火電廠FECS系統的Profibus-DP從站的開發與測試

文義榮，李娟，張傳永，王姍姍，丁福利

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

0 引言

火電廠由于熱工生產工藝復雜，各子系統耦合性強，始終難以大范圍應用現場總線，而火電廠的電氣自動化具有自然的分層分布式架構，易于實現面向設備(對象)的分布式控制，因而現場總線技術在火電廠中率先從分布式電氣自動化開始得到大規模應用。2003年，國內首例采用現場總線的電廠自動化系統在國電宣威6期2×300 MW機組上應用。系統是由美國力諾公司MAX1000和四方公司的CSPA-2000系統混合實現的分布式控制系統(distribute control system，DCS)+現場總線控制系統(fieldbus control system，FCS)，其中 MAX1000的DCS系統實現了熱工自動化，CSPA-2000的FCS系統實現了基于LonWorks現場總線的電氣自動化，FCS系統按DCS工藝與DCS的DPU通信融為一套控制系統，共同實現了大機組火電廠的機、爐、電一體化協同控制［1］。

Profibus作為主流的工業現場總線之一，在火電廠自動化中受到越來越多的重視，西門子公司在國內的華能金陵電廠和華能九臺電廠進行了Profibus-DP的現場總線應用嘗試［2］，利用 Profibus-DP實現了DCS的遠程IO。四方公司的CSPA-2000 FDCS系統是兼容 DCS和 FCS的新一代控制系統［3］，支持LonWorks和Profibus-DP實現火電廠的機爐電和輔控系統自動化。其中Profibus-DP即可用于擴展DCS的遠程IO和分布式控制器，也可作為電氣分布式保護測控裝置。CSPA-2000 FDCS的系統結構和功能更適合實現火電廠的全廠一體化分布式控制。其中現場總線電氣控制系統(fieldbus electric control system，FECS)是Profibus-DP應用的關鍵內容。CSPA-2000 FECS系統［4］采用 CSC-831系列低壓保護測控裝置作為電氣測控從站，配合CSC-861主控單元，構建基于Profibus-DP的現場總線電氣控制系統。CSC-831從站裝置完全下放安裝在電氣開關柜上，實現開關柜的智能化，取消大量電纜和二次設備，通過FECS系統實現火電廠電氣設備的監控、管理和維護。本文依托CSC-831裝置介紹了基于ARM的Profibus-DP從站軟硬件設計和DP-V1協議，從測試的角度分析了Profibus-DP從站在CSPA-2000 FECS系統中應用的關鍵性能。

1 火電廠現場總線電氣控制系統

采用現場總線技術的火電廠電氣控制系統，即FECS系統，基于支持Profibus-DP總線的CSC-831系列低壓保護測控裝置和CSC-861主控單元，建立典型FECS工程。FECS系統分為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”和數據中心，包括FECS主站系統的服務器、操作員站、工程師站及實現電氣保護及設備管理的各種專業應用軟件，通過獨立設置的轉發工作站與發電廠其他管理系統實現信息交互。

第2層:主控單元層。這一層包括通信網絡及主控單元裝置，是FECS的通信管理和過程控制層。按火電廠工藝設置面向不同對象的冗余主控單元(CSC-861)，實現對不同區域廠用電的現場總線控制。通常2×600 MW火電廠需要20～30對主控單元。主控單元采用冗余以太網與站控層通信，采用多種冗余現場總線(LonWorks、Profibus-DP、實時以太網等)與間隔層保護測控裝置通信，并實現對發電廠其他智能電氣設備的通信接入。主控單元作為FECS系統的通訊樞紐，配置了高端處理器，為系統提供了極高的處理性能和可靠性。

第3層:間隔層。該層是FECS系統的基礎，通過嵌入電氣開關柜的保護測控裝置實現電氣開關柜的數字化、智能化，進而實現對火電廠電氣部分的現場總線控制。間隔層裝置包括6 kV、380 V的電動機保護測控裝置、廠用變壓器保護測控裝置、分支線路保護測控裝置等，實現對廠用電的測量、錄波、保護、事件記錄、設備狀態監測及通信功能。

2 FECS系統的Profibus-DP智能從站設計

圖1 火電廠FECS系統結構Fig.1 FECS structure in power station

FECS系統是典型的現場總線控制系統，該系統同樣適用于冶金、化工等行業的工廠自動化。Profibus-DP是一種高速低成本通信總線，適用于現場級控制系統與分散I/O通信及分布式控制系統的高速數據傳輸。Profibus-DP的高性價比、時間確定性和開放性特征將增強FECS系統的性能和競爭力?，F場總線應用開發有2種方式，采用固化現場總線協議棧的芯片作為總線驅動芯片集成在應用裝置中或在應用裝置中通過微處理器實現該現場總線的通信協議。本文介紹的Profibus-DP從站裝置CSC-831系列低壓保護測控裝置采用后一種模式，基于ARM芯片開發Profibus-DP從站協議，且通過與Profibus現場總線產品的主流供應商西門子公司Profibus-DP設備的通信兼容性測試。

2.1 硬件構成

CSC-831系列低壓保護測控裝置提供3路交流電壓輸入、3路交流電流輸入、1路零序電流輸入，內嵌電度芯片實現高精度電氣量測量;1路4～20 mA電流輸出，其對應的模擬量可通過編程設定;提供10路狀態量輸入(如采集斷路器位置、刀閘位置等);6路繼電器輸出，4路用于控制信號輸出，2路用于狀態信號輸出;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，通過軟件實現Profibus-DP從站協議，提供CSC-831的雙路冗余的Profibus-DP從站，其硬件結構如圖2所示。CSC-831通過高速數采實現模擬量的相量計算，依靠數字算法實現除繼電保護功能以外的以下測控功能:電氣量測量功能(U、I、P、Q、f、電度);開關量采集功能;電能質量測量功能(電壓波動、諧波、三相不平衡、頻率偏差、總諧波畸變率);故障錄波功能;控制繼電器開關功能;自診斷功能;對時功能;簡化人機接口界面(man-machine interface，MMI)通過LCD顯示屏的顯示菜單和按鍵可以方便地進行操作;可以直接給裝置供220 V電壓，內部電壓轉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部回路供電方式;可采用Profibus-DP和RS485 2種通信接口對外通信組網，并且均可與雙通道主站進行數據交換，增強通信的可靠性。

圖2 CSC-831裝置硬件結構Fig.2 Hardware structure of CSC-831 device

2.2 軟件設計

CSC-831裝置利用ARM微處理器實現DP-V1協議，軟件包括數據包處理、鏈路層處理和應用層處理，通過PDC方式實現數據包的高效發送和接收，遵循Profibus-DP協議實現鏈路層數據交互，在應用層上遵循DP-V1協議并實現與CSC-831應用數據的交換。對裝置的初始化和周期性的數據交換使用SD2數據域長度可變幀幀來完成，SD2幀的主要處理過程如圖3所示。主站通過請求從站的診斷數據來檢查從站的準備情況。當從站3次未回答主站的數據召喚時，判為通訊中斷，重新對該從站裝置進行初始化。如果從站報告它已經準備好接收參數，則主站給從站設置參數和組態數據，從站將分別給予確認。當裝置參數未設置好或未準備好交換數據時，重新初始化裝置。收到從站的確認回答后，主站再次請求從站的診斷數據以判斷從站是否準備好進入用戶數據交換狀態。只有上述工作正確完成以后，主站才能開始循環地與DP從站交換用戶數據，在上述過程中，主/從通信主要交換了參數數據、組態數據和診斷數據。SD2幀的鏈路層處理過程還包括2類主站的初始化請求和回應，與1類主站和2類主站的非周期性數據讀寫過程。

圖3 CSC-831裝置數據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組網試驗

上面簡介了基于微處理器的FECS系統Profibus-DP從站的設計，對CSC-831從站在FECS系統的應用性能的測試包括Profibus-DP/V1的兼容性測試、結合FECS運行環境的通信性能測試。前者通過包括西門子的多個廠家的互操作試驗容易得到驗證，后者需要針對火電廠電氣運行工況進行大規模組網試驗。本文重點介紹Profibus-DP的組網試驗，試驗采用四方公司的CSC-861主控單元作為DP主站，CSC-831保護測控裝置作為DP從站。

火電廠FECS系統的現場工況如下:間隔層設備布置在主廠房，其中CSC-861主控單元(DP主站)通常布置在發電機組單元控制中心的電子設備間，也有少量應用將主控單元下放到現場開關柜上安裝。CSC-831保護測控裝置(DP從站)大多安裝在主廠房的現場開關柜內，少量安裝在輔助車間的現場開關柜內。主廠房內的通信距離最大為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場通常不設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。主廠房和開關柜內電磁干擾強烈。

對FECS的Profibus-DP組網測試的典型條件是子系統最多31臺從站設備、通信距離最大200 m、子站之間級聯的最短距離為6 m、冗余雙網。測試內容包括:不同波特率下的通信穩定性、不同波特率對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。下面給出測試的系統配置和部分試驗記錄。

將1對CSC-861和31臺CSC-831組網構成典型的FECS子系統，建立典型的FECS主站，創建ECS工程，進行系統參數配置，將DP-V1版的規約動態加載功能嵌入到調試軟件Powercheck中，將主控單元與Powercheck建立連接，載入主控單元的配置文件，可實現在線監測報文。通過繼電保護測試儀給CSC-831輸入模擬工況。測試環境配置完成后則對CSC-831裝置進行基本功能(包括遙測入庫、遙信入庫、遙脈入庫、遙控入庫、定值管理、故障在線錄波、電機啟動錄波、報警及復歸功能)和性能的測試。其組網測試系統結構如圖4所示。

圖4 組網測試系統結構Fig.4 System structure of networking test

根據Profibus總線在500 kb/s下的通信信號波形監測，每個bit位寬度為2 μs，報文響應時間10 ms左右，在最大響應時間之內，裝置間的報文間隔約為50 ms，與設定的時間基本相符，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，正確關聯遙控量，開關量，通過運行狀態圖形畫面進行遙控，CSC-831遙控正確，遙控下行執行時間約為0.3 s，遙控成功返回時間約為0.9 s。CSC-831裝置電動機啟動錄波記錄正確。從統計信息中查看啟動電流和啟動時間符合實際情況。常用數字量、模擬量告警正確。

對測試系統進行長期烤機，進一步測試其通信穩定性，并記錄相關報文數據。

試驗1:在1.5 Mb/s、200 m距離、31臺從站、15 h烤機情況，CSC-831(DPV1)發送報文2 703 928，接收報文2 703 028，丟了900幀，丟包率0.033%，錯誤0;初始化報文發送64，初始化報文接收64，誤碼為0。

試驗2:在1.5 Mb/s、200 m 距離、31臺從站、14 h拷機情況下，CSC-831(DPV1)發送2 554 533，接收2 553 689，錯誤0;初始化發送56，初始化接收56，丟包0.033%，誤碼為0。

試驗3:在500 kb/s、200 m 距離、14臺從站、14 h拷機工況下，CSC-831發送2 380 751，接收2 379 959，丟包率0.033%，錯誤0;初始化發送14，初始化接收14，誤碼為0。

本次組網測試還對不同屏蔽雙絞線及其連接方式、不同的從站拓樸接線方式、終端信號匹配、電磁兼容、電氣故障導致的報文雪崩、與LonWorks總線的對比測試、與采用西門子設備的對此測試等內容進行了試驗。組網測試結果如下:

(1)在 FECS應用中，Profibus-DP在1.5 Mb/s、500 kb/s下通信穩定，FECS系統的響應延時主要在主站數據處理和表達環節，與總線傳輸波特率1.5 M或500 k關系不大，火電廠Profibus-DP總線波特率可選擇500 k或1.5 M。

(2)針對電氣開關柜的總線型拓樸，在合理處理終端信號匹配后不會產生信號傳輸的異常衰耗。

(3)Profibus-DP的主從方式和時間確定性特性有利于FECS在電氣故障下的報文雪崩處理，FECS應用中主從通信模式優于Peer to Peer模式。

(4)在從站合理處理終端信號匹配后，FECS應用中的Profibus-DP通信效果與電纜型號關系不大。

(5)通過對比測試西門子Profibus-DP單主從通信系統，驗證CSC-831從站通信的規范性，采用自主開發的Profibus-DP從站與裝置的應用層一體化、在性價比和EMC方面更具有優勢。

4 結語

本文介紹了Profibus在火電廠現場總線電氣控制系統中的一種應用方式，結合四方公司CSC-831Profibus-DP從站、CSC-861主站裝置，介紹了一種基于ARM7微處理器實現DP-V1協議開發的Profibus從站軟硬件設計，結合火電廠現場總線電氣控制系統的需求特征，通過搭建典型FECS子系統以組網試驗方式驗證了所開發的Profibus-DP的通信性能，確定了適用于FECS的通信速率和應用問題。認為采用自主開發的Profibus現場總線從站與裝置的應用層一體化、在性價比和EMC方面更具有優勢。

［1］焦邵華，李娟，李衛，等.大型火力發電廠電氣控制系統的實現模式［J］.電力系統自動化，2005，29(15):81-85.

［2］管春雨，萬勇.現場總線PROFIBUS在華能金陵電廠中的應用探討［EB/OL］.［2011-10-25］，http://wenku.baidu.com/view/41a8241dfad6195f312ba665.html.

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

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

［5］北京四方繼保自動化股份有限公司.CSC-831系列低壓保護測控裝置說明書［R］.北京:北京四方繼保自動化股份有限公司，2011.

［6］王伏忠，黃建明.Profibus現場總線在火電廠的應用［D］.北京:北京郵電大學，2010.

［7］侯維巖，費敏銳.PROFIBUS協議分析和系統應用［M］.北京:清華大學出版社，2006:25-27.