賈源森（中國中材國際工程股份有限公司（南京），江蘇 南京 211100）

0 引言

IEC61850標準于2004年首度發(fā)布，被公認為變電站自動化領域的全球通信標準，在簡化保護及控制IED的一體化方面代表著一個巨大進步。憑借其標準化的IED模式、數(shù)據(jù)及通信服務，IEC 61850標準可確保來自不同供應商的電力設備的互操作性，并且可以替換變電站自動化領域的所有典型通信協(xié)議。通過一個變電站系統(tǒng)配置描述文件，即便是電壓等級、供電范圍不同，仍然可以建立一個統(tǒng)一格式、統(tǒng)一內(nèi)容、各個廠商通用的變電站監(jiān)控系統(tǒng)。并且支持電氣系統(tǒng)要求的SOE、故障錄波以及滿足高時效的連鎖保護所需要的的GOOSE通信?；谝蕴W(wǎng)技術及靈活開放的系統(tǒng)架構，IEC 61850標準確保應用程序在系統(tǒng)的整個生命周期內(nèi)的有效性。因此非常適合作為電氣系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的通信協(xié)議。

PROFINET為自動化通信領域提供了一個完整的網(wǎng)絡解決方案，囊括了諸如實時以太網(wǎng)、分布式自動化、故障安全以及網(wǎng)絡安全等當前自動化領域的熱點話題，并且，作為跨供應商的技術，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術，保護現(xiàn)有投資。PROFINET網(wǎng)絡和外部設備的通訊是借由PROFINET IO來實現(xiàn)，PROFINET IO定義和現(xiàn)場連接的外部設備的通訊機能，其基礎是級聯(lián)性的實時概念，PROFINET IO定義控制器（有“主站機能”的設備）和其他設備（有“從站機能”的設備）之間完整的數(shù)據(jù)交換、參數(shù)設定及診斷功能。因此它適用于控制系統(tǒng)中控制器與I/O站之間的通信，以及部分PLC與DCS之間的通信，數(shù)據(jù)的實時性和靈活的拓撲結構都能夠得到滿足。

Modbus TCP適用于網(wǎng)絡通信，是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡和其它設備之間就可以通信了。Modbus協(xié)議定義了一個控制器能夠識別的消息結構，而無需關心它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通信的。它描述了一個控制器請求訪問其它設備的過程，如何回應其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。Modbus是一種請求應答協(xié)議。Modbus比其它通信協(xié)議使用的更廣泛的原因在于這種協(xié)議是一種開源協(xié)議并且無版權要求的，開發(fā)的軟硬件成本低，對于供應商來說易于部署和維護。因此Modbus TCP協(xié)議適用適用于智能電表、MCC、計量設備以及部分PLC設備與DCS系統(tǒng)之間的通信。簡單易用，但是數(shù)據(jù)傳輸量和數(shù)據(jù)實時性都不如ProfiNet。

1 工程應用方案

對于水泥廠一體化電氣自動化監(jiān)控項目，本方案采用ABB System 800xA作為DCS和電氣監(jiān)控系統(tǒng)的平臺。因為800xA系統(tǒng)是一個開放式的系統(tǒng)，能夠直接兼容IEC61850 ed1和ed2，ProfiNet和Modbus TCP以及其它基于TCP/IP的以太網(wǎng)總線協(xié)議，并且800xA已經(jīng)內(nèi)置了對應通信協(xié)議的應用庫和元素，能夠大大減少通信設置、組態(tài)、調(diào)試、操作和維護的工作量。另外，800xA系統(tǒng)支持多服務節(jié)點的功能，可以使得不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡相互之間隔離，從而提高系統(tǒng)的整體安全性和結構化布局。

本方案考慮水泥廠的通用需求以及對于現(xiàn)場維護的安全要求，設計的原則為：在中控室集中部署服務器和工程師、操作員站，在現(xiàn)場分布放置帶有總線接口模塊的控制器。按照通信協(xié)議的不同，劃分為4個TCP/IPC以太網(wǎng)：

（1）DCS控制網(wǎng)絡：連接現(xiàn)場AC800M控制器與中控室的服務器、工程師站和操作員站以及破碎和包裝的遠程操作員站，實現(xiàn)集中監(jiān)視和控制。

（2）IEC61850電氣監(jiān)控網(wǎng)絡：連接現(xiàn)場控制器CI868通信模塊、現(xiàn)場配電室的中壓保護IED設備、中壓電機開關設備、中控室電氣集成服務器，實現(xiàn)IEC61850電氣設備與控制系統(tǒng)的集成。

（3）Modbus TCP現(xiàn)場設備網(wǎng)絡：連接現(xiàn)場控制器CI867通信模塊、現(xiàn)場MCC和綜保以及智能電表、布袋除塵PLC等，實現(xiàn)現(xiàn)場第三方設備與DCS的通信連接。

（4）ProfiNet現(xiàn)場 I/O網(wǎng)絡：連接現(xiàn)場控制器CI871通信模塊、現(xiàn)場I/O站、皮帶機ABB安全PLC、在線分析儀，實現(xiàn)現(xiàn)場的分散控制。

網(wǎng)絡拓撲示意圖見圖1。

圖1 網(wǎng)絡拓撲結構圖

在方案中，核心的網(wǎng)絡交換機均采用赫斯曼品牌的管理型交換機，對于IEC61850通信網(wǎng)絡，為了滿足電氣的特殊規(guī)約，使用了支持IEC61850 GOOSE協(xié)議的專用赫斯曼交換機。

所有的網(wǎng)絡均采用光纖環(huán)網(wǎng)的方式連接，保證了通信的可靠性以及在維護期間通信網(wǎng)絡的可用性。另外整體控制網(wǎng)絡中的所有節(jié)點均采用雙網(wǎng)冗余的連接。因此全廠控制網(wǎng)絡的結構穩(wěn)定可靠。

2 軟件功能與配置

本方案的軟件功能組態(tài)的最大特點在于全部使用ABB System 800xA內(nèi)置標準工具和應用庫即可實現(xiàn)全水泥廠各子系統(tǒng)的集成和組態(tài)，無需使用第三方的通信網(wǎng)關協(xié)議轉換，或者第三方軟件工具配置電氣系統(tǒng)通信等，從而提高了工程效率，并且能夠擴展更多的軟件功能，更好的服務于水泥用戶。

2.1 IEC61850 IED設備集成

在800xA系統(tǒng)內(nèi)部，可以直接導入電氣系統(tǒng)的SCD文件，見圖2。

圖2 通過800xA系統(tǒng)直接導入變電站子網(wǎng)

基于對象庫，可以實現(xiàn)標準化的間隔、保護開關、變壓器等設備的圖形化顯示、報警和事件管理、操作面板以及電氣系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的連鎖邏輯。實際監(jiān)控單線和計量分析圖見圖3。

圖3 800xA集成電氣狀態(tài)和信息監(jiān)控

2.2 ProfiNet設備集成

常規(guī)項目必須先進行硬件配置，F(xiàn)AT打點完成后才能夠進行軟件編程，在很多項目中出現(xiàn)了工程師在用戶現(xiàn)場編寫控制程序的情況，導致調(diào)試時間過長、反復修改以及工期緊張的情況。ABB 800xA系統(tǒng)引入了xStream的工程組態(tài)方法，能夠將軟件編程和硬件配置并行進行（見圖4），因此大大減少了工程組態(tài)時間以及重復工作量。

圖4 并行式工程組態(tài)方式

因此，當組態(tài)ProfiNet硬件的時候，工程師可先根據(jù)功能分析編輯軟件邏輯，硬件安裝完成后，通過網(wǎng)絡掃描，自動分配變量和通訊信號，見圖5。

圖5 通過硬件掃描自動生成配置數(shù)據(jù)

2.3 Modbus TCP設備集成

根據(jù)不同Modbus設備的功能和性質，將與控制、聯(lián)鎖保護相關的設備通過CI867模塊接入到控制器進行邏輯編程。將僅用于監(jiān)視和管理類的數(shù)據(jù)如功率、能耗等直接接入連接服務器，從而可以最大程度上優(yōu)化控制器和連接服務器以及網(wǎng)絡負荷，從而實現(xiàn)這個系統(tǒng)的最優(yōu)化運行。

2.4 軟件功能的探討

當全廠的所有類型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都集中到控制系統(tǒng)后，需要對監(jiān)控畫面進行相應的優(yōu)化，能夠讓操作和維護人員能夠快速并合理的獲得相關信息，從而實現(xiàn)電氣、自控以及PLC子系統(tǒng)之間的真正融合，另外包括報警和事件列表、趨勢曲線以及組起組停等內(nèi)容的組織和定義都要進行重新的規(guī)劃，能夠使用戶能夠在同一個窗口界面看到各個系統(tǒng)的信息，但又要保證可以快速分類和過濾，不會導致操作的混亂和出錯。

3 結語

采用一體化網(wǎng)絡平臺實現(xiàn)電氣、自動化進行集成式管理的水泥廠解決方案已經(jīng)在國內(nèi)外逐步實現(xiàn)了，例如阿根廷L’AMALI二線5800t/d水泥生產(chǎn)線一體化控制系統(tǒng)就是采用本文所述的方案。采用此種解決方案，能夠實現(xiàn)水泥廠的“一網(wǎng)到底”網(wǎng)絡架構，能夠靈活接入各種系統(tǒng)，從而減少前期設計的復雜度、減少現(xiàn)場接線和變更的工程量，以及水泥用戶在運營過程中不斷的改造和擴展系統(tǒng)的成本。并且對于水泥廠數(shù)字化工程來說，能夠提供更加豐富的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為大數(shù)據(jù)分析提供底層支撐。