現場(chǎng)總線(xiàn)的監控系統的理論與實(shí)踐

　　儀電一體化火電廠(chǎng)監控系統是集火電廠(chǎng)生產(chǎn)工藝自動(dòng)控制、工藝運行操作監視、電氣設備運行操作監視等監控系統于一體的多功能、大容量、高性能的一體化綜合自動(dòng)化解決方案。統一在同一平臺下的各級系統通過(guò)網(wǎng)絡(luò )暢通的地互聯(lián)并各取所需，帶來(lái)的效益不僅在于原有數據孤島的消失，避免了測點(diǎn)的重復建設，還在于火電廠(chǎng)整體自動(dòng)化水平的提高，更利于大型機組的建設、運行及維護。

　　火電廠(chǎng)電氣微機監控系統(ECS)的功能是：實(shí)現對火電廠(chǎng)內電氣設備的運行狀況的監視;實(shí)現對火電廠(chǎng)內電氣配送電方式的改變;實(shí)現對火電廠(chǎng)內電氣設備運行中出現的異常狀況的處理。以上功能自火電廠(chǎng)出現到今未天基本未發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化，僅在監控對象的數量，、信息量的類(lèi)型上，、系統實(shí)時(shí)性要求等方面有比以前提出更高的要求。

　　目前火電廠(chǎng)電氣監控系統實(shí)現的通行模式為DCS+ECS。，即硬接線(xiàn)+通訊共同實(shí)現對火電廠(chǎng)電氣設備的監控功能，見(jiàn)圖1?！　?/p>

　　DCS通過(guò)硬接線(xiàn)接入電氣設備的基本控制信號(合分閘操作)、測量信號(開(kāi)關(guān)狀態(tài)、變送器轉發(fā)模擬量)，對電氣設備的控制功能及基本信息監視(開(kāi)關(guān)狀態(tài)監視、運行電流)在DCS實(shí)現。ECS采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)將位于就地開(kāi)關(guān)柜上的保護測控裝置內的信息接入到系統中，并通過(guò)與DCS架設網(wǎng)關(guān)網(wǎng)橋等通訊接口設備(系統服務(wù)器級)將更加豐富的電氣設備運行工況信息傳輸給DCS。這種實(shí)現方式雖然節省了部分現場(chǎng)硬接線(xiàn)和就地變送器，但依然存在由于測點(diǎn)信息不全面，加之DCS在電氣信息采集監控及信息管理方面不足的問(wèn)題。因此，其監控功能只局限于有限的DAS點(diǎn)監測及遙控操作，自動(dòng)化水平較低，從而無(wú)法實(shí)現對全廠(chǎng)電氣設備實(shí)現監控。因此，將火電廠(chǎng)熱工控制系統和電氣監控系統統一在一個(gè)工業(yè)監控系統平臺下來(lái)實(shí)現并使之能夠互動(dòng)，對于提高電廠(chǎng)設備自動(dòng)化運行水平，提高電廠(chǎng)設備管理維護工作效率，為電廠(chǎng)提供質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的一體化監控設備具有革命性意義。

　　華電南自天元控制系統科技有限公司順應這一市場(chǎng)需求，提出了在火電廠(chǎng)實(shí)現熱工控制+電氣監控一體化系統的構想。其基本思想是：基于成熟的DCS控制系統平臺實(shí)現火電廠(chǎng)電氣系統監控，并使熱工控制系統與電氣控制系統的平臺統一，消除數據孤島，增強兩大系統間的互動(dòng)，還電廠(chǎng)一個(gè)完整的生產(chǎn)監控運行模式。經(jīng)過(guò)二年多的理論探索和實(shí)踐終于推出了在儀電一體化技術(shù)基礎上以現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現的全通訊新一代火電廠(chǎng)電氣監控系統TCS3000，并與儀電一體化技術(shù)實(shí)現的DCS一同成功地實(shí)現了商業(yè)運行。

　　二、通訊ECS

　　硬接線(xiàn)+通訊共同實(shí)現的火電廠(chǎng)電氣監控系統是基于火電廠(chǎng)“DCS一體化設計”模式下的一種變通的節省成本的過(guò)渡方案，是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)于DCS電氣監控部分的一種應用，但僅是基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現的變電站綜自系統于火電廠(chǎng)電氣配電系統――一種特殊工業(yè)環(huán)境下的移植。ECS幾乎可以囊括對電氣配電系統的所有功能要求并且是定制于此類(lèi)系統的應用，那么這種移植型的ECS為何不能獨立全面地完成火電廠(chǎng)電氣監控功能呢?

　　2.1 難于實(shí)現現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)下火電廠(chǎng)ECS的原因

　　為了滿(mǎn)足對生產(chǎn)工藝控制的要求，DCS必須實(shí)現對電氣設備(負荷設備)的控制。因為這些配電設備既是工藝控制的一個(gè)基礎又是工藝控制系統的重要組成部分，所以電氣設備特別是廠(chǎng)用電負荷設備的運行工況及控制對實(shí)現生產(chǎn)工藝要求有很大影響，在實(shí)際應用中很難把工藝控制與對電氣設備的操作分開(kāi)。加之DCS推廣應用時(shí)，基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現的變電站綜自系統才剛剛起步，除了采用當時(shí)的DCS平臺來(lái)實(shí)現電氣監控并無(wú)更好的自動(dòng)化解決方案。

　　ECS雖然是電氣監控系統的完整解決方案，但在火電廠(chǎng)電氣監控配電系統領(lǐng)域，存在與DCS不相融而導致的目前的應用局限。如前所述，ECS應用受限在于ECS不能很好的與DCS實(shí)現互動(dòng)。ECS與DCS的數據交換本質(zhì)上是兩種網(wǎng)絡(luò )通訊結構不同的系統間的數據通訊，必須加入網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋才能實(shí)現，而不能在對等的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中實(shí)現數據通訊。這種傳輸速率、效率、環(huán)節、途徑均受限制的通訊方式導致豐富的現場(chǎng)數據中只有少部分通過(guò)ECS傳輸至DCS，而重要的控制數據無(wú)法放心地交由系統間通訊完成，依然采用硬接線(xiàn)來(lái)實(shí)現。

　　由此可見(jiàn)，解決ECS在火電廠(chǎng)電氣監控方面的深入應用必須實(shí)現其與DCS的互動(dòng)。ECS與DCS的互動(dòng)應當通過(guò)多層次、對等的網(wǎng)絡(luò )架構來(lái)實(shí)現。為了便于這種互動(dòng)的實(shí)現，不但應當將ECS與DCS統一在同一系統平臺下，還應當保證在這一平臺下的多層次對等網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)的各向數據交換都可靠通暢，見(jiàn)圖2?！　?/p>

　　2.2 獨立實(shí)現火電廠(chǎng)電氣監控功能的全通訊ECS

　　ECS作為獨立的火電廠(chǎng)電氣監控系統而存在，必先解決DCS實(shí)現工藝控制對電氣設備監控的需要。DCS對電氣設備監控的需要主要集中在用電負荷設備上，并且所需測點(diǎn)類(lèi)型基于以下幾種：

　　控制操作(DO)―― 遙控分合閘;

　　狀態(tài)監視(DI) ―― 開(kāi)關(guān)本體信號，如開(kāi)關(guān)位置、手車(chē)位置、閉鎖狀態(tài)等;

　　運行監視(AI) ―― 負荷電流、功率、母線(xiàn)電壓等。

　　以上測點(diǎn)中僅有DO/DI參與直接的邏輯控制。AI量則為運行人員判斷負荷運行狀況的輔助參數，并不直接參與DCS中DPU的邏輯控制計算，只在運行界面上進(jìn)行觀(guān)察。以上幾種數據恰是ECS通過(guò)就地保護測控設備采集交換的基本數據。

　　從數據的完整性上說(shuō)，完全可以通過(guò)ECS傳輸給DCS。為達到數據傳輸或交換的實(shí)時(shí)性要求，采用對等網(wǎng)絡(luò )方式能夠將不同用途的數據快速可靠地傳輸到DCS各層中去。具體實(shí)現方式是：DO/DI數據的交換采用DPU與通訊管理機之間的通訊來(lái)實(shí)現;對于A(yíng)I數據及部分次重要DI數據的監視采用ECS服務(wù)器上傳至DCS操作員站的方式進(jìn)行傳輸。監控系統數據流向見(jiàn)圖3?！　?/p>

　　依圖3，在站控層采用分布式網(wǎng)絡(luò )結構的DCS可以允許系統中存在多組服務(wù)器，操作員站(客戶(hù)端)可以平等的任意調用多組服務(wù)器的數據，將ECS統一在一個(gè)系統平臺中使得ECS在系統服務(wù)器級向DCS無(wú)縫傳輸數據成為了可能。這種數據傳輸方式也就省去了網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋等通訊連接設備，系統架構更加簡(jiǎn)單明了、穩定可靠，數據上傳效率更高。

　　依圖3，在間隔層采用對等網(wǎng)絡(luò )實(shí)現了DPU與通訊管理機的數據交換。DPU所需參與邏輯控制的電氣設備DO/DI測點(diǎn)不是從通訊管理機發(fā)出就是從通訊管理機取來(lái)，取消了DCS電氣部分的硬接線(xiàn)。DPU與通訊管理機實(shí)現直接的數據交換，可以采用串口總線(xiàn)交換也可以采用以太網(wǎng)實(shí)現數據交換。DPU與通訊管理機通訊無(wú)論是一對一還是一對多的方式，從數據傳輸的數量亦或網(wǎng)絡(luò )連接的數量上來(lái)說(shuō)都是極少的。依據此需求定制的雙向通訊系統無(wú)論從實(shí)時(shí)性還是可靠性上都能得到良好的保障。盡管如此，對于特別重要的電氣設備控制聯(lián)鎖的操作也可以保留少量硬接線(xiàn)進(jìn)入DCS，或由專(zhuān)用的自動(dòng)裝置來(lái)直接實(shí)現，如重要設備的聯(lián)鎖保護(鍋爐保護、汽機保護)、保安電源的自動(dòng)投切等。

　　火電廠(chǎng)電氣監控系統中廠(chǎng)用配電系統的監控操作與生產(chǎn)工藝控制系統并無(wú)直接聯(lián)系，因此完全可以獨立在ECS中實(shí)現。實(shí)現的方式及功能配置要求與現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現的中低壓變電站綜自系統基本相同。DCS不再配置獨立的電氣專(zhuān)業(yè)的操作站、管理站。ECS配置獨立的電氣操作站、管理站、歷史站、工程師站。ECS完全通過(guò)與就地保護測控設備、保護設備、采集裝置、自動(dòng)裝置等電氣二次設備以通訊的方式對全廠(chǎng)納入監控的電氣設備實(shí)現監控。ECS的實(shí)現架構宜按單元機組及公用系統分開(kāi)配置。

　　三、全通訊ECS的實(shí)現基礎

　　全通訊ECS完善地實(shí)現取決于通訊系統的可靠性、穩定性及快速性，其中又以快速性最為重要?，F場(chǎng)總線(xiàn)的選擇應用、與DPU數據交換、與DCS通訊三個(gè)方面的性能決定了整個(gè)全通訊ECS的性能。

　　3.1 現場(chǎng)總線(xiàn)的選擇及組網(wǎng)方式應用

　　3.1.1 ECS對保護測控裝置通訊的接入以現場(chǎng)總線(xiàn)為宜

　　ECS保護測控裝置通訊的接入以現場(chǎng)總線(xiàn)為宜，原因有三：

　　1)現場(chǎng)總線(xiàn)通訊距離一般較長(cháng)且抗干擾能力也較好，比較符合火電廠(chǎng)配電設備分布的實(shí)際情況，也有利于通訊管理機集中設置、集中管理。

　　2)現場(chǎng)總線(xiàn)電纜材料及組網(wǎng)成本低廉、保護測控裝置配置現場(chǎng)總線(xiàn)接口的成本也較低。

　　3)ECS必須分層向DCS傳輸電氣工藝設備的數據，并且ECS接入設備節點(diǎn)數量過(guò)于龐大(單元機組的配置可達400臺以上)，因此需要設置數據集中轉發(fā)的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，同時(shí)也利于減輕系統服務(wù)器通訊的負擔。

　　3.1.2 兩種中低壓保護測控裝置的組網(wǎng)方案

　　1)按工藝系統分配，通訊管理機與DPU采用一對一方式通訊。這種組網(wǎng)方式與DPU通訊簡(jiǎn)潔，且通訊方式靈活，但中低壓保護測控裝置需跨段接入通訊管理機，現場(chǎng)總線(xiàn)組網(wǎng)布線(xiàn)難度較大。

　　2)按配電段分配，通訊管理機與DPU采用一對多方式通訊。這種組網(wǎng)方式與DPU通訊宜采用以太網(wǎng)，通過(guò)綁定以太網(wǎng)連接實(shí)現數據傳輸的穩定可靠。網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)簡(jiǎn)潔，抗通訊干擾能力強。特別對于高壓工作段，也可按大的工藝系統分配多個(gè)通訊管理機，可將通訊管理機的外部網(wǎng)絡(luò )連接數控制在6個(gè)以?xún)?，有助于提高網(wǎng)絡(luò )通訊效率。對于大型機組，低壓配電段也是按照大系統的工藝分配來(lái)的，因此低壓段也可按配電段分配通訊管理機。

　　3.1.3 現場(chǎng)數據快速更新的保證

　　目前在ECS應用較為廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)有RS-485、CAN、Profibus-DP、LonWorks等，其中以RS-485總線(xiàn)支持的廠(chǎng)商最多，應用也最為廣泛。誠然，在這幾類(lèi)總線(xiàn)中以RS-485總線(xiàn)的通訊速率最低