WorldFIP現場總線在寶泉抽水蓄能電站中的應用

劉鵬龍

(河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉 453636)

WorldFIP現場總線在寶泉抽水蓄能電站中的應用

劉鵬龍

(河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉 453636)

本文簡要介紹了WorldFIP現場總線技術及其在寶泉抽水蓄能電站計算機監控系統中的應用。

WorldFIP;現場總線;應用;計算機監控系統;抽水蓄能電站

1 引言

隨著計算機技術、網絡技術和通信技術的發展，電站計算機監控系統設計理念不斷更新，自動化水平越來越高。寶泉抽水蓄能電站即按無人值班(少人值守)的要求設計，通過計算機監控系統對全廠設備進行集中監視與控制，在實現電站無人值班(少人值守)的同時，對電站計算機監控系統網絡結構和通信系統提出了更高的要求，尋求一種高速、實時、可靠的網絡結構和通信方式，是電站綜合自動化關鍵問題。

現場總線是指在生產現場的測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信、完成測量控制任務的系統，這種系統具有良好的開放性和設備間的互操作性，在電站計算機監控系統中具有廣泛的應用。2000年國際電工委員會發布了IEC61158標準，此標準包括8種類型的現場總線標準，本文簡要介紹其中的WorldFIP現場總線及其在寶泉抽水蓄能電站計算機監控系統中的應用。

2 WorldFIP現場總線概述

WorldFIP現場總線是歐洲現場總線標準EN50178的第三部分，最初為Cegelec、ALSTOM等幾家法國公司在原有通信技術的基礎上根據歐洲用戶要求制定，原名FIP(Factory Instrumentation Protocol)，是法國標準，后來采納了IEC國際標準(61158-2)改名為WorldFip，是國際電工委員會2000年發布的IEC61158標準中8種現場總線類型中的第7種，其在能源、交通、運輸、自動化等工業領域中得到了廣泛的應用，如我國的廣東嶺澳核電站、上海地鐵及本文即將介紹的寶泉抽水蓄能電站等項目中均使用了WorldFIP現場總線技術。

WorldFIP現場總線融合了通信技術、信息技術及控制技術等多種技術優勢，是一種面向工業控制的、先進的、開放的現場總線技術，其主要特點體現在數據的實用性、實時性、同步性和可靠性：

(1)實用性

WorldFIP現場總線與Internet類似，采用曼徹斯特編碼方式,以工業屏蔽雙絞線或光纖作為傳輸介質，具有較高的數據傳輸速率和傳輸距離。數據傳輸速率有31.25kbps、1Mbps及2.5Mbps三種標準速率，其中典型傳輸速率為1Mbps。在三種標準速率下的最大通信距離分別為5km、1km和0.5km,通過網絡中繼器,總線可分別擴展到20km、5km和2km。

(2)實時性

在WorldFIP現場總線網絡中信息以廣播的形式發出，負責通信調度的總線仲裁器按照事先設計好的“變量掃描表”(總線仲裁表)周期性地向總線上廣播含變量標識符的“問題幀”，當唯一的生產者識別出該問題幀是向自己發出的之后，以“響應幀”作為回應，同樣以廣播的形式向總線發布有關信息，該信息可以別一個或多個使用者使用。使用者除對數據進行錯誤監測外，還根據產生數據的時間限制對其進行確認，保證了總線仲裁表中的數據得到周期性刷新。

(3)同步性

WorldFIP現場總線的生產者/使用者模式和總線仲裁器的調度方式保證了在一條總線上傳遞大量信息的同時，不會干擾時限變量。控制信息和非控制信息能在同一條總線上互不干擾地傳遞。

(4)可靠性

WorldFIP現場總線具有介質冗余功能，通信控制器可以連接兩路獨立的傳輸介質，在雙介質運行時，兩路介質相互熱備用。當某一介質發生斷線等故障而造成通信中斷時，通信控制器會自動將通信數據無擾切換到另一路冗余介質上，并能保證數據的完整性及正確性，不需要應用程序的干預，極大地增強了通信可靠性。

3 WorldFIP現場總線在寶泉電站計算機監控系統中的應用

3.1 寶泉抽水蓄能電站計算機監控系統簡介

寶泉抽水蓄能電站計算機監控系統采用ALSTOM ALSPA P320系統，它是一種智能型分層分布式開放式控制系統，整個系統功能由調度層、電站控制層和現地單元控制層組成。監控系統網絡體系結構為兩級三個網絡，如圖1示意。監控主網絡(S8000-E)采用100MB/S冗余光纖快速交換式以太環網結構，網絡設備選用適合于電站環境的100MB/S級工業以太網交換機，電站控制層設備及現地制單元設備均直接接在該網絡上，面向監控對象的現場設備網絡(F8000)采用現場總線技術，總線方式采用WorldFIP，還有用于系統維護及打印機連接等功能的Site Network。

3.2 WorldFIP現場總線在寶泉電站計算機監控系統中的實現

由于WorldFIP現場總線具有通信速率快、通信距離遠、同步性好及可靠性高等優點，在設計監控系統網絡構架時面向監控對象的現場設備網絡F8000采用了WorldFIP總線方式，通信速率采用典型速率1Mbps，通信介質采用工業級屏蔽雙絞線和光纖，F8000網絡結構如圖2所示(LCU1)。

圖1 寶泉電站計算機監控系統網絡體系結構示意圖

圖2為寶泉電站計算機監控系統8個現地控制單元中(LCU)中的一個：1#機組現地控制單元LCU1的F8000網絡結構，其他LCU與此類似。以下就以LCU1來簡要介紹以下寶泉電站計算機監控系統中WorldFIP總線網絡F8000的構成。如圖2所示，LCU1 F8000 WorldFIP現場總線系統有2個PCX(Cell Controller)、1個C8035 IHR Controller、4個C8035 Field Controller、2個AVR Controller、1個T_SLG Controller和2個DI103 gaterway組成，勵磁系統、調速器系統、球閥系統均直接掛在F8000總線網絡中，是總線的一個節點用戶。2個PCX工控機冗余配置，互為熱備用，設備地址分別為0和1；C8035 IHR Controlle又稱SOE控制器，用于一些重要開關量信號的采集，其數據采集分辨率為1ms，設備地址為2；4個C8035 Field Controller中有3個用于機組數字信號、模擬信號的采集和輸出以及Modbus通信等，設備地址是4和6，另外一個專用于球閥的控制，設備地址為12；2個AVR Controller是勵磁控制器，冗余配置，互為熱備用，設備地址為8和9；T_SLG Controller是水輪機調速器系統的控制器，設備地址為10；2個DI103 gaterway分別用于監控系統和發變組A組保護、B組保護的數字通信，設備地址為14和15。

圖2 寶泉電站計算機監控系統F8000網絡結構示意圖

WorldFIP現場總線網絡F8000各組成部分協同工作完成機組監視與控制的數據采集、數據加工處理、邏輯運算和執行輸出等功能，實現對機組的實時監視與控制。由F8000總線網絡構成的現地控制單元LCU可以獨立于全廠監控網絡S8000-E而獨立工作，當S8000-E出現故障時，不會危及機組的安全運行，可以在現地控制層繼續對機組進行監視與控制。

由于部分控制器距離LCU盤柜較遠，因此F8000總線網絡在通信介質上選用了兩種：工業級屏蔽雙絞線和多模光纖。控制器比較集中的地方使用工業級屏蔽雙絞線，距離LCU盤柜較遠的控制器，如勵磁系統、調速器系統、球閥系統和高壓氣系統等則采用多模光纖作為通信介質，兩種通信介質的過渡用帶有電口和光口的中繼器(Repeater)實現，在此F8000總線網絡中，通過光纖連接的控制器又稱之為遠方控制器(Remote Controller)。

為保證通信的安全性和可靠性，重要部件采用冗余配置，互為熱備用，如PCX和勵磁AVR控制器均配置兩個，同時F8000網絡也采用冗余配置(F8000 M1、F8000 M2)，即總線上的每一個控制器配置有兩個通信接口，同時連接兩個獨立的F8000網絡F8000 M1和F8000 M2，又兩個PCX均配置成總線仲裁器，總線仲裁器的切換隨PCX主備用的切換而自動切換，保證了通信調度的可靠性，此F8000總線網絡運用了多重保障措施來確保通信的可靠性和安全性。

由于把機組和主變保護、勵磁系統、調速器系統、球閥系統，以及LCU5中的高壓氣系統控制器等直接掛在總線網絡上作為總線的一個節點用戶，這樣極大地方便了不同系統設備間的互聯，鑒于WorldFIP現場總線網絡中信息以廣播的形式發出以及其生產者/使用者模式和總線仲裁器的調度方式，有效地保證了信息交換的可靠性、實時性和同步性，同時也給設備維護和管理提供了極大便利，可以在S8000-E網絡上的任意一個人機接口查看到整個監控系統控制器的運行狀態。

4 結論

寶泉抽水蓄能電站計算機監控系統投運以來，WorldFIP現場總線網絡F8000運行穩定、可靠性高，未發生過F8000通信中斷事故，以其可靠性、實時性和同步性保證了機組的安全運行，同時也給監控設備的遠程集中維護和管理提供了便利，有利于提高監控設備管理水平，是一種成熟的現場總線技術。

[1] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社,1998.

[2] 吳亞平.WorldFIP—一種先進的現場總線[J].中國儀器儀表,2001,1.

[3] 寶泉抽水蓄能電站計算機監控系統運行與維護手冊[Z].

Application of WorldFIP Fieldbus in BAOQUAN Pumped Storage Power Station

LIUPeng-long

(State Grid Henan BAOQUAN Pumped Storage Co.,Ltd,Xinxiang 453636，China)

the paper introduces the WorldFIP field bus and its application in the computer supervisory and control system(CSCS)in BAOQUAN pumped storage power station.

worldFIP;fieldbus;application;CSCS;pumped;storage;power;station

1004-289X(2016)05-0092-04

TM76

B

2016-03-10