WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線在寶泉抽水蓄能電站中的應(yīng)用

劉鵬龍

(河南國(guó)網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453636)

WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線在寶泉抽水蓄能電站中的應(yīng)用

劉鵬龍

(河南國(guó)網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453636)

本文簡(jiǎn)要介紹了WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其在寶泉抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

WorldFIP;現(xiàn)場(chǎng)總線;應(yīng)用;計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng);抽水蓄能電站

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念不斷更新，自動(dòng)化水平越來(lái)越高。寶泉抽水蓄能電站即按無(wú)人值班(少人值守)的要求設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)全廠設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視與控制，在實(shí)現(xiàn)電站無(wú)人值班(少人值守)的同時(shí)，對(duì)電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信系統(tǒng)提出了更高的要求，尋求一種高速、實(shí)時(shí)、可靠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信方式，是電站綜合自動(dòng)化關(guān)鍵問(wèn)題。

現(xiàn)場(chǎng)總線是指在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信、完成測(cè)量控制任務(wù)的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性和設(shè)備間的互操作性，在電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。2000年國(guó)際電工委員會(huì)發(fā)布了IEC61158標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)包括8種類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，本文簡(jiǎn)要介紹其中的WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線及其在寶泉抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線概述

WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線是歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)EN50178的第三部分，最初為Cegelec、ALSTOM等幾家法國(guó)公司在原有通信技術(shù)的基礎(chǔ)上根據(jù)歐洲用戶要求制定，原名FIP(Factory Instrumentation Protocol)，是法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，后來(lái)采納了IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(61158-2)改名為WorldFip，是國(guó)際電工委員會(huì)2000年發(fā)布的IEC61158標(biāo)準(zhǔn)中8種現(xiàn)場(chǎng)總線類(lèi)型中的第7種，其在能源、交通、運(yùn)輸、自動(dòng)化等工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，如我國(guó)的廣東嶺澳核電站、上海地鐵及本文即將介紹的寶泉抽水蓄能電站等項(xiàng)目中均使用了WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線融合了通信技術(shù)、信息技術(shù)及控制技術(shù)等多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是一種面向工業(yè)控制的、先進(jìn)的、開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，其主要特點(diǎn)體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的實(shí)用性、實(shí)時(shí)性、同步性和可靠性：

(1)實(shí)用性

WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線與Internet類(lèi)似，采用曼徹斯特編碼方式,以工業(yè)屏蔽雙絞線或光纖作為傳輸介質(zhì)，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離。數(shù)據(jù)傳輸速率有31.25kbps、1Mbps及2.5Mbps三種標(biāo)準(zhǔn)速率，其中典型傳輸速率為1Mbps。在三種標(biāo)準(zhǔn)速率下的最大通信距離分別為5km、1km和0.5km,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中繼器,總線可分別擴(kuò)展到20km、5km和2km。

(2)實(shí)時(shí)性

在WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中信息以廣播的形式發(fā)出，負(fù)責(zé)通信調(diào)度的總線仲裁器按照事先設(shè)計(jì)好的“變量掃描表”(總線仲裁表)周期性地向總線上廣播含變量標(biāo)識(shí)符的“問(wèn)題幀”，當(dāng)唯一的生產(chǎn)者識(shí)別出該問(wèn)題幀是向自己發(fā)出的之后，以“響應(yīng)幀”作為回應(yīng)，同樣以廣播的形式向總線發(fā)布有關(guān)信息，該信息可以別一個(gè)或多個(gè)使用者使用。使用者除對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)外，還根據(jù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的時(shí)間限制對(duì)其進(jìn)行確認(rèn)，保證了總線仲裁表中的數(shù)據(jù)得到周期性刷新。

(3)同步性

WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線的生產(chǎn)者/使用者模式和總線仲裁器的調(diào)度方式保證了在一條總線上傳遞大量信息的同時(shí)，不會(huì)干擾時(shí)限變量?？刂菩畔⒑头强刂菩畔⒛茉谕粭l總線上互不干擾地傳遞。

(4)可靠性

WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線具有介質(zhì)冗余功能，通信控制器可以連接兩路獨(dú)立的傳輸介質(zhì)，在雙介質(zhì)運(yùn)行時(shí)，兩路介質(zhì)相互熱備用。當(dāng)某一介質(zhì)發(fā)生斷線等故障而造成通信中斷時(shí)，通信控制器會(huì)自動(dòng)將通信數(shù)據(jù)無(wú)擾切換到另一路冗余介質(zhì)上，并能保證數(shù)據(jù)的完整性及正確性，不需要應(yīng)用程序的干預(yù)，極大地增強(qiáng)了通信可靠性。

3 WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線在寶泉電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 寶泉抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

寶泉抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用ALSTOM ALSPA P320系統(tǒng)，它是一種智能型分層分布式開(kāi)放式控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)功能由調(diào)度層、電站控制層和現(xiàn)地單元控制層組成。監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)為兩級(jí)三個(gè)網(wǎng)絡(luò)，如圖1示意。監(jiān)控主網(wǎng)絡(luò)(S8000-E)采用100MB/S冗余光纖快速交換式以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選用適合于電站環(huán)境的100MB/S級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，電站控制層設(shè)備及現(xiàn)地制單元設(shè)備均直接接在該網(wǎng)絡(luò)上，面向監(jiān)控對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)(F8000)采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，總線方式采用WorldFIP，還有用于系統(tǒng)維護(hù)及打印機(jī)連接等功能的Site Network。

3.2 WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線在寶泉電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

由于WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線具有通信速率快、通信距離遠(yuǎn)、同步性好及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架時(shí)面向監(jiān)控對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)F8000采用了WorldFIP總線方式，通信速率采用典型速率1Mbps，通信介質(zhì)采用工業(yè)級(jí)屏蔽雙絞線和光纖，F(xiàn)8000網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示(LCU1)。

圖1 寶泉電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為寶泉電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)8個(gè)現(xiàn)地控制單元中(LCU)中的一個(gè)：1#機(jī)組現(xiàn)地控制單元LCU1的F8000網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其他LCU與此類(lèi)似。以下就以LCU1來(lái)簡(jiǎn)要介紹以下寶泉電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中WorldFIP總線網(wǎng)絡(luò)F8000的構(gòu)成。如圖2所示，LCU1 F8000 WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)有2個(gè)PCX(Cell Controller)、1個(gè)C8035 IHR Controller、4個(gè)C8035 Field Controller、2個(gè)AVR Controller、1個(gè)T_SLG Controller和2個(gè)DI103 gaterway組成，勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、球閥系統(tǒng)均直接掛在F8000總線網(wǎng)絡(luò)中，是總線的一個(gè)節(jié)點(diǎn)用戶。2個(gè)PCX工控機(jī)冗余配置，互為熱備用，設(shè)備地址分別為0和1；C8035 IHR Controlle又稱(chēng)SOE控制器，用于一些重要開(kāi)關(guān)量信號(hào)的采集，其數(shù)據(jù)采集分辨率為1ms，設(shè)備地址為2；4個(gè)C8035 Field Controller中有3個(gè)用于機(jī)組數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)的采集和輸出以及Modbus通信等，設(shè)備地址是4和6，另外一個(gè)專(zhuān)用于球閥的控制，設(shè)備地址為12；2個(gè)AVR Controller是勵(lì)磁控制器，冗余配置，互為熱備用，設(shè)備地址為8和9；T_SLG Controller是水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)的控制器，設(shè)備地址為10；2個(gè)DI103 gaterway分別用于監(jiān)控系統(tǒng)和發(fā)變組A組保護(hù)、B組保護(hù)的數(shù)字通信，設(shè)備地址為14和15。

圖2 寶泉電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)F8000網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)F8000各組成部分協(xié)同工作完成機(jī)組監(jiān)視與控制的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工處理、邏輯運(yùn)算和執(zhí)行輸出等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制。由F8000總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的現(xiàn)地控制單元LCU可以獨(dú)立于全廠監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)S8000-E而獨(dú)立工作，當(dāng)S8000-E出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)危及機(jī)組的安全運(yùn)行，可以在現(xiàn)地控制層繼續(xù)對(duì)機(jī)組進(jìn)行監(jiān)視與控制。

由于部分控制器距離LCU盤(pán)柜較遠(yuǎn)，因此F8000總線網(wǎng)絡(luò)在通信介質(zhì)上選用了兩種：工業(yè)級(jí)屏蔽雙絞線和多模光纖。控制器比較集中的地方使用工業(yè)級(jí)屏蔽雙絞線，距離LCU盤(pán)柜較遠(yuǎn)的控制器，如勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、球閥系統(tǒng)和高壓氣系統(tǒng)等則采用多模光纖作為通信介質(zhì)，兩種通信介質(zhì)的過(guò)渡用帶有電口和光口的中繼器(Repeater)實(shí)現(xiàn)，在此F8000總線網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)光纖連接的控制器又稱(chēng)之為遠(yuǎn)方控制器(Remote Controller)。

為保證通信的安全性和可靠性，重要部件采用冗余配置，互為熱備用，如PCX和勵(lì)磁AVR控制器均配置兩個(gè)，同時(shí)F8000網(wǎng)絡(luò)也采用冗余配置(F8000 M1、F8000 M2)，即總線上的每一個(gè)控制器配置有兩個(gè)通信接口，同時(shí)連接兩個(gè)獨(dú)立的F8000網(wǎng)絡(luò)F8000 M1和F8000 M2，又兩個(gè)PCX均配置成總線仲裁器，總線仲裁器的切換隨PCX主備用的切換而自動(dòng)切換，保證了通信調(diào)度的可靠性，此F8000總線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用了多重保障措施來(lái)確保通信的可靠性和安全性。

由于把機(jī)組和主變保護(hù)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、球閥系統(tǒng)，以及LCU5中的高壓氣系統(tǒng)控制器等直接掛在總線網(wǎng)絡(luò)上作為總線的一個(gè)節(jié)點(diǎn)用戶，這樣極大地方便了不同系統(tǒng)設(shè)備間的互聯(lián)，鑒于WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中信息以廣播的形式發(fā)出以及其生產(chǎn)者/使用者模式和總線仲裁器的調(diào)度方式，有效地保證了信息交換的可靠性、實(shí)時(shí)性和同步性，同時(shí)也給設(shè)備維護(hù)和管理提供了極大便利，可以在S8000-E網(wǎng)絡(luò)上的任意一個(gè)人機(jī)接口查看到整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)控制器的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)論

寶泉抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)F8000運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，未發(fā)生過(guò)F8000通信中斷事故，以其可靠性、實(shí)時(shí)性和同步性保證了機(jī)組的安全運(yùn)行，同時(shí)也給監(jiān)控設(shè)備的遠(yuǎn)程集中維護(hù)和管理提供了便利，有利于提高監(jiān)控設(shè)備管理水平，是一種成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

[1] 陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,1998.

[2] 吳亞平.WorldFIP—一種先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線[J].中國(guó)儀器儀表,2001,1.

[3] 寶泉抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)手冊(cè)[Z].

Application of WorldFIP Fieldbus in BAOQUAN Pumped Storage Power Station

LIUPeng-long

(State Grid Henan BAOQUAN Pumped Storage Co.,Ltd,Xinxiang 453636，China)

the paper introduces the WorldFIP field bus and its application in the computer supervisory and control system(CSCS)in BAOQUAN pumped storage power station.

worldFIP;fieldbus;application;CSCS;pumped;storage;power;station

1004-289X(2016)05-0092-04

TM76

B

2016-03-10