現場總線的監控系統的理論與實踐

　　儀電一體化火電廠監控系統是集火電廠生產工藝自動控制、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化解決方案。統一在同一平臺下的各級系統通過網絡暢通的地互聯并各取所需，帶來的效益不僅在于原有數據孤島的消失，避免了測點的重復建設，還在于火電廠整體自動化水平的提高，更利于大型機組的建設、運行及維護。

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

　　目前火電廠電氣監控系統實現的通行模式為DCS+ECS。，即硬接線+通訊共同實現對火電廠電氣設備的監控功能，見圖1?！　?/p>

　　DCS通過硬接線接入電氣設備的基本控制信號(合分閘操作)、測量信號(開關狀態、變送器轉發模擬量)，對電氣設備的控制功能及基本信息監視(開關狀態監視、運行電流)在DCS實現。ECS采用現場總線技術將位于就地開關柜上的保護測控裝置內的信息接入到系統中，并通過與DCS架設網關網橋等通訊接口設備(系統服務器級)將更加豐富的電氣設備運行工況信息傳輸給DCS。這種實現方式雖然節省了部分現場硬接線和就地變送器，但依然存在由于測點信息不全面，加之DCS在電氣信息采集監控及信息管理方面不足的問題。因此，其監控功能只局限于有限的DAS點監測及遙控操作，自動化水平較低，從而無法實現對全廠電氣設備實現監控。因此，將火電廠熱工控制系統和電氣監控系統統一在一個工業監控系統平臺下來實現并使之能夠互動，對于提高電廠設備自動化運行水平，提高電廠設備管理維護工作效率，為電廠提供質優價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需求，提出了在火電廠實現熱工控制+電氣監控一體化系統的構想。其基本思想是：基于成熟的DCS控制系統平臺實現火電廠電氣系統監控，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，還電廠一個完整的生產監控運行模式。經過二年多的理論探索和實踐終于推出了在儀電一體化技術基礎上以現場總線技術實現的全通訊新一代火電廠電氣監控系統TCS3000，并與儀電一體化技術實現的DCS一同成功地實現了商業運行。

　　二、通訊ECS

　　硬接線+通訊共同實現的火電廠電氣監控系統是基于火電廠“DCS一體化設計”模式下的一種變通的節省成本的過渡方案，是現場總線技術于DCS電氣監控部分的一種應用，但僅是基于現場總線技術實現的變電站綜自系統于火電廠電氣配電系統――一種特殊工業環境下的移植。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電氣監控功能呢?

　　2.1 難于實現現場總線技術下火電廠ECS的原因

　　為了滿足對生產工藝控制的要求，DCS必須實現對電氣設備(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用電負荷設備的運行工況及控制對實現生產工藝要求有很大影響，在實際應用中很難把工藝控制與對電氣設備的操作分開。加之DCS推廣應用時，基于現場總線技術實現的變電站綜自系統才剛剛起步，除了采用當時的DCS平臺來實現電氣監控并無更好的自動化解決方案。

　　ECS雖然是電氣監控系統的完整解決方案，但在火電廠電氣監控配電系統領域，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實現互動。ECS與DCS的數據交換本質上是兩種網絡通訊結構不同的系統間的數據通訊，必須加入網關或網橋才能實現，而不能在對等的網絡環境中實現數據通訊。這種傳輸速率、效率、環節、途徑均受限制的通訊方式導致豐富的現場數據中只有少部分通過ECS傳輸至DCS，而重要的控制數據無法放心地交由系統間通訊完成，依然采用硬接線來實現。

　　由此可見，解決ECS在火電廠電氣監控方面的深入應用必須實現其與DCS的互動。ECS與DCS的互動應當通過多層次、對等的網絡架構來實現。為了便于這種互動的實現，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絡結點的各向數據交換都可靠通暢，見圖2。　　

　　2.2 獨立實現火電廠電氣監控功能的全通訊ECS

　　ECS作為獨立的火電廠電氣監控系統而存在，必先解決DCS實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，并且所需測點類型基于以下幾種：

　　控制操作(DO)―― 遙控分合閘;

　　狀態監視(DI) ―― 開關本體信號，如開關位置、手車位置、閉鎖狀態等;

　　運行監視(AI) ―― 負荷電流、功率、母線電壓等。

　　以上測點中僅有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，只在運行界面上進行觀察。以上幾種數據恰是ECS通過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，完全可以通過ECS傳輸給DCS。為達到數據傳輸或交換的實時性要求，采用對等網絡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實現;對于AI數據及部分次重要DI數據的監視采用ECS服務器上傳至DCS操作員站的方式進行傳輸。監控系統數據流向見圖3?！　?/p>

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

　　依圖3，在間隔層采用對等網絡實現了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測點不是從通訊管理機發出就是從通訊管理機取來，取消了DCS電氣部分的硬接線。DPU與通訊管理機實現直接的數據交換，可以采用串口總線交換也可以采用以太網實現數據交換。DPU與通訊管理機通訊無論是一對一還是一對多的方式，從數據傳輸的數量亦或網絡連接的數量上來說都是極少的。依據此需求定制的雙向通訊系統無論從實時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鎖的操作也可以保留少量硬接線進入DCS，或由專用的自動裝置來直接實現，如重要設備的聯鎖保護(鍋爐保護、汽機保護)、保安電源的自動投切等。

　　火電廠電氣監控系統中廠用配電系統的監控操作與生產工藝控制系統并無直接聯系，因此完全可以獨立在ECS中實現。實現的方式及功能配置要求與現場總線技術實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業的操作站、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完全通過與就地保護測控設備、保護設備、采集裝置、自動裝置等電氣二次設備以通訊的方式對全廠納入監控的電氣設備實現監控。ECS的實現架構宜按單元機組及公用系統分開配置。

　　三、全通訊ECS的實現基礎

　　全通訊ECS完善地實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場總線的選擇應用、與DPU數據交換、與DCS通訊三個方面的性能決定了整個全通訊ECS的性能。

　　3.1 現場總線的選擇及組網方式應用

　　3.1.1 ECS對保護測控裝置通訊的接入以現場總線為宜

　　ECS保護測控裝置通訊的接入以現場總線為宜，原因有三：

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

　　2)現場總線電纜材料及組網成本低廉、保護測控裝置配置現場總線接口的成本也較低。

　　3)ECS必須分層向DCS傳輸電氣工藝設備的數據，并且ECS接入設備節點數量過于龐大(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的網絡節點，同時也利于減輕系統服務器通訊的負擔。

　　3.1.2 兩種中低壓保護測控裝置的組網方案

　　1)按工藝系統分配，通訊管理機與DPU采用一對一方式通訊。這種組網方式與DPU通訊簡潔，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，現場總線組網布線難度較大。

　　2)按配電段分配，通訊管理機與DPU采用一對多方式通訊。這種組網方式與DPU通訊宜采用以太網，通過綁定以太網連接實現數據傳輸的穩定可靠。網絡布線簡潔，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通訊管理機，可將通訊管理機的外部網絡連接數控制在6個以內，有助于提高網絡通訊效率。對于大型機組，低壓配電段也是按照大系統的工藝分配來的，因此低壓段也可按配電段分配通訊管理機。

　　3.1.3 現場數據快速更新的保證

　　目前在ECS應用較為廣泛的現場總線有RS-485、CAN、Profibus-DP、LonWorks等，其中以RS-485總線支持的廠商最多，應用也最為廣泛。誠然，在這幾類總線中以RS-485總線的通訊速率最低