基于MODBUS協(xié)議IDAS系統(tǒng)在火電廠應用

夏 跡，郭興勝

(浙江浙能樂清發(fā)電有限責任公司，浙江 溫州325609)

0 引 言

現(xiàn)階段，在電力生產(chǎn)中廣泛應用DCS集散控制系統(tǒng)。它具有控制功能分散且豐富，可實現(xiàn)多種復雜控制及優(yōu)化控制，具備集中監(jiān)視操作、分級管理、可靠性高、開放性強、靈活便于維護等特點，是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)[1]。

但隨著電廠單機容量的日漸增加，生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的不斷大型化、復雜化，需要監(jiān)測和控制的參數(shù)也在不斷增加。對通信數(shù)據(jù)量等方面需求的不斷提高，導致DCS控制系統(tǒng)單一的環(huán)網(wǎng)配置已不能滿足控制要求，IDAS系統(tǒng)越來越多地得到了應用。IDAS系統(tǒng)采用遠程I/O前置采集器布置于生產(chǎn)現(xiàn)場，再經(jīng)由打包器、Nport連入以太網(wǎng)，并入DCS系統(tǒng)。其中遠程I/O前置采集器通常布置在就地距離測點位置較近的地方，與從測點直接布線至電子室DCS機柜端子板相比，大量節(jié)省了電纜的長度[2]。同時，由于長距離傳輸，電纜的線阻大，也減少了由此引起的測量不準確現(xiàn)象，提高了測量的精度。

IDAS系統(tǒng)中遠程I/O與上位系統(tǒng)直接對接，為直行單層結構，結構構成簡單清晰，系統(tǒng)維護方便[3]。作為DCS系統(tǒng)的有益補充，它在擴大系統(tǒng)涵蓋范圍的同時，降低了系統(tǒng)的復雜性，簡化了系統(tǒng)結構，在充分發(fā)揮系統(tǒng)的整體效能方面發(fā)揮了重要的作用。

IDAS系統(tǒng)的發(fā)展，得益于通信協(xié)議和設備之間串行通訊的應用。同時，由于MODBUS協(xié)議定義的是一種數(shù)據(jù)幀結構，獨立于物理層介質，所以控制器能夠識別和使用，而不受限于設備通信的網(wǎng)絡類型，具有非常良好的適用性。由此可見，將IDAS系統(tǒng)接入到DCS系統(tǒng)中進行統(tǒng)一監(jiān)視、控制、管理，能夠極大地提高企業(yè)的經(jīng)濟效率和管理水平。

1 IDAS系統(tǒng)構成

1.1 IDAS系統(tǒng)概述

某廠的IDAS系統(tǒng)以上海耀明QD系列前置數(shù)據(jù)采集盒搭配ABB公司Symphony系統(tǒng)的上位機使用。IDAS系統(tǒng)在硬件配置上，主要包括遠程I/O前置采集器、打包器、Nport。前置器采用串口RS-485遠程通信方式，打包器進行數(shù)據(jù)的采集和存儲，再經(jīng)由Nport把數(shù)據(jù)匯入DCS系統(tǒng)。

以1號機組為例，共配置IDAS測點1 648個，加之40個計算值。測點主要包含汽機側定子線圈溫度、輔機的電機線圈溫度和繞組溫度；鍋爐側過熱器、再熱器金屬壁溫；電氣側輔機電度表。計算值為部分選定測點的最大值、最小值，它便于運行人員對批量測點進行直觀監(jiān)視。

1.2 IDAS系統(tǒng)與環(huán)網(wǎng)的連接

機、爐側分設兩路遠程I/O前置采集器，各前置器之間為并行連接。每路前置器末端分別接入打包器(A網(wǎng))和打包器(B網(wǎng))，再經(jīng)Nport1和Nport2，由交換機(HUB)送入IDAS系統(tǒng)服務器。此種接線實現(xiàn)了打包器和Nport兩者的冗余配置。就地電氣信號經(jīng)由Nport3同樣連接至交換機。DCS系統(tǒng)PGP服務器S2和S4電腦同時作為IDAS系統(tǒng)的服務器，分別直接從Nport1和Nport2上讀取數(shù)據(jù)，并作為其他DCS系統(tǒng)PGP服務器IDAS點的數(shù)據(jù)源，其系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1 IDAS系統(tǒng)與環(huán)網(wǎng)的連接

1.3 遠程I/O前置采集器的配置

遠程I/O前置采集器安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(如：發(fā)電機旁、汽輪機旁、凝結水泵旁和鍋爐的爐頂及爐壁)等場所，可直接采集現(xiàn)場模擬量信號并將其轉換為數(shù)字量信號，送到打包器中。

以機側為例，就地共配置14個前置器，分別安裝于汽機平臺0 m層4個、6.4 m層2個和13.7 m層8個。前置器電源取自機側DCS電源柜10CUN02，送至就地電源箱10CUN06。1路進線，14路出線，各前置器獨立供電。電源接線如圖2所示。

圖2 機側前置器電源接線

前置器內(nèi)各通道的輸入信號可任意選擇，熱電阻、熱電偶、電壓、電流完全通用，只需按照各種信號的輸入接線方式正確接線，并改變通道插針組態(tài)即可。

汽機側IDAS測點共有229個。其中選用熱電偶溫度元件106個，熱電阻溫度元件123個，具體測點分布見表1。

表1 機側IDAS前置器測點分布

1.4 打包器和Nport的物理連接

各遠程I/O前置采集器并行連接后，接至通信控制器(或串口服務器)，即打包器。再經(jīng)過Nport完成RS-485到TCP/IP之間的數(shù)據(jù)轉換，連接至以太網(wǎng)交換機(HUB)，與IDAS系統(tǒng)服務器進行數(shù)據(jù)通信。

打包器和Nport之間的連接圖如圖3所示。最后一個前置采集器的兩路輸出分別接至打包器(A網(wǎng))和打包器(B網(wǎng))的1號端口。打包器(A網(wǎng))的2號端口連接至Nport1的4號端口，打包器(B網(wǎng))的2號端口連接至Nport2的2號端口。配合軟件上的設置，可以實現(xiàn)機側數(shù)據(jù)經(jīng)由打包器(A網(wǎng))、Nport1和打包器(B網(wǎng))、Nport2的兩路冗余通信，切實保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖3 打包器和Nport之間的連接

從遠程I/O前置采集器到Nport之間的連接，均采用屏蔽雙絞線MODBUS-RTU國際標準協(xié)議。前置器通過2條冗余配置相互隔離的全雙工RS485通訊線將數(shù)據(jù)直接傳送到打包器。

MODBUS協(xié)議使用主從應答式連接。一路通信為打包器發(fā)出信號尋址某一臺唯一的前置器，另一路通信為被尋址的前置器發(fā)出的應答信號傳輸給打包器[4-5]。因此，就要求每只前置器只能使用一個地址號，且不能和同一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中另一只前置器地址相同。另外，MODBUS協(xié)議只允許在打包器和前置器之間通信，而不允許各前置器之間的數(shù)據(jù)交換。

1.5 操作員站的設置

S2和S4電腦作為IDAS系統(tǒng)的服務器，直接通過以太網(wǎng)從Nport獲取數(shù)據(jù)，其他DCS系統(tǒng)PGP服務器的IDAS點再接收這兩臺電腦中數(shù)值。所以，S2和S4電腦均需要安裝Nport Administrator(Nport管理器)和ScanMonitor軟件。

1.5.1 Nport管理器

在Nport管理器的Nport-COM Mapping一項中，可直觀看到該臺IDAS系統(tǒng)服務器配置的Nport個數(shù)、每個Nport的端口數(shù)目以及每個Nport端口同該臺服務器進行通訊的具體COM口。S2和S4電腦的Nport及端口配置情況如圖4、圖5所示。

圖4 S2電腦的Nport及端口配置情況

圖5 S4電腦的Nport及端口配置情況

從圖4、圖5可以看出，IDAS系統(tǒng)服務器S2電腦共配置2個Nport，即Nport1和Nport3，S4電腦配置1個Nport，即NPort2。其中Nport1、Nport2各有4個端口，Nport3有8個端口。

由于Nport是直連在以太網(wǎng)中的，它具有單獨的IP地址?？捎纱伺袆e各端口顯示是否同屬于1個Nport。另外，在PGP注冊表Scanner一項中，對應不同的打包器，其BusPort值表示該打包器連接至Nport的端口號。該設置必須和其硬件連接保持一致，才能保證通信正常。這點在運行機組新增打包器，進行軟件設置時需要尤其注意。

1.5.2 ScanMonitor軟件

在ScanMonitor軟件中，可以看到IDAS系統(tǒng)服務器所連接的Nport端口的運行情況。S2和S4電腦的ScanMonitor畫面如圖6、圖7所示。

圖6 S2電腦的ScanMonitor畫面

圖7 S4電腦的ScanMonitor畫面

如圖6、圖7所示，S2電腦連接打包器(A網(wǎng))、打包器(B網(wǎng))、電氣表共3個打包器。S4電腦連接打包器(A網(wǎng))和打包器(B網(wǎng))。一般來講，前面的指示燈狀態(tài)綠色代表通信正常；紅色代表通信中斷；若為黃色，說明其通信出現(xiàn)故障。

2 最大值、最小值的計算

所有IDAS系統(tǒng)中最大值、最小值的計算均由DCS系統(tǒng)PGP服務器中的HIS(歷史站)電腦完成。在該臺電腦D:/PGP/config/calc文件夾內(nèi)，包含有.xla文件的執(zhí)行函數(shù)、.DBF文件的計算值數(shù)據(jù)庫以及.txt文件的計算式。如T01是取b600到b617的最大值，其計算式如圖8所示。另外，在DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，每個計算值的Formula一項，可以看到其Formula file，即該點計算式所在的具體.txt文件名。

圖8 最大值(T01)的計算式

3 數(shù)據(jù)顯示故障的處理

實際運行過程中，若全部IDAS測點失準，可查看ScanMonitor軟件狀態(tài)，通常重啟S2或S4電腦即可解決。若僅僅是計算值數(shù)據(jù)出錯，應重啟歷史站電腦。如果連續(xù)的多個數(shù)據(jù)同時顯示失準，應檢查是否為單個前置器引起。

圖9所示為各前置器之間的并聯(lián)結構圖。假定1號為起始地址，順次地并聯(lián)到2、3……n號前置器，再送入打包器。以圖9中2號前置器為例，對故障情況進行說明。

圖9 前置器之間的并聯(lián)結構

如果前置器2的主、從通信中1個接頭被拔掉，2號前置器失去冗余，S2或S4電腦的2號前置器無數(shù)據(jù)。根據(jù)打包器與Nport的對應關系，當拔掉接頭的一組通訊連接到Nport1時，S2電腦顯示異常；反之，則S4電腦顯示異常。當前置器2的兩路通信插頭全部拔掉時，則所有PGP電腦的2號前置器數(shù)據(jù)均不能正常顯示。如果前置器2的主、從通訊中全部接線斷線，則2號前置器及2號前置器之前的前置器(在圖9中為前置器1)離線,3號前置器及后面的數(shù)據(jù)可以正常顯示。

4 結 語

面對大量現(xiàn)場信號，采用前置器可節(jié)約大量信號電纜和補償導線。基于MODBUS通信協(xié)議的IDAS系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術中就地數(shù)據(jù)向遠程統(tǒng)一傳送的功能。但由于其通信的可靠性尚存在不足，并沒有應用到控制系統(tǒng)的邏輯保護部分。

隨著智能儀表的開發(fā)與完善，現(xiàn)場總線技術終將在電廠中得到實際應用和大力推廣。智能電廠將是新一代熱工技術人員共同奮斗的目標。