《電子技術(shù)應(yīng)用》
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現(xiàn)場(chǎng)總線在江陰夏港電廠的應(yīng)用
摘要: 英思維公司(Invensys)是國(guó)際知名的儀控行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者,旗下的自動(dòng)化產(chǎn)品廣泛應(yīng)用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。本文以英思維??怂共_的I/A系統(tǒng)和英思維歐陸的NETWORK-6000+系統(tǒng)在江陰夏港電廠的應(yīng)用,闡述其現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)越性。
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Key words :

摘 要:英思維公司(Invensys)是國(guó)際知名的儀控行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者,旗下的自動(dòng)化產(chǎn)品廣泛應(yīng)用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。本文以英思維福克斯波羅的I/A系統(tǒng)和英思維歐陸的NETWORK-6000+系統(tǒng)在江陰夏港電廠的應(yīng)用,闡述其現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞:現(xiàn)場(chǎng)總線;Invensys;DCS; NETWORK-6000+;SIMOCODE。

 

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(lái)。
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(kāi)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(wèn)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(kāi)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(wèn)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(guò)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(guò)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(shuō)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:

圖一、T940X的Profibus連接

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(guò)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(shù)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。
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(guò)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(guò)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。

圖二、SIMOCODE基本單元

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??紤]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??傊?,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(kāi)發(fā)專用的數(shù)據(jù)公路,致使DCS和PLC系統(tǒng)沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),給用戶帶來(lái)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(lái)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(guò)去的投資利益,意見(jiàn)長(zhǎng)期得不到統(tǒng)一,于是各國(guó)大公司都退回原地,開(kāi)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(shuō),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(lái)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(lái)說(shuō),我們沒(méi)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。
參考文獻(xiàn):
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