现场总线在江阴夏港电厂的应用

一、引言
      现场总线技术自70年代诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化安装、维护和管理，降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，得到了广泛的推广和应用。PROFIBUS作为现场总线的一种，不论是在自动化仪表、远程I/O,还是在电机控制装置中的应用均日益广泛起来。
      现场总线国际标准之一PROFIBUS技术是1987年由SIEMENS公司等13家企业和5家研究机构联合开发；1989年批准为德国工业标准DIN 19245；1996年批准为欧洲标准EN 50170 V.2；1999年PROFIBUS成为国际标准 IEC 61158 的组成部分(Type III)。
    PROFIBUS技术为设备层提供了PROFIBUS-DP和-PA技术，为车间层提供了PROFIBUS-FMS技术。PROFIBUS-DP是设备层现场总线，用于控制器(如DCS、PLC、PC)与现场控制设备（如驱动器、检测设备、HMI等）之间的通信总线。
    PROFIBUS-DP总线技术具有高速（12M）、实时、确定、可靠的特点，传输的数据量相对较小。现场总线的介质访问控制方式满足工业控制网络的要求，即通信的实时性和确定性。确定性确保站点每次得到网络服务间隔和时间是确定的；实时性是指网络分配给站点的服务时间和间隔可以保证站点完成它确定的任务。
    PROFIBUS的特点总结如下：
    1）开放性好（目前800～1000多家厂商的产品支持该总线）；
    2）传送速度快，可达12M；
    3）节省现场布线，降低工程成本；
    4）配置灵活。
    2004年，PROFIBUS国际组织宣布，基于PROFIBUS接口的设备节点在2003底时突破1000万,成为名副其实、最具实力的全球领先的现场总线标准。
    目前PROFIBUS的介质访问控制方式主要有令牌和主从两种方式,遵循"附属主－从令牌通行"原则。这种方法区分了主动和被动的网络节点。只有主动节点才接受令牌，也就是发送的权利，它在一段规定的时间里将令牌从一个主动节点送到下一个主动节点。系统自动侦测节点是否离去或是否有新的节点加入到网上。网上的所有节点都必须以同一传输速率通讯。
    PROFIBUS-DP总线技术可采用电气和光纤网络配置。电气网络利用屏蔽的双绞线电缆作为传输介质。采用的RS485电气标准是基于电压差工作的，因此对于干扰的敏感性要比电压或电流接口小。传输速率可以从9.6Kbps到12Mbps间选择，速率的大小与网络段长有关。
    英思维公司（Invensys）是国际知名的仪控行业领导者，紧密跟踪了现场总线技术的发展潮流，并率先在其自动化产品中提供了现场总线技术的支持。以英思维欧陆公司（EUROTHERM PROCESS AUTOMATION简称EPA）的硬件和系统软件为基础，南京科远控制工程有限公司自主研发了火电厂自动化软件（V1.0）,推出了新型的NETWORK-6000＋分散控制系统。NETWORK-6000+使用PROFIBUS技术作为其设备层通讯标准，能够使用PROFIBUS集成标准的第三方现场总线产品。
    本文介绍的现场总线产品是SIEMENS的3UF 50电机控制单元。该装置支持PROFIBUS现场总线标准，具有完善的电机控制和保护功能。通过这个装置，控制系统可以方便地对电机进行监控。3UF 50简称SIMOCODE。
二、江阴夏港电厂介绍
    江阴夏港电厂位于江苏省江阴市夏港镇，属江阴苏龙发电有限公司,目前已有三期工程，一、二期分别是两台135MW单元机组，三期是两台亚临界330MW单元机组。一至三期DCS均由南京科远控制工程有限公司供货。三期第一台330MW单元机组已于2004年12月13日顺利完成168小时试运行，并移交投入商业运行。其自动和保护投入率达99％，点火到168结束前后共10天；三期第二台330MW单元机组已于2005年8月9日顺利完成168小时试运行，已投入商业运行。其自动和保护投入率达99％，自点火到168结束前后共9天的，创造了当时国内30万等级机组的最快记录。此外，科远公司还承接了江阴夏港电厂的一、二及三期脱硫DCS项目。
    夏港电厂一、二期共4×135MW单元机组采用了NETWORK-6000+分散控制系统，三期2×330MW单元机组采用了FOXBORO I/A Series分散控制系统；一、二、三期脱硫也采用NETWORK-6000+。
     江阴夏港电厂在三期主厂房及脱硫辅助车间大量使用SIEMENS SIMOCODE装置，用于低压400V电机的控制和保护。SIMOCODE安装在就地电气控制柜，DCS对400V电机控制通过PROFIBUS-DP现场总线技术实现。
     三期单台330MW单元机组DCS共使用十四对控制器，公用系统单独一对。I/A Series系统采用专用的通讯卡件FBM223，与SIMOCODE实现PROFIBUS-DP通讯连接。实际中，在七对控制器下布置了八只FBM223卡件；每只FBM223通讯卡件具有两个独立的通讯口，工程实施中两个端口均投入使用，降低了通讯风险，且大量互为备用的设备分配到不同的FBM223卡件下。每台330MW单元机组DCS共使用了114只SIMOCODE（其中备用34只）。目前，这是现场总线技术在330MW机组控制系统中最大规模的应用。
      脱硫辅助车间DCS使用NETWORK-6000+分散控制系统，共七对控制器，该控制器以PROFIBUS作为其IO总线，SIMOCODE可以和EPA的I/O机架按总线连接方式混合连接，实施中每对控制器都有SIMOCODE通讯。三期脱硫DCS共使用了118只SIMOCODE（其中备用16只）。
    本文以NETWORK-6000+控制系统为例，说明英思维自动化产品的PROFIBUS现场总线技术。
三、现场总线技术应用方案
      NETWORK-6000+分散控制系统由系统网络、人机界面、控制网络、分散处理单元、I/O网络(PROFIBUS)和I/O模件等部分组成。NETWORK-6000+可广泛应用在火电厂主机、辅机控制上，下面介绍PROFIBUS现场总线技术在夏港电厂DCS系统的应用。
      NETWORK-6000＋分散控制系统，其分散处理单元(DPU)T940X的CPU采用Pentium级芯片，主频266MHZ，闪存不小于8Mbyte,可联结1024点I/O，运行2000个Block，具有强大的处理能力，是目前世界上速度最快的DPU之一，DPU和I/O机架之间通讯速率高达12Mbps。每对控制器最多可带122个I/O机架。I/O机架与T940X通讯使用PROFIBUS－DP协议。图1是T940X与EPA I/O机架、SIMOCODE系统连接示意图：
          
                       图 1 T940X的Profibus连接
    T940X控制器的主要性能指标如下：
    ● 电源冗余 ；
    ● 控制器冗余；
    ● 冗余ELIN（EtherNet for LIN）网络；
    ● PROFIBUS网络接口，支持PROFIBUS－DP标准；
    ● 具有MODBUS通讯接口；           
    ● 具有电源、通讯、看门狗、运行、后备指示。
    在工程中，NETWORK-6000＋分散控制系统配置了三级网络：系统网络、控制网络和I/O网络。I/O网络完成的是DPU和I/O模件及SIMOCODE的数据交换，控制策略的运算在DPU中完成。
    控制网络基于工业以太网技术，主要完成DPU之间、DPU和操作员站之间的数据交换，速度是100Mbps，符合IEEE802.4协议的令牌工业控制网络，可1:1冗余，具有通讯接口自诊断能力。T940X具有一对以太网接口，通过工业以太网交换机与系统相连。以太网交换机采用快速生成树协议或专用协议实现环状冗余连接。当出现网络故障后，路径切换时间小于300毫秒。基于双绞线的最大长度是100m，基于光纤的最大长度可达数公里，最大可以支持512个站。
    系统网络主要完成数据服务器、工程师站、操作员站和MIS的数据交换，采用冗余以太网，TCP/IP协议。
    受DCS控制的400V电机采用的SIMOCODE，现场配置了控制面板，以方便就地操作，SIMOCODE安装在电力抽屉柜中，通过拉出/推进进行电源分/合操作。              
    图2所示的是SIMOCODE基本单元。带有四个输入和四个输出的基本单元自动执行所有保护和控制功能，并提供与PROFIBUS-DP的连接。四个输入由内部的24V DC电源供电。扩展模块、操作面板、手操设备或PC均可通过系统接口和基本单元相连。该基本单元有三种不同的控制电源电压类型：24V DC，115V AC， 230V AC。项目中采用230V AC供电。
           
                          图 2 SIMOCODE基本单元 

    图3是SIMOCODE控制面板，用于就地进行手动控制。它可连接至基本单元和扩展模块，由基本单元供电，有接口可连接手操设备或PC。控制面板安装在电气柜门前面板内，三个按钮和六个LED批示灯都可进行编程设置。
           
                        图 3 SIMOCODE带控制面板单元 
    SIMOCODE用SIEMENS PROFIBUS屏蔽双绞线电缆作为传输介质。而T940X与I/O机架使用UTP电缆(超五类双绞线)。实际连接时，SIMOCODE和I/O机架混合连接在T940X在PROFIBUS接口上，T940X作为唯一主站分别和SIMOCODE和I/O机架通讯。考虑到两类电缆阻抗匹配，在UTP电缆和PROFIBUS屏蔽双绞线电缆之间用SIEMENS RS485 中继器作为信号放大用。
    图4是SIMOCODE在一般DCS/PLC系统中的配置应用
四、现场总线技术在江阴夏港电厂的应用效果
    江阴夏港电厂的两台33万千瓦单元机组及其辅助车间系统，大量采用了现场总线通讯技术，400V电机基本上都采用SIMOCODE现场总线控制装置，如果以每只SIMOCODE节约直接I/O点数为七点计算，三期主厂房及脱硫车间共使用346只SIMOCODE（114×2＋118＝346），硬接线I/O减少了（346×7＝2422）2400多点，节约了DCS硬件系统的投入，如I/O卡件、输出继电器及机柜；同时减少了像马达电流变送器、电缆这样设备的投资。总之，一方面减少了电缆敷设长度和人力成本，节约了可观的电缆成本；另一方面，控制设备集成化、单一化，减少了维护工作，提高了系统可靠性。
           
                            图 4在一般DCS/PLC系统中SIMOCODE配置应用
    当然，购买SIMOCODE需要增加一部分设备投资。但是使用现场总线技术，总的投资额仍有所节省。据山东省电力工程咨询院有关人员不完全统计，以单台330MW单元机组为例，使用SIMOCODE实现400V电机控制，比使用直接I/O能够节省60万元。到目前为止， 三期第一台330MW机组已经投入商业运行九个月，第二台330MW机组投入商业运行近二个多月，三期脱硫DCS运行也有八个月。不论是I/A系统，还是NETWORK6000+系统，均在可靠运行中。英思维的现场总线技术经受了时间的考验，产品的稳定可靠性获得了用户的认可。
五、总结
        我们知道，最早的气动单元组合仪表采用0.2～1kg/cm2统一标准气动信号，电动单元组合仪表系统使用统一的4～20mA标准信号相互连接，任何厂家的产品都可以实现互操作，这两类仪表系统都得到了健康发展。在DCS系统时代，由于生产厂要想尽可能地控制市场份额，各自开发专用的数据公路，致使DCS和PLC系统没有一个统一的标准，给用户带来很大麻烦，在某种程度上降低了用户的投资效益。
       当DCS发展到第四代FCS系统时，本来争取在新一代系统取得统一，以促进技术进一步发展，但由于各自要保护过去的投资利益，意见长期得不到统一，于是各国大公司都退回原地，开展了一场保卫自己“庄园”的战斗，结果产生了现在的长达3200页的新标准。可以说，目前的现场总线之争是上一代控制系统之争的继续。现场总线协议长期争论不休，使得FCS系统的发展十分缓慢。
        从市场需求和技术发展的潮流来看，控制系统在现场总线基础上的统一势在必行。对于电力行业应用来说，我们没有必要去争论哪一种现场总线技术更先进，我们要做的是尽快地从现场总线技术的实践中获取信心和经验，为数字化电厂奠定现场总线的基石。因此，我们认为电力工业部在行业中推行PROFIBUS现场总线技术，将极大的推进电厂自动化水平的提升。而现场总线在江阴夏港电厂的成功应用，作为现场总线应用破冰之旅的一部分，将产生深远的影响。