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徐  柯

1  前言
現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式，串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線，是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通信系統(tǒng)。具有開放性強，可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、通信速率快，系統(tǒng)安全符合環(huán)境保護要求，造價低廉，維護成本低的特點。
華能重慶珞璜電廠的#33，#34機組是從法國ALSTOM公司引進的360MW燃煤單元制機組，采用法國CEGELEC公司的P320控制系統(tǒng)進行機組的啟停控制。在P320控制系統(tǒng)的過程控制級上使用了符合WorldFIP現(xiàn)場總線協(xié)議的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)――F900網(wǎng)絡(luò)和LOCAFIP網(wǎng)絡(luò)。
2  F900和LOCAFIP現(xiàn)場總線
2.1  珞璜電廠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
ALSPA P320控制系統(tǒng)使用了三種網(wǎng)絡(luò)：CONTRONET網(wǎng)絡(luò)，SYCOWAY F900網(wǎng)絡(luò)及LOCAFIP網(wǎng)絡(luò)。其中后兩種網(wǎng)絡(luò)為符合WorldFIP現(xiàn)場總線協(xié)議的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，P320控制系統(tǒng)的所有網(wǎng)絡(luò)均為雙冗余結(jié)構(gòu)，華能珞璜電廠網(wǎng)絡(luò)簡圖參見圖1。

 
圖1  華能珞璜電廠網(wǎng)絡(luò)簡圖

CONTRONET網(wǎng)絡(luò)即以太網(wǎng)，屬于局域網(wǎng)。其拓撲結(jié)構(gòu)為總線形。網(wǎng)絡(luò)采用國際標準化組織的IEEE802.3局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)標準，使用TCP/IP、UDP、VCA等通迅協(xié)議，采用自由競爭的廣播方式進行數(shù)據(jù)通信，傳輸線的訪問采用CSMA/CD技術(shù)，即載波偵聽、多路訪問/沖突檢測技術(shù)。采用同軸電纜10BASE5粗纜傳送信息、網(wǎng)絡(luò)的最大長度不超過2500m。傳輸速率為10Mbps。
F900網(wǎng)是一個基于FIP標準（UTE C64 601-607）的工業(yè)局域網(wǎng)，它把CONTROBLOC和CENTRALOG監(jiān)控系統(tǒng)連接在一起。F900網(wǎng)處理三種類型的數(shù)據(jù)：CONTROBLOC自動化單元之間交換的數(shù)據(jù)，CONTROBLOC自動化單元和CENTRALOG監(jiān)控系統(tǒng)之間交換的數(shù)據(jù)、對C370控制器進行組態(tài)和調(diào)試的相關(guān)數(shù)據(jù)。第一種數(shù)據(jù)通信是在CONTROBLOC層中同級進行的周期性數(shù)據(jù)交換，后兩種數(shù)據(jù)通信是在CONTROBLOC層與CENTRALOG層之間上下進行的周期性或非周期性的數(shù)據(jù)交換，如控制、監(jiān)視和組態(tài)。F900網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)為總線型，傳輸線的訪問采用令牌傳送的廣播方式，在線編碼采用曼徹斯特2，幀長度248字節(jié)。它采用雙冗余結(jié)構(gòu)，使用雙絞線，最大長度可達4公里，最多可接64個用戶，傳輸速率為1Mbps。
LOCAFIP用于連接C370控制器和CE2000 I/O裝置，與F900網(wǎng)相同，也采用FIP標準（UTE C64 601-607），遵循FIP-MPS+MS協(xié)議，使用雙冗余的雙絞線，最大長度可達4公里，最多可接14個用戶，傳輸速率為1M bps。LOCAFIP網(wǎng)絡(luò)的功能是實現(xiàn)C370控制器與I/O模塊之間的數(shù)據(jù)通信。
華能珞璜電廠的單元制機組，采用雙冗余的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器(CIS)，12對冗余的C370控制器，在數(shù)據(jù)采集器和C370控制器之間由SYCOWAY F900現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，每個控制器中由LOCAFIP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接3個現(xiàn)場總線通訊模塊UT129，構(gòu)成一個多點、多站、智能化、雙向通訊、全數(shù)字化、分散的電廠現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
2.2  F900和LOCAFIP現(xiàn)場總線
P320控制系統(tǒng)中的F900和LOCAFIP網(wǎng)絡(luò)是符合WorldFIP總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，媒體介質(zhì)均采用雙絞線，為冗余結(jié)構(gòu)，在故障時冗余網(wǎng)絡(luò)能自動切換。兩個網(wǎng)絡(luò)的通信結(jié)構(gòu)均按ISO(國際標準化組織)的OSI(開放系統(tǒng)基本參考模型)分為三層，即第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層，第七層應(yīng)用層。在電站的實際應(yīng)用中，F(xiàn)900網(wǎng)絡(luò)用以管理C370控制器之間的數(shù)據(jù)交換及C370控制器與上位機CENTRALOG之間的通信。LOCAFIP網(wǎng)絡(luò)用以在C370控制器與過程I/O卡件之間進行雙向的數(shù)字通信。
2.2.1  F900和LOCAFIP現(xiàn)場總線協(xié)議通信結(jié)構(gòu)和標準
(1)  F900和LOCAFIP現(xiàn)場總線協(xié)議的通信結(jié)構(gòu)
F900和LOCAFIP網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線協(xié)議采用WorldFIP現(xiàn)場總線協(xié)議的通訊結(jié)構(gòu)。整個協(xié)議的通信結(jié)構(gòu)分三層，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層。物理層采用總線型的拓撲結(jié)構(gòu)；傳輸速率為WorldFIP標準高速傳輸速率1Mbps。物理編碼為曼切斯特編碼;設(shè)備包括：JB(接線盒)、TAP(抽頭)、Repeater(中繼器)、DB(擴展盒)、DS(本地可斷開的用戶站)及NDS(非本地可斷開的用戶站)。幀編碼為包括幀開始序列，數(shù)據(jù)和檢驗字段和幀結(jié)束序列。數(shù)據(jù)鏈路層，尋址方式為變量尋址和報文尋址；為應(yīng)用層和物理層接口采用緩沖區(qū)傳送和介質(zhì)地址分配機制，使用總線仲裁，生產(chǎn)者/使用者功能。應(yīng)用層提供總線仲裁器應(yīng)用服務(wù)，實現(xiàn)周期/非周期服務(wù)，報文服務(wù)。F900和LOCAFIP總線網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)參見圖2。

 
圖2  F900和LOCAFIP總線網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)圖

(2)  F900和LOCAFIP總線參照的標準
F900和LOCAFIP網(wǎng)絡(luò)符合以下的相關(guān)的標準內(nèi)容：
EN50170-volume 3-Part 1-3：總線通訊系統(tǒng)綜述；
EN50170-volume 3-Part 2-3：物理層規(guī)范和定義；
           Sub Part 2-3-1：IEC雙絞線；
           Sub Part 2-3-2：IEC雙絞線附錄；
           Sub Part 2-3-3：IEC光纖；
EN50170-volume 3-Part 3-3：數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)定義；
           Sub Part 3-3-1：數(shù)據(jù)鏈路層定義；
           Sub Part 3-3-2：現(xiàn)場總線定義；
           Sub Part 3-3-3：網(wǎng)橋定義；
EN50170-volume 3-Part 5-3：應(yīng)用層服務(wù)定義；
           Sub Part 5-3-1：MPS定義；
           Sub Part 5-3-2：SubMMS定義；
EN50170-volume 3-Part 6-3：應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范；
EN50170-volume 3-Part 7-3：網(wǎng)絡(luò)管理。
(3)  現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通訊原理
F900和LOCAFIP總線網(wǎng)絡(luò)引入信息的產(chǎn)生者(Producer)和接收者(Subscriber)的定義，及總線裁決的概念。在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)通信令牌在每個接收者中傳遞，通信令牌的位置由總線裁決器決定，當令牌到達每個接收者時，由接收者從信息幀的地址中判斷該信息是否為它所用，處理后將令牌傳送給下一個接收者，即采用令牌傳送的廣播方式，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，每個控制裝置均作為總線網(wǎng)絡(luò)的一個站，可以執(zhí)行總線裁決功能，但在某一時刻，只有一個站可以執(zhí)行總線裁決功能。在一個令牌宏循環(huán)后，由MPS判斷接收者的有效性。
每個控制器中的信息以幀的形式在網(wǎng)絡(luò)上傳送，包括尋址幀和數(shù)據(jù)幀。尋址幀包括14位起始碼，8位通訊協(xié)議檢查碼，8-256位信息碼，16位傳送檢查碼和7位幀結(jié)束碼，用以判斷信息地址。數(shù)據(jù)幀包括網(wǎng)絡(luò)檢查碼、目標地址、源地址及數(shù)據(jù)字段。幀的傳遞由總線裁決器按特定的掃描表進行。
應(yīng)用層信息服務(wù)包括三種類型―變量傳送(S)，系統(tǒng)信息傳送(ZS)及應(yīng)用信息傳送服務(wù)(AS)。每種信息服務(wù)均由控制器程序產(chǎn)生，系統(tǒng)信息傳送，應(yīng)用信息傳送服務(wù)由定制的變量傳送碼在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。每種信息服務(wù)均按照周期性和非周期性的原則和各自的定義屬性在網(wǎng)絡(luò)上進行點對點或者是廣播式的傳送。
2.2.2  F900和LOCAFIP通訊裝置
P320控制系統(tǒng)中的F900和LOCAFIP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，采用了滿足WorldFIP現(xiàn)場總線協(xié)議的通訊處理模件和過程控制模件，以及相關(guān)的收發(fā)器等硬件。在控制系統(tǒng)的配置上，通訊裝置均采用冗余結(jié)構(gòu)，每種卡件均有自診斷功能，在故障時能自動的無憂切換。實踐證明，具有現(xiàn)場總線協(xié)議的P320控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)符合現(xiàn)場總線協(xié)議的雙向數(shù)據(jù)通訊功能和過程處理功能，并且整個總線網(wǎng)絡(luò)投運至今，沒有發(fā)生過一處故障，具有很高的可靠性。F900和LOCAFIP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的主要模件包括：F900和LOCAFIP網(wǎng)絡(luò)過程處理模件UT121，F(xiàn)900通訊模件S317，LOCAFIP通訊模件S316，CE2000層的數(shù)據(jù)處理和通訊模件UT129，F(xiàn)900網(wǎng)絡(luò)處理卡PA102。
(1)  UT121，主要功能為處理F900和LOCAFIP總線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流向，執(zhí)行過程處理，總)線裁決功能，周期性和非周期性服務(wù)。
(2)  S317，作為總線數(shù)據(jù)的發(fā)送者發(fā)送總線控制器的信息到F900總線網(wǎng)絡(luò)上，并接收由上級網(wǎng)絡(luò)下傳的數(shù)據(jù)，并提供F900總線網(wǎng)絡(luò)的變量尋址和報文尋址功能。
(3)  S316，作為總線數(shù)據(jù)的發(fā)送者發(fā)送總線控制器的信息到LOCAFIP總線網(wǎng)絡(luò)上，并接收由下級I/O及現(xiàn)場智能化儀表上傳的數(shù)字數(shù)據(jù)，并提供LOCAFIP總線網(wǎng)絡(luò)的變量尋址和報文尋址功能。
(4)  UT129，管理現(xiàn)場數(shù)據(jù)通訊，并通過LOCAFIP總線網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場處理數(shù)字數(shù)據(jù)發(fā)送到現(xiàn)場處理控制器中，對其進行過程處理。
(5)  PA102，用以在CIS(數(shù)據(jù)處理服務(wù)器)中，接收從F900總線網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)字數(shù)據(jù)，并將上位機系統(tǒng)中產(chǎn)生的指令等數(shù)字量信號下傳到F900總線網(wǎng)絡(luò)中，管理CONTRONET以太網(wǎng)與F900總線網(wǎng)絡(luò)之間的雙向數(shù)字通訊。
2.2.3  F900和LOCAFIP總線網(wǎng)絡(luò)的軟件應(yīng)用
P320控制系統(tǒng)的系列軟件，采用圖形化編程，提供P320控制系統(tǒng)的面向?qū)ο蟮募蓱?yīng)用軟件包P4，用戶可以直接通過編程維護工程師站P4對F900和LOCAFIP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)進行組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的定義、功能塊的鏈接、在線監(jiān)視控制系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)及故障報警及分析等。F900和LOCAFIP總線網(wǎng)絡(luò)的軟件使用CEGELEC公司開發(fā)的LEA高級程序語言，同時采用豐富的功能塊的圖形化編程軟件包CCAD，具有良好的人機接口界面，應(yīng)用軟件具有很高的開放性、實用性、可靠性、功能強大。
2.3  與其它通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)交換
由于WorldFIP總線網(wǎng)絡(luò)具有強大的開放性，在與其它的通訊協(xié)議的通訊上具有很強的適應(yīng)性。在F900和LOCAFIP總線網(wǎng)絡(luò)中，在SYCOWAY F900網(wǎng)絡(luò)層，P320控制系統(tǒng)采用通訊模塊S352C建立了與MODBUS通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)雙向通訊，在LOCAFIP層通過IR139模件建立了與MODBUS通訊協(xié)議的雙向數(shù)據(jù)通訊。同時在軟件上構(gòu)建了相應(yīng)的圖形化的功能塊，以實現(xiàn)數(shù)字數(shù)據(jù)的雙向處理和交換。
3  珞璜電廠現(xiàn)場總線的不足
珞璜電廠的P320控制系統(tǒng)雖然使用了符合現(xiàn)場總線協(xié)議的控制系統(tǒng)，但由于種種原因沒有在現(xiàn)場裝置中使用符合現(xiàn)場總線協(xié)議的智能化控制儀器和儀表，在數(shù)據(jù)采集上仍采用傳統(tǒng)DCS原有的I/O模件的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的標準仍為典型的電氣輸入模式，沒有真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場化。可以說它還沒有構(gòu)成一個完整的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，這也是現(xiàn)場總線的發(fā)展過程所決定的。