電站補給水控制系統中現場總線的集成技術

廖奇凡，鄭松，2，吳曉欣

(1.福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350116;2.福建省工業控制信息安全技術企業重點實驗室，福建 福州 350008;3.福州福大自動化科技有限公司，福建 福州 350008)

1 引言

火力發電廠中除了鍋爐、汽機和發電機等主要生產系統外，還有許多輔助生產系統，例如煤輸送、灰處理和補給水等［1－2］。隨著分布式控制系統(DCS)和現場總線技術的發展，這些輔助生產系統的控制模式一方面從單純的PLC控制轉為DCS控制，另一方面則加大了智能儀表的應用范圍。發電機組的控制系統體系架構將演化為鍋爐、汽機、發電機為主要對象的電站主控系統和輔助生產系統為主要對象的輔控系統。而在不久的將來，主控系統和輔控系統還可能得到進一步的融合，成為全廠一體化的控制系統。為此，以前軟硬件互不兼容的DCS、PLC和FCS控制技術就有了深度融合的現實需求。為實現這三種類型控制技術的統一，關鍵要解決好控制算法組態技術的標準化問題，以及現場總線與模擬信號的輸入輸出之間組態模式同構化的問題［3－4］。工業自動化通用技術平臺(簡稱IAP控制平臺)是一種與傳統DCS、PLC和FCS均明顯不同的新技術，它的控制組態技術可適用于不同的控制器和輸入輸出模式，能為實現這兩方面的關鍵技術提供必要的環境和條件。

2 電站補給水控制系統

某電廠兩套1000MW發電機組新建項目要求采用分布式輔控系統，即除了在每個生產輔助系統中配置獨立的DCS控制系統外，還需要將相關生產輔助系統的DCS控制系統通過網絡連接起來，實現輔助系統的集中運行操控和管理［5］。圖1是該輔控系統的結構示意圖。由圖可見，輔控系統中包含了鍋爐補給水控制子系統、鍋爐除灰控制子系統、汽輪機凝結水精處理及加藥控制子系統、空壓機控制子系統和制冷控制子系統。未在此輔控系統中的控制子系統，例如輸煤控制子系統、海水淡化控制子系統等是通過通訊網絡接入輔控系統，以達到集中監控的目的。由于輔助生產系統地理分布相對較廣，所以輔控系統采用多層網絡結構，最上層為全廠輔控中央控制臺。該輔控系統具有以下技術特點:

(1)采用PLC(OMRON CS1D)作為輔控系統的控制器，但沒有使用PLC原廠編程軟件，而是采用的基于功能模塊的DCS組態軟件;

(2)輔控系統除了中央操控功能外，還可在各控制子系統就地監控臺上進行操控;

(3)所有控制子系統的控制算法均采用統一的圖形化元件組態模式;

(4)各控制子系統除了具有系統總線型的模擬信號輸入輸出接口外，還配置了遠程的模擬信號輸入輸出接口和Profibus現場總線主站通訊接口;

(5)人機界面可監控的輔助生產系統的數據標簽量超過10000點，達到大型DCS的規模。

圖1 1000MW發電機組輔控系統結構示意圖

為說明現場總線技術在該輔控系統中的集成原理，以圖1中的鍋爐補給水控制子系統為例進行分析。該子系統配置有3套冗余的控制站，5套遠程控制站。圖2是鍋爐補給水控制子系統中1號遠程站現場總線網絡結構示意圖。由圖可見，該控制子系統的現場總線有Profibus-DP和PA兩種通訊模式。PA網路經DP/PA耦合器后轉換為DP通訊協議。現場總線子站的智能儀表包括智能傳感器、馬達、分析儀表、閥島、變頻器等。具體的配置情況參見表1。為保持輔控系統模擬信號和現場總線信號處理技術的一致性，需要將這兩種類型信號的組態元件的技術原理統一起來，使得控制算法的組態過程無需針對現場總線類型的輸入輸出進行特殊的處理，而現場總線通訊中所承載的所有信息又能夠完整地體現在控制組態環境中。

圖2 鍋爐補給水1號遠程站

表1 輔控系統鍋爐補給水控制子系統現場總線結構配置

3 IAP控制平臺技術

圖1所示輔控系統采用工業自動化通用技術平臺(IAP)進行開發。該控制平臺具有和傳統的DCS相同的基本功能，如采用圖形化的元件組態技術實現控制算法的組態;采用人機界面軟件(包含實時數據庫)實現人機交互元素的即插即用;采用多重冗余的控制站和網絡，保證控制系統的高可靠性等。但是，與傳統的DCS不同的是，IAP控制平臺可適應多種類型(廠家)的控制站，并具有組態元件可擴充的體系架構。IAP的核心技術是數據引擎，這是一種以數據驅動為機理的控制組態執行軟件，它作為一種控制器的中間件，可在不同的計算環境中運行，從而實現控制組態的標準化。IAP體系架構中最突出的特點是數據結構與控制組態算法內容無關，這就為控制組態元件特性的低成本變化(包括控制算法的修改和新建，計算資源的整合與利用)提供了理想的技術條件。

數據引擎中間件由實時數據庫和任務執行器兩個部分組成，如圖3所示。實時數據庫是一種基于內存的數據空間，它的功能一方面是用于映射來自圖形化元件組態的控制算法，另一方面是用于配合任務執行器完成數據的實時更新。任務執行器主要由任務調度、設備驅動和算法執行三個執行模塊組成。只要具有足夠的內存空間，具備內存的讀寫管理功能，任何計算環境(無論是PLC還是PC架構的計算機)，均可作為IAP控制平臺的控制站。在集成現場總線時，設備驅動模塊在串行通訊緩存與數據引擎實時數據庫之間進行數據的實時交換。從圖3可見，這種數據交換機制與物理IO的數據交換機制沒有本質區別。因而，在IAP控制平臺中，現場總線技術的集成將更加容易。

IAP控制平臺的體系架構的特點是“硬件通用化，軟件工具化，元件產品化”。換言之，應用IAP控制平臺作為控制系統的開發環境時，無論控制對象、控制站、控制算法存在如何差異，不同的控制系統其軟件工具都是相同的。而IAP組態元件作為一種產品，它保持著最小的公用算法的顆粒度，具有無限次復用的特性。如果遇到新的控制算法的需求，IAP控制平臺支持元件的擴展。組態元件高度自治，任何元件控制算法的修改或新增組態元件，對整個IAP控制平臺或其他組態元件不會產生任何影響。因此，只要有合適的組態元件，IAP控制平臺就能夠適應所有控制系統結構和工藝需求。組態元件不僅是控制算法設計的基礎，同時也是控制算法執行過程的監控對象。因為IAP的組態元件的執行遵循可視化計算的規范。這項特性和IAP的動態重構技術結合在一起，就能夠為基于現場總線的控制算法組態在線優化提供有力的技術支持。

圖3 IAP控制平臺數據引擎技術原理示意圖

4 現場總線集成技術

在本項目研究中，選擇OMRON公司生產的CS1D PLC作為輔控系統的控制站，相應的Profibus現場總線的主站模塊采用CS1W－PRM21。這種模塊是作為CS1D的通訊單元，理論上每套CS1D可配置16個CS1W－PRM21模塊。由于CS1D目前只有基于Profibus－DP協議的現場總線主站模塊，因此還需要結合西門子公司生產的PA/DP轉換器，才能在本輔控系統中接入Profibus－PA協議的智能儀表。目前，在IAP控制平臺中應用OMRON的Profibus通訊網絡，需要做好必要的系統預置。主要預置項目包括主站的設定，從站通訊信息對應的內存空間設定，從站GSD文件的導入，以及Profibus－PA總線儀表的網路地址。

將現場總線技術集成到IAP控制平臺中，需要解決的關鍵技術只有兩項。一是在IAP的輸入輸出組態元件中集成現場總線通訊的相關信息，二是將從站發送出的非輸入輸出型信息(例如智能儀表的故障信息)通過特定的組態元件輸出，以便在控制算法中進行信息綜合。因此，在IAP控制平臺中，集成現場總線技術只涉及到輸入輸出元件的改造(功能的擴充)，不涉及到組態元件的新增。

IAP與控制對象設備連接的基本輸入輸出元件只有4種類型，分別為模擬量輸入AI、模擬量輸出AO、數字量輸入DI和數字量輸出DO。以AI為例，說明IAP集成現場總線技術的基本原理和工程實現方法。和所有的IAP控制算法組態元件一樣，AI元件預留有20個內置屬性參數，如圖4所示。在非現場總線型數據輸入條件下，屬性參數P1設置為0，這表示輸入數據取自模擬信號的輸入輸出模塊，其元件下標決定了數據寄存的地址。但在接入現場總線類型的輸入數據時，P1設置為2，這表示該數據輸入來自現場總線的通訊。其他重要的屬性參數是:P10表示數據的字長，P11表示反向次數，P12表示數據類型，P13表示數據的放大系數，P14表示數據的縮小系數。由此可見，模擬信號和現場總線型輸入可共用一個AI組態元件，只是后者需要根據屬性參數進行相應的數據處理，該元件的輸出均為特定傳感器傳送出來的過程變量。

圖4 AI元件的參數設置

5 智能設備的控制實例

(1)閥島類控制實例

鍋爐補給水系統中使用了許多閥門，本項目采用Profibus現場總線技術后，PLC對這些閥門的控制是通過Profibus總線型閥島實現的。本項目研究中使用的閥門能接收該項目所選用的FESTO現場總線型閥島發出的開命令、關命令，并返回給閥島開反饋、關反饋，而閥島也能與PLC交換閥門的這些信息。通過查看閥島的信息，即能得知閥島所控制的相應閥門的狀態［6－7］。圖5是其中某個閥島控制閥門的趨勢圖，其矩形波代表了閥門的開關狀態(圖中的脈沖信號是現場干擾信號，可忽略)，由圖可知，通過對IAP控制平臺中的組態元件進行相應的參數設置，即實現了對現場總線技術的集成，且實現了控制命令對閥門的有效控制，并達到了預期的效果。這說明了IAP實現了與現場總線技術的融合。

圖5 閥島趨勢圖

(2)液位計的控制實例

鍋爐補給水系統中采用的是西門子的現場總線型液位計，用以監測水箱液位并實現對液位的控制。圖6是在現場采集到的某個液位計的趨勢圖，由圖可以看出，最初液位在較高值，經過IAP控制平臺進行控制后，液位逐漸降低，最終達到了較低值。這個實例充分證明了基于數字通訊信號的現場總線技術和基于模擬信號的輸入輸出的IAP組態技術已實現了同構化。

圖6 液位計趨勢圖

(3)電導率表的控制實例

鍋爐補給水系統采用了現場總線型的HACH9125電導率表，通過該傳感器來反映整個系統最終水處理的情況。圖7是從現場的電導率表中采集了某段時間內水的電導率情況，由于對電導率的調節和監測均來自于IAP控制平臺，該實例也反映了現場總線技術與IAP控制平臺技術實現了融合。

圖7 電導率表趨勢圖

6 結論

本論文在IAP控制平臺的基礎上，通過研究實際電站的輔控系統與實例，實現了DCS、PLC、FCS控制技術的集成統一，并大大簡化了現場總線的程序設計方法，不需要開發新的組態元件，只需要在IAP控制平臺原有元件的基礎上增加新的功能，即完成了DCS與FCS的無縫集成。因為DCS具有豐富的監控管理等功能，而FCS具有網絡化、分散控制的優勢，故只有將DCS與FCS無縫集成才能發揮最大功效，而本論文中所采用的IAP新技術很好的實現了這一功能。這充分說明了IAP控制平臺的體系架構非常適合現場總線技術的集成，但是由于現場總線技術存在信息集中的危險和可選設備范圍小、工程調試難度大的問題，因此，目前該技術的發展仍然存在一定的局限性，仍然需要作進一步的研究工作。

［1］李裕琨.火電廠輔控網集中控制系統的研究［J］.自動化儀表，2010(5).

［2］段南.火電廠輔助車間集中控制網絡技術方案研究與實施［J］.中國電力，2009(4).

［3］Wenbin Dai，Valeriy Vyatkin.Redesign Distributed PLC Control Systems Using IEC 61499 Function Blocks.IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATION SCIENCE AND ENGINEERING，VOL.9，NO.2，APRIL，2012.

［4］Teemu Tommila，Juhani Hirvonen，Lauri Jaakkola.Ect，.Next generation of industrial automation.VTT Research Notes 2303.

［5］曾衛東，王春利，顏渝坪，等.現場總線在超超臨界機組水處理集中控制系統的應用［J］.熱力發電，2006(1).

［6］吳志勇，李鴻燕.現場總線控制技術在火力發電廠水處理島中的應用［J］.華電技術，2012(12).

［7］尹端玲.總線型閥島在電廠化水程控中的應用［J］.自動化儀表，2012(7).