文義榮，李娟，張傳永，王姍姍，丁福利

(1.北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京市，100192;2.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京市，100084)

0 引言

火電廠由于熱工生產(chǎn)工藝復(fù)雜，各子系統(tǒng)耦合性強(qiáng)，始終難以大范圍應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線，而火電廠的電氣自動(dòng)化具有自然的分層分布式架構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)面向設(shè)備(對(duì)象)的分布式控制，因而現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在火電廠中率先從分布式電氣自動(dòng)化開始得到大規(guī)模應(yīng)用。2003年，國(guó)內(nèi)首例采用現(xiàn)場(chǎng)總線的電廠自動(dòng)化系統(tǒng)在國(guó)電宣威6期2×300 MW機(jī)組上應(yīng)用。系統(tǒng)是由美國(guó)力諾公司MAX1000和四方公司的CSPA-2000系統(tǒng)混合實(shí)現(xiàn)的分布式控制系統(tǒng)(distribute control system，DCS)+現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(fieldbus control system，F(xiàn)CS)，其中 MAX1000的DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了熱工自動(dòng)化，CSPA-2000的FCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的電氣自動(dòng)化，F(xiàn)CS系統(tǒng)按DCS工藝與DCS的DPU通信融為一套控制系統(tǒng)，共同實(shí)現(xiàn)了大機(jī)組火電廠的機(jī)、爐、電一體化協(xié)同控制［1］。

Profibus作為主流的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線之一，在火電廠自動(dòng)化中受到越來越多的重視，西門子公司在國(guó)內(nèi)的華能金陵電廠和華能九臺(tái)電廠進(jìn)行了Profibus-DP的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用嘗試［2］，利用 Profibus-DP實(shí)現(xiàn)了DCS的遠(yuǎn)程IO。四方公司的CSPA-2000 FDCS系統(tǒng)是兼容 DCS和 FCS的新一代控制系統(tǒng)［3］，支持LonWorks和Profibus-DP實(shí)現(xiàn)火電廠的機(jī)爐電和輔控系統(tǒng)自動(dòng)化。其中Profibus-DP即可用于擴(kuò)展DCS的遠(yuǎn)程IO和分布式控制器，也可作為電氣分布式保護(hù)測(cè)控裝置。CSPA-2000 FDCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能更適合實(shí)現(xiàn)火電廠的全廠一體化分布式控制。其中現(xiàn)場(chǎng)總線電氣控制系統(tǒng)(fieldbus electric control system，F(xiàn)ECS)是Profibus-DP應(yīng)用的關(guān)鍵內(nèi)容。CSPA-2000 FECS系統(tǒng)［4］采用 CSC-831系列低壓保護(hù)測(cè)控裝置作為電氣測(cè)控從站，配合CSC-861主控單元，構(gòu)建基于Profibus-DP的現(xiàn)場(chǎng)總線電氣控制系統(tǒng)。CSC-831從站裝置完全下放安裝在電氣開關(guān)柜上，實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜的智能化，取消大量電纜和二次設(shè)備，通過FECS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)火電廠電氣設(shè)備的監(jiān)控、管理和維護(hù)。本文依托CSC-831裝置介紹了基于ARM的Profibus-DP從站軟硬件設(shè)計(jì)和DP-V1協(xié)議，從測(cè)試的角度分析了Profibus-DP從站在CSPA-2000 FECS系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵性能。

1 火電廠現(xiàn)場(chǎng)總線電氣控制系統(tǒng)

采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的火電廠電氣控制系統(tǒng)，即FECS系統(tǒng)，基于支持Profibus-DP總線的CSC-831系列低壓保護(hù)測(cè)控裝置和CSC-861主控單元，建立典型FECS工程。FECS系統(tǒng)分為3層:站控層、主控單元層和間隔層［1］，如圖1所示。

第1層:站控層。這一層是FECS的“大腦”和數(shù)據(jù)中心，包括FECS主站系統(tǒng)的服務(wù)器、操作員站、工程師站及實(shí)現(xiàn)電氣保護(hù)及設(shè)備管理的各種專業(yè)應(yīng)用軟件，通過獨(dú)立設(shè)置的轉(zhuǎn)發(fā)工作站與發(fā)電廠其他管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交互。

第2層:主控單元層。這一層包括通信網(wǎng)絡(luò)及主控單元裝置，是FECS的通信管理和過程控制層。按火電廠工藝設(shè)置面向不同對(duì)象的冗余主控單元(CSC-861)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域廠用電的現(xiàn)場(chǎng)總線控制。通常2×600 MW火電廠需要20～30對(duì)主控單元。主控單元采用冗余以太網(wǎng)與站控層通信，采用多種冗余現(xiàn)場(chǎng)總線(LonWorks、Profibus-DP、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)等)與間隔層保護(hù)測(cè)控裝置通信，并實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電廠其他智能電氣設(shè)備的通信接入。主控單元作為FECS系統(tǒng)的通訊樞紐，配置了高端處理器，為系統(tǒng)提供了極高的處理性能和可靠性。

第3層:間隔層。該層是FECS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過嵌入電氣開關(guān)柜的保護(hù)測(cè)控裝置實(shí)現(xiàn)電氣開關(guān)柜的數(shù)字化、智能化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)火電廠電氣部分的現(xiàn)場(chǎng)總線控制。間隔層裝置包括6 kV、380 V的電動(dòng)機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置、廠用變壓器保護(hù)測(cè)控裝置、分支線路保護(hù)測(cè)控裝置等，實(shí)現(xiàn)對(duì)廠用電的測(cè)量、錄波、保護(hù)、事件記錄、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及通信功能。

2 FECS系統(tǒng)的Profibus-DP智能從站設(shè)計(jì)

圖1 火電廠FECS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 FECS structure in power station

FECS系統(tǒng)是典型的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)同樣適用于冶金、化工等行業(yè)的工廠自動(dòng)化。Profibus-DP是一種高速低成本通信總線，適用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制系統(tǒng)與分散I/O通信及分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。Profibus-DP的高性價(jià)比、時(shí)間確定性和開放性特征將增強(qiáng)FECS系統(tǒng)的性能和競(jìng)爭(zhēng)力。現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用開發(fā)有2種方式，采用固化現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議棧的芯片作為總線驅(qū)動(dòng)芯片集成在應(yīng)用裝置中或在應(yīng)用裝置中通過微處理器實(shí)現(xiàn)該現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議。本文介紹的Profibus-DP從站裝置CSC-831系列低壓保護(hù)測(cè)控裝置采用后一種模式，基于ARM芯片開發(fā)Profibus-DP從站協(xié)議，且通過與Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品的主流供應(yīng)商西門子公司Profibus-DP設(shè)備的通信兼容性測(cè)試。

2.1 硬件構(gòu)成

CSC-831系列低壓保護(hù)測(cè)控裝置提供3路交流電壓輸入、3路交流電流輸入、1路零序電流輸入，內(nèi)嵌電度芯片實(shí)現(xiàn)高精度電氣量測(cè)量;1路4～20 mA電流輸出，其對(duì)應(yīng)的模擬量可通過編程設(shè)定;提供10路狀態(tài)量輸入(如采集斷路器位置、刀閘位置等);6路繼電器輸出，4路用于控制信號(hào)輸出，2路用于狀態(tài)信號(hào)輸出;提供雙路Profibus-DP接口［5］。

CSC-831采用Atmel的AT91系列ARM7微處理器，利用ARM7的PDC方式的高速串行通信端口，通過軟件實(shí)現(xiàn)Profibus-DP從站協(xié)議，提供CSC-831的雙路冗余的Profibus-DP從站，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。CSC-831通過高速數(shù)采實(shí)現(xiàn)模擬量的相量計(jì)算，依靠數(shù)字算法實(shí)現(xiàn)除繼電保護(hù)功能以外的以下測(cè)控功能:電氣量測(cè)量功能(U、I、P、Q、f、電度);開關(guān)量采集功能;電能質(zhì)量測(cè)量功能(電壓波動(dòng)、諧波、三相不平衡、頻率偏差、總諧波畸變率);故障錄波功能;控制繼電器開關(guān)功能;自診斷功能;對(duì)時(shí)功能;簡(jiǎn)化人機(jī)接口界面(man-machine interface，MMI)通過LCD顯示屏的顯示菜單和按鍵可以方便地進(jìn)行操作;可以直接給裝置供220 V電壓，內(nèi)部電壓轉(zhuǎn)換模塊與回路供電方式可為不同的功能提供各自所需的電壓，如模擬量輸出采用內(nèi)部回路供電方式;可采用Profibus-DP和RS485 2種通信接口對(duì)外通信組網(wǎng)，并且均可與雙通道主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，增強(qiáng)通信的可靠性。

圖2 CSC-831裝置硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of CSC-831 device

2.2 軟件設(shè)計(jì)

CSC-831裝置利用ARM微處理器實(shí)現(xiàn)DP-V1協(xié)議，軟件包括數(shù)據(jù)包處理、鏈路層處理和應(yīng)用層處理，通過PDC方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的高效發(fā)送和接收，遵循Profibus-DP協(xié)議實(shí)現(xiàn)鏈路層數(shù)據(jù)交互，在應(yīng)用層上遵循DP-V1協(xié)議并實(shí)現(xiàn)與CSC-831應(yīng)用數(shù)據(jù)的交換。對(duì)裝置的初始化和周期性的數(shù)據(jù)交換使用SD2數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度可變幀幀來完成，SD2幀的主要處理過程如圖3所示。主站通過請(qǐng)求從站的診斷數(shù)據(jù)來檢查從站的準(zhǔn)備情況。當(dāng)從站3次未回答主站的數(shù)據(jù)召喚時(shí)，判為通訊中斷，重新對(duì)該從站裝置進(jìn)行初始化。如果從站報(bào)告它已經(jīng)準(zhǔn)備好接收參數(shù)，則主站給從站設(shè)置參數(shù)和組態(tài)數(shù)據(jù)，從站將分別給予確認(rèn)。當(dāng)裝置參數(shù)未設(shè)置好或未準(zhǔn)備好交換數(shù)據(jù)時(shí)，重新初始化裝置。收到從站的確認(rèn)回答后，主站再次請(qǐng)求從站的診斷數(shù)據(jù)以判斷從站是否準(zhǔn)備好進(jìn)入用戶數(shù)據(jù)交換狀態(tài)。只有上述工作正確完成以后，主站才能開始循環(huán)地與DP從站交換用戶數(shù)據(jù)，在上述過程中，主/從通信主要交換了參數(shù)數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)。SD2幀的鏈路層處理過程還包括2類主站的初始化請(qǐng)求和回應(yīng)，與1類主站和2類主站的非周期性數(shù)據(jù)讀寫過程。

圖3 CSC-831裝置數(shù)據(jù)鏈路層通信處理流程Fig.3 Communication process of data link layers in CSC-831 device

3 采用Profibus-DP的FECS組網(wǎng)試驗(yàn)

上面簡(jiǎn)介了基于微處理器的FECS系統(tǒng)Profibus-DP從站的設(shè)計(jì)，對(duì)CSC-831從站在FECS系統(tǒng)的應(yīng)用性能的測(cè)試包括Profibus-DP/V1的兼容性測(cè)試、結(jié)合FECS運(yùn)行環(huán)境的通信性能測(cè)試。前者通過包括西門子的多個(gè)廠家的互操作試驗(yàn)容易得到驗(yàn)證，后者需要針對(duì)火電廠電氣運(yùn)行工況進(jìn)行大規(guī)模組網(wǎng)試驗(yàn)。本文重點(diǎn)介紹Profibus-DP的組網(wǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)采用四方公司的CSC-861主控單元作為DP主站，CSC-831保護(hù)測(cè)控裝置作為DP從站。

火電廠FECS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)工況如下:間隔層設(shè)備布置在主廠房，其中CSC-861主控單元(DP主站)通常布置在發(fā)電機(jī)組單元控制中心的電子設(shè)備間，也有少量應(yīng)用將主控單元下放到現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)柜上安裝。CSC-831保護(hù)測(cè)控裝置(DP從站)大多安裝在主廠房的現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)柜內(nèi)，少量安裝在輔助車間的現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)柜內(nèi)。主廠房?jī)?nèi)的通信距離最大為200 m，到輔助車間的通信距離則可能幾km，需要采用光纖通信?，F(xiàn)場(chǎng)通常不設(shè)專門的通信布線橋架，Profibus-DP的雙絞線與電力電纜共用電纜溝。主廠房和開關(guān)柜內(nèi)電磁干擾強(qiáng)烈。

對(duì)FECS的Profibus-DP組網(wǎng)測(cè)試的典型條件是子系統(tǒng)最多31臺(tái)從站設(shè)備、通信距離最大200 m、子站之間級(jí)聯(lián)的最短距離為6 m、冗余雙網(wǎng)。測(cè)試內(nèi)容包括:不同波特率下的通信穩(wěn)定性、不同波特率對(duì)FECS整體性能的影響、主控單元的冗余切換情況、總線不同拓樸的影響、不同通信電纜的影響等。下面給出測(cè)試的系統(tǒng)配置和部分試驗(yàn)記錄。

將1對(duì)CSC-861和31臺(tái)CSC-831組網(wǎng)構(gòu)成典型的FECS子系統(tǒng)，建立典型的FECS主站，創(chuàng)建ECS工程，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)配置，將DP-V1版的規(guī)約動(dòng)態(tài)加載功能嵌入到調(diào)試軟件Powercheck中，將主控單元與Powercheck建立連接，載入主控單元的配置文件，可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)報(bào)文。通過繼電保護(hù)測(cè)試儀給CSC-831輸入模擬工況。測(cè)試環(huán)境配置完成后則對(duì)CSC-831裝置進(jìn)行基本功能(包括遙測(cè)入庫、遙信入庫、遙脈入庫、遙控入庫、定值管理、故障在線錄波、電機(jī)啟動(dòng)錄波、報(bào)警及復(fù)歸功能)和性能的測(cè)試。其組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 System structure of networking test

根據(jù)Profibus總線在500 kb/s下的通信信號(hào)波形監(jiān)測(cè)，每個(gè)bit位寬度為2 μs，報(bào)文響應(yīng)時(shí)間10 ms左右，在最大響應(yīng)時(shí)間之內(nèi)，裝置間的報(bào)文間隔約為50 ms，與設(shè)定的時(shí)間基本相符，說明從站鏈路層通信正常。CSC-831裝置電壓、電流、遙信入庫正確。通過CSC-831的裝置間隔圖，正確關(guān)聯(lián)遙控量，開關(guān)量，通過運(yùn)行狀態(tài)圖形畫面進(jìn)行遙控，CSC-831遙控正確，遙控下行執(zhí)行時(shí)間約為0.3 s，遙控成功返回時(shí)間約為0.9 s。CSC-831裝置電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)錄波記錄正確。從統(tǒng)計(jì)信息中查看啟動(dòng)電流和啟動(dòng)時(shí)間符合實(shí)際情況。常用數(shù)字量、模擬量告警正確。

對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期烤機(jī)，進(jìn)一步測(cè)試其通信穩(wěn)定性，并記錄相關(guān)報(bào)文數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)1:在1.5 Mb/s、200 m距離、31臺(tái)從站、15 h烤機(jī)情況，CSC-831(DPV1)發(fā)送報(bào)文2 703 928，接收?qǐng)?bào)文2 703 028，丟了900幀，丟包率0.033%，錯(cuò)誤0;初始化報(bào)文發(fā)送64，初始化報(bào)文接收64，誤碼為0。

試驗(yàn)2:在1.5 Mb/s、200 m 距離、31臺(tái)從站、14 h拷機(jī)情況下，CSC-831(DPV1)發(fā)送2 554 533，接收2 553 689，錯(cuò)誤0;初始化發(fā)送56，初始化接收56，丟包0.033%，誤碼為0。

試驗(yàn)3:在500 kb/s、200 m 距離、14臺(tái)從站、14 h拷機(jī)工況下，CSC-831發(fā)送2 380 751，接收2 379 959，丟包率0.033%，錯(cuò)誤0;初始化發(fā)送14，初始化接收14，誤碼為0。

本次組網(wǎng)測(cè)試還對(duì)不同屏蔽雙絞線及其連接方式、不同的從站拓樸接線方式、終端信號(hào)匹配、電磁兼容、電氣故障導(dǎo)致的報(bào)文雪崩、與LonWorks總線的對(duì)比測(cè)試、與采用西門子設(shè)備的對(duì)此測(cè)試等內(nèi)容進(jìn)行了試驗(yàn)。組網(wǎng)測(cè)試結(jié)果如下:

(1)在 FECS應(yīng)用中，Profibus-DP在1.5 Mb/s、500 kb/s下通信穩(wěn)定，F(xiàn)ECS系統(tǒng)的響應(yīng)延時(shí)主要在主站數(shù)據(jù)處理和表達(dá)環(huán)節(jié)，與總線傳輸波特率1.5 M或500 k關(guān)系不大，火電廠Profibus-DP總線波特率可選擇500 k或1.5 M。

(2)針對(duì)電氣開關(guān)柜的總線型拓樸，在合理處理終端信號(hào)匹配后不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)傳輸?shù)漠惓Ｋズ摹?/p>

(3)Profibus-DP的主從方式和時(shí)間確定性特性有利于FECS在電氣故障下的報(bào)文雪崩處理，F(xiàn)ECS應(yīng)用中主從通信模式優(yōu)于Peer to Peer模式。

(4)在從站合理處理終端信號(hào)匹配后，F(xiàn)ECS應(yīng)用中的Profibus-DP通信效果與電纜型號(hào)關(guān)系不大。

(5)通過對(duì)比測(cè)試西門子Profibus-DP單主從通信系統(tǒng)，驗(yàn)證CSC-831從站通信的規(guī)范性，采用自主開發(fā)的Profibus-DP從站與裝置的應(yīng)用層一體化、在性價(jià)比和EMC方面更具有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語

本文介紹了Profibus在火電廠現(xiàn)場(chǎng)總線電氣控制系統(tǒng)中的一種應(yīng)用方式，結(jié)合四方公司CSC-831Profibus-DP從站、CSC-861主站裝置，介紹了一種基于ARM7微處理器實(shí)現(xiàn)DP-V1協(xié)議開發(fā)的Profibus從站軟硬件設(shè)計(jì)，結(jié)合火電廠現(xiàn)場(chǎng)總線電氣控制系統(tǒng)的需求特征，通過搭建典型FECS子系統(tǒng)以組網(wǎng)試驗(yàn)方式驗(yàn)證了所開發(fā)的Profibus-DP的通信性能，確定了適用于FECS的通信速率和應(yīng)用問題。認(rèn)為采用自主開發(fā)的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線從站與裝置的應(yīng)用層一體化、在性價(jià)比和EMC方面更具有優(yōu)勢(shì)。

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［2］管春雨，萬勇.現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS在華能金陵電廠中的應(yīng)用探討［EB/OL］.［2011-10-25］，http://wenku.baidu.com/view/41a8241dfad6195f312ba665.html.

［3］北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司.CSPA-2000 FDCS分布式自動(dòng)化系統(tǒng)說明書［R］.北京:北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，2011.

［4］北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司.CSPA-2000 FECS分布式電氣自動(dòng)化系統(tǒng)說明書［R］.北京:北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，2010.

［5］北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司.CSC-831系列低壓保護(hù)測(cè)控裝置說明書［R］.北京:北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，2011.

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