基于全以太網通信的水泥廠電氣與自動化集成控制系統方案

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、數據及通信服務，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議。通過一個變電站系統配置描述文件，即便是電壓等級、供電范圍不同，仍然可以建立一個統一格式、統一內容、各個廠商通用的變電站監控系統。并且支持電氣系統要求的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。基于以太網技術及靈活開放的系統架構，IEC 61850標準確保應用程序在系統的整個生命周期內的有效性。因此非常適合作為電氣系統與控制系統之間的通信協議。

PROFINET為自動化通信領域提供了一個完整的網絡解決方案，囊括了諸如實時以太網、分布式自動化、故障安全以及網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，可以完全兼容工業以太網和現有的現場總線技術，保護現有投資。PROFINET網絡和外部設備的通訊是借由PROFINET IO來實現，PROFINET IO定義和現場連接的外部設備的通訊機能，其基礎是級聯性的實時概念，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）之間完整的數據交換、參數設定及診斷功能。因此它適用于控制系統中控制器與I/O站之間的通信，以及部分PLC與DCS之間的通信，數據的實時性和靈活的拓撲結構都能夠得到滿足。

Modbus TCP適用于網絡通信，是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器之間、控制器經由網絡和其它設備之間就可以通信了。Modbus協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過何種網絡進行通信的。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是一種請求應答協議。Modbus比其它通信協議使用的更廣泛的原因在于這種協議是一種開源協議并且無版權要求的，開發的軟硬件成本低，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系統之間的通信。簡單易用，但是數據傳輸量和數據實時性都不如ProfiNet。

1 工程應用方案

對于水泥廠一體化電氣自動化監控項目，本方案采用ABB System 800xA作為DCS和電氣監控系統的平臺。因為800xA系統是一個開放式的系統，能夠直接兼容IEC61850 ed1和ed2，ProfiNet和Modbus TCP以及其它基于TCP/IP的以太網總線協議，并且800xA已經內置了對應通信協議的應用庫和元素，能夠大大減少通信設置、組態、調試、操作和維護的工作量。另外，800xA系統支持多服務節點的功能，可以使得不同通信協議的網絡相互之間隔離，從而提高系統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，在現場分布放置帶有總線接口模塊的控制器。按照通信協議的不同，劃分為4個TCP/IPC以太網：

（1）DCS控制網絡：連接現場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，實現集中監視和控制。

（2）IEC61850電氣監控網絡：連接現場控制器CI868通信模塊、現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IEC61850電氣設備與控制系統的集成。

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

（4）ProfiNet現場 I/O網絡：連接現場控制器CI871通信模塊、現場I/O站、皮帶機ABB安全PLC、在線分析儀，實現現場的分散控制。

網絡拓撲示意圖見圖1。

圖1 網絡拓撲結構圖

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

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

2 軟件功能與配置

本方案的軟件功能組態的最大特點在于全部使用ABB System 800xA內置標準工具和應用庫即可實現全水泥廠各子系統的集成和組態，無需使用第三方的通信網關協議轉換，或者第三方軟件工具配置電氣系統通信等，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系統內部，可以直接導入電氣系統的SCD文件，見圖2。

圖2 通過800xA系統直接導入變電站子網

基于對象庫，可以實現標準化的間隔、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與控制系統之間的連鎖邏輯。實際監控單線和計量分析圖見圖3。

圖3 800xA集成電氣狀態和信息監控

2.2 ProfiNet設備集成

常規項目必須先進行硬件配置，FAT打點完成后才能夠進行軟件編程，在很多項目中出現了工程師在用戶現場編寫控制程序的情況，導致調試時間過長、反復修改以及工期緊張的情況。ABB 800xA系統引入了xStream的工程組態方法，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時間以及重復工作量。

圖4 并行式工程組態方式

因此，當組態ProfiNet硬件的時候，工程師可先根據功能分析編輯軟件邏輯，硬件安裝完成后，通過網絡掃描，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據

2.3 Modbus TCP設備集成

根據不同Modbus設備的功能和性質，將與控制、聯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。將僅用于監視和管理類的數據如功率、能耗等直接接入連接服務器，從而可以最大程度上優化控制器和連接服務器以及網絡負荷，從而實現這個系統的最優化運行。

2.4 軟件功能的探討

當全廠的所有類型系統的數據都集中到控制系統后，需要對監控畫面進行相應的優化，能夠讓操作和維護人員能夠快速并合理的獲得相關信息，從而實現電氣、自控以及PLC子系統之間的真正融合，另外包括報警和事件列表、趨勢曲線以及組起組停等內容的組織和定義都要進行重新的規劃，能夠使用戶能夠在同一個窗口界面看到各個系統的信息，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

采用一體化網絡平臺實現電氣、自動化進行集成式管理的水泥廠解決方案已經在國內外逐步實現了，例如阿根廷L’AMALI二線5800t/d水泥生產線一體化控制系統就是采用本文所述的方案。采用此種解決方案，能夠實現水泥廠的“一網到底”網絡架構，能夠靈活接入各種系統，從而減少前期設計的復雜度、減少現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的成本。并且對于水泥廠數字化工程來說，能夠提供更加豐富的現場數據，為大數據分析提供底層支撐。