十四對控制器，公用系統(tǒng)單獨一對。I/A Series系統(tǒng)采用專用的通訊卡件FBM223，與SIMOCODE實現(xiàn)PROFIBUS-DP通訊連接。實際中，在七對控制器下布置了八只FBM223卡件；每只FBM223通訊卡件具有兩個獨立的通訊口，工程實施中兩個端口均投入使用，降低了通訊風(fēng)險，且大量互為備用的設(shè)備分配到不同的FBM223卡件下。每臺330MW單元機組DCS共使用了114只SIMOCODE（其中備用34只）。目前，這是現(xiàn)場總線技術(shù)在330MW機組控制系統(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)，共七對控制器，該控制器以PROFIBUS作為其IO總線，SIMOCODE可以和EPA的I/O機架按總線連接方式混合連接，實施中每對控制器都有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，說明英思維自動化產(chǎn)品的PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)。
三、現(xiàn)場總線技術(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、輔機控制上，下面介紹PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(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級芯片，主頻266MHZ，閃存不小于8Mbyte,可聯(lián)結(jié)1024點I/O，運行2000個Block，具有強大的處理能力，是目前世界上速度最快的DPU之一，DPU和I/O機架之間通訊速率高達12Mbps。每對控制器最多可帶122個I/O機架。I/O機架與T940X通訊使用PROFIBUS－DP協(xié)議。圖1是T940X與EPA I/O機架、SIMOCODE系統(tǒng)連接示意圖：
          
                       圖 1 T940X的Profibus連接
    T940X控制器的主要性能指標如下：
    ● 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標準；
    ● 具有MODBUS通訊接口；           
    ● 具有電源、通訊、看門狗、運行、后備指示。
    在工程中，NETWORK-6000＋分散控制系統(tǒng)配置了三級網(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具有一對以太網(wǎng)接口，通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機與系統(tǒng)相連。以太網(wǎng)交換機采用快速生成樹協(xié)議或?qū)Ｓ脜f(xié)議實現(xiàn)環(huán)狀冗余連接。當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障后，路徑切換時間小于300毫秒?；陔p絞線的最大長度是100m，基于光纖的最大長度可達數(shù)公里，最大可以支持512個站。
    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電機采用的SIMOCODE，現(xiàn)場配置了控制面板，以方便就地操作，SIMOCODE安裝在電力抽屜柜中，通過拉出/推進進行電源分/合操作。              
    圖2所示的是SIMOCODE基本單元。帶有四個輸入和四個輸出的基本單元自動執(zhí)行所有保護和控制功能，并提供與PROFIBUS-DP的連接。四個輸入由內(nèi)部的24V DC電源供電。擴展模塊、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。項目中采用230V AC供電。
           
                          圖 2 SIMOCODE基本單元 

    圖3是SIMOCODE控制面板，用于就地進行手動控制。它可連接至基本單元和擴展模塊，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)，三個按鈕和六個LED批示燈都可進行編程設(shè)置。
           
                        圖 3 SIMOCODE帶控制面板單元 
    SIMOCODE用SIEMENS PROFIBUS屏蔽雙絞線電纜作為傳輸介質(zhì)。而T940X與I/O機架使用UTP電纜(超五類雙絞線)。實際連接時，SIMOCODE和I/O機架混合連接在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 中繼器作為信號放大用。
    圖4是SIMOCODE在一般DCS/PLC系統(tǒng)中的配置應(yīng)用
四、現(xiàn)場總線技術(shù)在江陰夏港電廠的應(yīng)用效果
    江陰夏港電廠的兩臺33萬千瓦單元機組及其輔助車間系統(tǒng)，大量采用了現(xiàn)場總線通訊技術(shù)，400V電機基本上都采用SIMOCODE現(xiàn)場總線控制裝置，如果以每只SIMOCODE節(jié)約直接I/O點數(shù)為七點計算，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，節(jié)約了DCS硬件系統(tǒng)的投入，如I/O卡件、輸出繼電器及機柜；同時減少了像馬達電流變送器、電纜這樣設(shè)備的投資?？傊?，一方面減少了電纜敷設(shè)長度和人力成本，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，減少了維護工作，提高了系統(tǒng)可靠性。
           
                            圖 4在一般DCS/PLC系統(tǒng)中SIMOCODE配置應(yīng)用
    當(dāng)然，購買SIMOCODE需要增加一部分設(shè)備投資。但是使用現(xiàn)場總線技術(shù)，總的投資額仍有所節(jié)省。據(jù)山東省電力工程咨詢院有關(guān)人員不完全統(tǒng)計，以單臺330MW單元機組為例，使用SIMOCODE實現(xiàn)400V電機控制，比使用直接I/O能夠節(jié)省60萬元。到目前為止， 三期第一臺330MW機組已經(jīng)投入商業(yè)運行九個月，第二臺330MW機組投入商業(yè)運行近二個多月，三期脫硫DCS運行也有八個月。不論是I/A系統(tǒng)，還是NETWORK6000+系統(tǒng)，均在可靠運行中。英思維的現(xiàn)場總線技術(shù)經(jīng)受了時間的考驗，產(chǎn)品的穩(wěn)定可靠性獲得了用戶的認可。
五、總結(jié)
        我們知道，最早的氣動單元組合儀表采用0.2～1kg/cm2統(tǒng)一標準氣動信號，電動單元組合儀表系統(tǒng)使用統(tǒng)一的4～20mA標準信號相互連接，任何廠家的產(chǎn)品都可以實現(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)時代，由于生產(chǎn)廠要想盡可能地控制市場份額，各自開發(fā)專用的數(shù)據(jù)公路，致使DCS和PLC系統(tǒng)沒有一個統(tǒng)一的標準，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，本來爭取在新一代系統(tǒng)取得統(tǒng)一，以促進技術(shù)進一步發(fā)展，但由于各自要保護過去的投資利益，意見長期得不到統(tǒng)一，于是各國大公司都退回原地，開展了一場保衛(wèi)自己“莊園”的戰(zhàn)斗，結(jié)果產(chǎn)生了現(xiàn)在的長達3200頁的新標準?？梢哉f，目前的現(xiàn)場總線之爭是上一代控制系統(tǒng)之爭的繼續(xù)?，F(xiàn)場總線協(xié)議長期爭論不休，使得FCS系統(tǒng)的發(fā)展十分緩慢。
        從市場需求和技術(shù)發(fā)展的潮流來看，控制系統(tǒng)在現(xiàn)場總線基礎(chǔ)上的統(tǒng)一勢在必行。對于電力行業(yè)應(yīng)用來說，我們沒有必要去爭論哪一種現(xiàn)場總線技術(shù)更先進，我們要做的是盡快地從現(xiàn)場總線技術(shù)的實踐中獲取信心和經(jīng)驗，為數(shù)字化電廠奠定現(xiàn)場總線的基石。因此，我們認為電力工業(yè)部在行業(yè)中推行PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，將極大的推進電廠自動化水平的提升。而現(xiàn)場總線在江陰夏港電廠的成功應(yīng)用，作為現(xiàn)場總線應(yīng)用破冰之旅的一部分，將產(chǎn)生深遠的影響。