基于TCP/IP協(xié)議的智能前端在宣化熱電的應(yīng)用

李靜

（河北建投宣化熱電有限責(zé)任公司，河北張家口 075100）

智能前端屬于遠(yuǎn)程IO的一種，是布置在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)最前端的、距離一次元件最近的遠(yuǎn)程IO.發(fā)電行業(yè)內(nèi)的遠(yuǎn)程IO主要有兩類：一類是DCS或PLC控制系統(tǒng)本身的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置，包括DCS系統(tǒng)的遠(yuǎn)程柜、PLC系統(tǒng)的遠(yuǎn)程IO模塊;另一類就是專業(yè)的智能前端，它具有控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程IO所缺少的對(duì)惡劣環(huán)境的承受能力［1］.

由于發(fā)電行業(yè)對(duì)設(shè)備的可靠性、安全性要求較高，一些新技術(shù)、新產(chǎn)品往往因?yàn)闆]有使用業(yè)績(jī)而無法入圍.經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)投運(yùn)機(jī)組及新建機(jī)組中尚未出現(xiàn)直接基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的智能前端，大多采用傳統(tǒng)的RS485等串行通訊協(xié)議，或通過增加網(wǎng)橋、上位機(jī)等通訊控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議.而基于Profibus等新一代現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的一次設(shè)備，由于其造價(jià)較高，對(duì)于大量的溫度信號(hào)采集來說，性價(jià)比較低［2］.

隨著工業(yè)以太網(wǎng)的飛速發(fā)展，工業(yè)交換機(jī)等設(shè)備早已廣泛使用，智能前端具備了使用以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議通訊的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ).可采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速的故障定位，并達(dá)到100 Mbps的通訊速率.因此，在河北建投宣化熱電2×330 MW燃煤供熱機(jī)組工程中，筆者通過實(shí)地研究該廠所采用的基于以太網(wǎng)TCP/IP通訊協(xié)議智能前端的使用情況后發(fā)現(xiàn)，TCP/IP協(xié)議的運(yùn)用不但可減少電廠故障的處理時(shí)間，提高機(jī)組的安全可靠性，還有效提升了遠(yuǎn)程IO設(shè)備通訊的安全性.

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的智能前端網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常采用RS485串行通訊為基礎(chǔ).DCS系統(tǒng)的串行通訊模件通過工業(yè)串行通訊電纜連接到第1臺(tái)智能前端的通訊輸入端子，再?gòu)牡?臺(tái)智能前端的通訊輸出端子連接到第2臺(tái)智能前端的通訊輸入端子，依次連接到第n臺(tái)智能前端［3］.當(dāng)前的主流智能前端產(chǎn)品均采用冗余通訊模式，即雙485通訊，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.對(duì)于無RS485通訊模件的部分DCS系統(tǒng)，還需要在通訊鏈路中加裝RS485/RS232轉(zhuǎn)換器.

圖1 傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在這種模式下，只要有任何一臺(tái)不在末端的智能前端的通訊接線端子松動(dòng)，就會(huì)影響在其之后的所有智能前端.而某些對(duì)通訊回路電阻要求較高的DCS系統(tǒng)，甚至?xí)l(fā)生因缺少終端匹配電阻而造成整條RS485通訊總線上的所有前端產(chǎn)生通訊障礙的情況.這會(huì)對(duì)判斷故障點(diǎn)的位置造成很大困擾，只能采用將終端電阻加在某前端的通訊級(jí)聯(lián)端子上的方法來檢查此前端與更靠前的前端是否正常.采用TCP/IP以太網(wǎng)協(xié)議的前端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2.

前端和工業(yè)交換機(jī)可以設(shè)置在臨近一次元件的鍋爐頂部平臺(tái)或汽輪機(jī)各平臺(tái)處的控制柜內(nèi)，將一次元件接入智能前端的各采集通道.控制柜內(nèi)的各前端采用帶屏蔽層的以太網(wǎng)雙絞線連接工業(yè)交換機(jī).由于控制柜柜體有電磁屏蔽的功能，且前端和交換機(jī)在同一柜內(nèi)，距離約為1～3 m，外界電磁干擾對(duì)以太網(wǎng)雙絞線的影響極小.控制柜內(nèi)的工業(yè)交換機(jī)和DCS系統(tǒng)之間采用光纖通訊，不論距離遠(yuǎn)近，均不會(huì)受到電纜橋架上其他電纜或現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾源的電磁干擾，因此以太網(wǎng)的前端設(shè)備具有較強(qiáng)的抗干擾能力.

圖2 采用以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 TCP/IP協(xié)議與RS485串口協(xié)議的通訊對(duì)比

2.1 物理連接

以太網(wǎng)的物理連接采用帶屏蔽的RJ45接口，此種接口廣泛用于通訊和IT等行業(yè)［4］.由于插座口內(nèi)傾斜的8根細(xì)長(zhǎng)滑動(dòng)觸頭與插頭內(nèi)的8根帶狀軌道靠彈力接觸，即使插頭在插座內(nèi)發(fā)生少量前后位移也不會(huì)影響接觸，因此具有良好的抵抗生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)的能力.此外，在RJ45水晶插頭的根部具有彈力卡扣，可以把插頭牢牢固定在插座上的卡槽內(nèi).所有以太網(wǎng)線的屏蔽層與網(wǎng)線兩端RJ45水晶插頭的金屬外殼壓接（制作好RJ45屏蔽水晶頭后即完成屏蔽層壓接），接入交換機(jī)后即與交換機(jī)共地，相當(dāng)于在交換機(jī)處進(jìn)行單點(diǎn)接地.對(duì)其進(jìn)行接通和斷開通訊只需將插頭拔出或插入即可，無需任何工具，非常方便.

RS485串行接口的物理連接一般采用接線端子將通訊線正負(fù)兩端以及屏蔽層使用端子上的壓緊螺絲壓接.一根通訊線的一端需要緊固正、負(fù)、屏蔽等3個(gè)端子，運(yùn)行過程中隨著機(jī)組的振動(dòng)有可能會(huì)發(fā)生端子螺絲松動(dòng)造成通訊故障.此外，接線和拆線需要使用螺絲刀等工具較為不便.

2.2 冗余連接

以太網(wǎng)總線上的數(shù)據(jù)包按照各設(shè)備的IP地址進(jìn)行通訊，一條總線上的數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備不但可以并發(fā)，還可和幾個(gè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求設(shè)備同時(shí)進(jìn)行通訊，且相互不影響.此外，以太網(wǎng)總線除了可以從一個(gè)IP地址向多個(gè)IP地址發(fā)送數(shù)據(jù)包之外，還可以向整個(gè)網(wǎng)段發(fā)送數(shù)據(jù)包.有一“從”多“主”、多“從”多“主”的功能，并可雙向傳輸.而以太網(wǎng)總線上某個(gè)智能前端的數(shù)據(jù)可以通過同一總線向不同的系統(tǒng)如向DCS系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)、小指標(biāo)統(tǒng)計(jì)軟件等同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，這種在一條數(shù)據(jù)總線上可以有多套系統(tǒng)接受智能前端數(shù)據(jù)包的高冗余情形，是傳統(tǒng)RS485方式所無法完成的.當(dāng)智能前端配備兩條以太網(wǎng)通訊總線時(shí)，系統(tǒng)的冗余更是達(dá)到了極高的程度.

在串行RS485接口的傳統(tǒng)通訊方式下，必須通過兩條總線方可實(shí)現(xiàn)冗余功能，而且冗余功能為冷備冗余，即在某一時(shí)刻只能主網(wǎng)（A網(wǎng)）或者副網(wǎng)（B網(wǎng)）單網(wǎng)運(yùn)行，主系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)切換，只能和一個(gè)主系統(tǒng)進(jìn)行連接.由于RS485通信一般應(yīng)用在一“主”多“從”方式，即DCS系統(tǒng)為主，各智能前端為從，因此數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備不能同時(shí)和幾個(gè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求設(shè)備通信，只能進(jìn)行單向傳輸數(shù)據(jù).

2.3 故障影響與維護(hù)

以下分別從設(shè)備問題影響、斷路影響、短路影響3個(gè)方面，對(duì)以太網(wǎng)通訊接口和RS485通訊接口的智能前端進(jìn)行對(duì)比，見表1.

2.4 通訊速率及帶寬

以太網(wǎng)智能前端采用局域網(wǎng)（LAN）設(shè)備使用的以太網(wǎng)接口芯片，通常為10 Mbps或（和）100Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)控制器，通訊速率最大可達(dá)100 Mbps，是串口通訊速率的100倍至1 000倍.超過1 000點(diǎn)數(shù)據(jù)1 s內(nèi)可實(shí)現(xiàn)全部刷新.宣化熱電公司DCS系統(tǒng)采用了GE新華公司的XDPS400e系統(tǒng)，支持千兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī).可以和千兆以太網(wǎng)設(shè)備采用1 Gbps的速率進(jìn)行通訊.

表1 兩種通訊接口的智能前端對(duì)比

RS485通信接口應(yīng)用通訊速度最高為115.2 kbps，受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和通訊距離影響較大，一般為9.6 kbps，比100 Mbps以太網(wǎng)速率慢很多.超過1 000點(diǎn)的數(shù)據(jù)需耗時(shí)4～5 s才能實(shí)現(xiàn)全部刷新.

2.5 系統(tǒng)支持

由于具備以太網(wǎng)接口，宣化熱電使用的智能前端主系統(tǒng)采用雙32位嵌入式ARM7硬件平臺(tái)，系統(tǒng)維護(hù)方便，擴(kuò)展性好.ARM7系列處理器是英國(guó)ARM公司設(shè)計(jì)的主流嵌入式處理器，具有嵌入式10 M/100 M以太網(wǎng)MAC，CAN，全速（12 Mbps）USB 2.0，高速AES/3DES加密引擎等功能.

而采用串口通訊的智能前端則無法利用先進(jìn)的32位ARM7系列處理器所具有的嵌入式以太網(wǎng)功能，大多采用單一的16位系統(tǒng)，不具備各種擴(kuò)展功能.

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

3.1 以太網(wǎng)的前端配置

宣化熱電2×330 MW機(jī)組一期工程汽機(jī)側(cè)和鍋爐側(cè)各設(shè)置8臺(tái)24通道智能前端，主要用于溫度信號(hào)（熱電阻、熱電偶）的采集.鍋爐側(cè)智能前端按照爐左、爐右、爐前、爐后分散布置，通過光纖將分散布置的前端與爐頂工業(yè)交換機(jī)連接，爐頂工業(yè)交換機(jī)采用進(jìn)口赫斯曼工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，通過光纖與DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)交換機(jī)連接.汽機(jī)側(cè)由于一次元件較為集中，在12.6 m運(yùn)轉(zhuǎn)層平臺(tái)布置了一個(gè)1 200mm×600 mm×2 000 mm（長(zhǎng)×深×高）的控制柜，8臺(tái)智能前端及工業(yè)交換機(jī)均布置在控制柜內(nèi).前端與交換機(jī)之間采用屏蔽以太網(wǎng)線連接，交換機(jī)與DCS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)采用光纖連接.

首次配置時(shí)先將一臺(tái)前端的以太網(wǎng)線接入就地工業(yè)交換機(jī)內(nèi)，在DCS系統(tǒng)工程師站運(yùn)行ZNetCom V2.51軟件，界面如圖3所示.

圖3 ZNetCom軟件界面

點(diǎn)擊工具條的“搜索設(shè)備”按鈕，剛接入的此前端會(huì)被軟件搜索到，并顯示在右側(cè)的列表中.此時(shí)在右側(cè)列表中選中此前端，并在左側(cè)的屬性欄內(nèi)設(shè)置此前端的名稱、密碼、IP地址等參數(shù).注意IP地址不要與DCS系統(tǒng)中已有的設(shè)備沖突，將網(wǎng)關(guān)地址和DCS系統(tǒng)設(shè)置成一樣即可.設(shè)置完畢后點(diǎn)擊“確定”按鈕即可將剛才設(shè)置的參數(shù)傳輸?shù)街悄芮岸酥?然后再連接第2臺(tái)智能前端的網(wǎng)線，按照同樣步驟進(jìn)行設(shè)置，直到全部設(shè)置完成.逐一聯(lián)網(wǎng)的目的是避免點(diǎn)擊“搜索設(shè)備”按鈕后搜出許多前端，無法將其與現(xiàn)場(chǎng)的前端相對(duì)應(yīng).但首次設(shè)置中，各前端均設(shè)置了不同的名稱和IP，因此就很容易將不同的設(shè)備區(qū)分開.

3.2 智能前端的通信效果

宣化熱電1#機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行已經(jīng)超過一年，在一年多的時(shí)間內(nèi)，智能前端的通訊非常穩(wěn)定.其間發(fā)生過一次18個(gè)溫度點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)故障的事故，根據(jù)DCS系統(tǒng)中點(diǎn)的配置文件查出這18個(gè)點(diǎn)位于同一臺(tái)智能前端上，并得出這臺(tái)前端的IP地址，檢修人員直接檢查相應(yīng)的那臺(tái)智能前端，發(fā)現(xiàn)是其電源線松動(dòng)、失去工作電源所致.緊固電源接線端子后故障被消除.由出現(xiàn)故障到故障被消除整個(gè)過程未超過5 min.

4 結(jié)論

（1）宣化熱電在一期330 MW火電機(jī)組中全部采用了最新的雙以太網(wǎng)總線TCP/IP協(xié)議智能前端，投產(chǎn)后前端通訊部分未發(fā)生過任何故障.由于采用星型的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其他原因造成的缺陷或故障均能夠快速、準(zhǔn)確地定位到故障點(diǎn)，給故障處理提供了極大的便利條件，同時(shí)減少了故障處理時(shí)間，提高了整個(gè)機(jī)組的安全可靠性.

（2）智能前端設(shè)備在通訊部分由傳統(tǒng)的RS485串口通訊模式升級(jí)到以太網(wǎng)通訊模式是一個(gè)巨大的飛躍，有效提升了遠(yuǎn)程IO設(shè)備的通訊安全，真正實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程IO設(shè)備與DCS系統(tǒng)在數(shù)據(jù)刷新和數(shù)據(jù)同步上的無縫連接.

［1］馬呈祥.基于工業(yè)以太網(wǎng)的DCS遠(yuǎn)程IO控制站通訊卡設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2011（1）：134-135.

［2］陸寶春，張衛(wèi)，孫宇.制造系統(tǒng)智能前端的研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2004（9）：1 057-1 059.

［3］余思思，王文海.遠(yuǎn)程I/O站與DCS通訊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2008（8）：22-26.

［4］李晶，陳建峰.遠(yuǎn)程智能I/O及現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)方案［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2006（4）：106-107.

（編輯蘇娟）