CN103197652A - 一种用于火电厂一体化系统的现场总线通信控制装置 - Google Patents

一种用于火电厂一体化系统的现场总线通信控制装置 Download PDF

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Abstract

一种用于发电厂热工自动化系统（DCS）、厂用电气控制管理系统（ECMS）一体化的总线通信控制装置，这种现场总线通信控制装置通过两路高速profibus DP现场总线通道接入电气控制管理系统的保护、测控等智能电子设备，以及热工用的阀门、仪表、变送器等智能设备；根据配置文件将采集的各类IED的数据经过数据分流分为周期性数据与非周期性数据，周期性数据通过两路高速DP-Net转发给DCS系统的控制器，控制器可以用这些数据做逻辑运算等，并接受控制器对各IED的实时控制；该通讯控制模块提供冗余的IEC-61850通讯通道，支持与IEC-61850客户端的数据交互；为了系统安全可靠，通讯控制模块本身冗余设计。

Description

一种用于火电厂一体化系统的现场总线通信控制装置
技术领域
本申请属于电力系统技术领域，用于大型火电厂的自动控制系统具体涉及用于发电厂热工自动化系统（DCS）、厂用电气控制管理系统（ECMS）、升压站控制系统（NCS）的一体化控制系统中的电气信息与热工信息的交互及数据分流。
背景资料
在火力发电厂自动控制系统的应用中，火电厂机炉设备的监视、控制和保护已经全部纳入DCS，电气控制系统却仍独立于DCS系统，在电厂中分别属于电气和热工范围是独立运行控制的。随着通信技术的发展，电气测点通过通信接口进入到DCS系统中已成为可能，可便于运行人员在集控室进行集中监视。从发电企业的集中管理、减员增效以及系统维护角度出发，对发电厂的热工电气一体化的需求逐步突出。火电厂电气热工一体化可提高全场生产系统的协调运行和优化管理，为实现全厂管控一体化打下基础，是建设信息化电厂的必由之路。
现场总线控制系统（FCS）是电厂自动控制发展的趋势的，可节约大量电缆；控制功能下放到现场，使控制信号传输的准确性提高；现场总线通信协议国际标准化后，实时性、快速性和可靠性大为提高；可使不同厂家的产品互相连接和操作，消除了目前自动化的孤岛现可使不同厂家的产品互相连接和操作。
火电厂一体化控制系统要实现发电厂热工自动化系统（DCS）、厂用电气控制管理系统（ECMS）、升压站控制系统（NCS）的一体化控制。基于通信实现了全厂数据和信息的一体化，需要从根本上把发电厂热工、电气自动化功能统一。而传统的设计中电厂热工信息和电气自动化信息是相互独立的，为了能快速将电气自动化信息提供给热工做逻辑运算，需要在装置级提供一个通信控制模块，实现电气自动化信息采集、与后台数据通信、并能将部分电气采集信息通过总线方式传给热工控制器。该项申报技术设计的通信控制模块实现了以上功能，为一体化实现提供了通讯基础。
发明内容
本发明要解决的问题是：为火电厂一体化技术方案提供一个实现热工自动化系统（DCS）、厂用电气控制管理系统（ECMS）一体化的现场总线通信控制装置，该通信装置提供的高速现场总线即可以接入电气保护、测控装置，又可接入热工仪表、阀门等设备，并通过周期性数据与非周期性数据，信息数据和控制数据的分流功能，能以ms级的速度将周期性数据转发给DCS控制器参与逻辑运算，通过标准IEC-61850协议实现非周期行数据的后台上送。
本发明具体采用以下技术方案。
一种用于火电厂一体化系统的现场总线通信控制装置，包括profibus DP规约处理模块、DP-Net协议处理模块、同步模块、IEC-61850通讯处理模块、实时数据库模块；其特征在于：
所述现场总线通信控制装置通过支持标准通讯协议的profibus DP规约处理模块通过profibus DP总线与外部电气装置、热工设备通讯，采集电气装置及热工设备数据信息，profibus DP规约处理模块将采集到的数据信息通过实时数据库接口存入实时数据库，供DP-Net协议处理模块、IEC-61850通讯处理模块及同步模块使用，并接收来自DP-Net协议处理模块以及IEC-61850通讯处理模块的控制命令，实现对下挂智能电子设备的控制；
所述现场总线通信控制装置的实时数据库模块是现场总线通信控制装置的数据核心，实现整个装置所涉及到的数据的存储及管理，并为其它模块提供数据存取的接口；
所述现场总线通信控制装置通过DP-Net总线将所述现场总线通信控制装置中的DP-Net协议处理模块连接到DCS控制器，DP-Net协议处理模块将从实时数据库模块中的周期型数据（即profibus DP协议中循环采集的实时性数据）及热工控制用数据（即控制器逻辑计算需要的实时数据，如线路电压、电流、压板位置等）分流后快速、可靠地送给DCS的控制器，并接收DCS控制器发来的控制命令，将该控制命令以消息方式转发给profibus DP规约处理模块；
IEC-61850通讯处理模块通过高速以太网与外部人机界面（HMI）连接，实现IEC-61850服务端功能，实现电厂自动控制系统的互操作性；该模块从实时数据库模块中将profibus DP规约处理模块采集到的数据信息以IEC-61850通讯协议转发给HMI,并接收HMI对现场智能电子设备的控制命令，将对现场智能电子设备的控制命令以消息方式转给profibus DP规约处理模块；
同步模块实现主备双现场总线通信控制装置的数据同步，周期性对比主备信息，从实时数据库模块中取出对端没有的数据信息进行同步，同时在IEC-61850通讯处理模块收到来自HMI的控制命令后也通过同步模块同步给对端。
本发明公开的现场总线通讯控制装置实现了电气控制管理系统与热工自动化系统的数据共享，实现了周期性数据与非周期行数据的数据分流，为火电厂系统电气控制管理系统的一体化提供了关键的枢纽设备。
附图说明
图1示意了本申请公开的用于火电厂一体化系统的现场总线通信控制装置外部系统接口图；
图2示意了本申请公开的用于火电厂一体化系统的现场总线通信控制装置结构框图；
图3示意了由本申请现场总线通信模块组网的火电厂一体化系统图。
具体实施方案
下面结合说明书附图对本发明技术方案做进一步详细说明。
如附图1所示为本申请公开的用于火电厂一体化系统的现场总线通信控制装置外部系统接口图，所述现场总线通信控制装置的外部通讯接口设计两路高速profibus DP通道，两路DP-Net通讯通道，三路百兆以太网，其中两路用来实现IEC-61850通讯转出，一路用来实现主备现场总线通信控制装置的信息同步。
本申请的现场总线通信控制装置可以在软件实现上将现场总线通信控制装置的按功能划分为IEC-61850通讯处理模块、同步模块、DP-Net规约转出模块、profibusDP规约处理模块、实时数据库模块。
现场总线通信控制装置各模块间交互关系见图2：profibus DP规约处理模块通过profibus DP总线与外部电气装置及热工设备连接，实现现场智能电子设备的输入类数据采集（包括遥测、遥信、遥脉等）并接收来自其它模块的控制命令，将控制命令发送给现场智能电子设备实现控制。IEC-61850通讯处理模块通过高速以太网与外部HMI连接，实现从实时数据库模块中将profibus DP规约处理模块采集到的遥测、遥信、遥脉等信息以IEC-61850通讯协议转发给HMI，并接收HMI对现场智能电子设备的控制命令，将控制命令以消息方式转给profibus DP规约处理模块。DP-Net协议处理模块通过高速DP-Net总线实现与外部DCS控制器的数据交互，从实时数据库模块中将profibus DP采集到的遥测、遥信、遥脉等信息过滤后转发给DCS控制器，并接收DCS控制器的控制命令，以消息方式发送给profibus DP规约处理模块。现场总线通信控制装置与HMI、DCS控制器、智能电子设备均为双向通信。实时数据库模块是数据中心，profibus DP规约处理模块采集到输入类型的数据后存入实时库；现场总线通信控制装置接收到的遥控、遥调、对时等控制命令，在IEC-61850通讯处理模块或DP-Net协议处理模块收到后通过消息方式通知profibus DP规约处理模块，由profibus DP规约处理模块下发给IED装置。
其中，所述现场总线通信控制装置通过profibus DP规约处理模块接入电气控制系统的380V、6KV保护电流、电压数据、压板位置、保护动作等信息；接入测控智能电子设备的电流、电压、功率、电度等信息；接入热工仪表、阀门、执行机构、变送器等智能设备相关的阀位、温度、压力等信息。热工仪表、阀门等热工设备如果为PA通讯接口，则可通过耦合器转换为profibus DP后接入通讯控制模块。profibus DP通讯速率可配，最高可达1.5M。profibus DP规约处理模块同时接受来自IEC-61850通讯处理模块和DP-Net协议处理模块的遥控、遥调等控制命令，将控制命令转换为profibus DP对应报文格式后下发给下挂的电气装置及热工设备。
DCS控制器在接收到DP-Net协议处理模块传输的实时数据库模块中的实时数据后，运用这些数据信息进行逻辑运算判断后将控制指令通过DP-Net总线下发给DP-Net协议处理模块，DP-Net协议处理模块将控制命令通过消息方式发送给profibus DP规约处理模块，由其对电气装置及热工设备进行控制。DP-Net协议处理模块与DCS控制器之间优选采用两路DP-Net总线，通道波特率自适应，互为冗余，主应答，备只监听不应答。从profibus DP上采集的数据根据配置文件的设置进行数据分流，经过数据分流后，将周期性数据（profibus DP协议中循环采集的实时性数据，如压力变送器的压力、液位计的液位、温度仪表的温度数等）通过该DP通道转给DCS系统的控制器，并实时接收控制器对各IED的控制命令。收到控制器的控制命令后通过消息的方式通知到profibus DP规约层，有规约层实现下发控制命令给智能电子设备。
为实现电厂自动控制系统的互操作性，避免信息孤岛，本申请公开的现场总线通信控制装置开发了IEC-61850功能，现场总线通信控制装置作为IEC-61850的服务端，可与客户端通讯，从实时数据库中将所采集IED的所有模拟量、数字量信息通过以太网送给客户端，并接受客户端对IED的遥控及遥调。收到客户端的控制命令后同样以消息方式通知规约层向IED下达控制命令。
为了系统安全，现场总线通信控制装置设计了主备冗余功能。主备现场总线通信控制装置通过第三个以太网口周期性同步基本信息。并通过冗余以太网接口，两台主控单元设备互相交换IED数据，从实时数据库模块中获取本机通信不正常但对侧通信正常的IED全数据。在主机发生如死机、配置错、IED全中断等致命异常，但备机无异常时发生主备切换。
由现场总线通信控制装置组网的一体化系统图，如图3所示。将电气控制IED设备及热工阀门、仪表等设备分别通过profibus DP总线接入现场总线通信控制模块的profibus DP通道1、通道2，如果设备支持冗余通道，备用通道分别接入冗余的现场总线通信控制模块的profibus DP通道1、通道2。将现场通信控制模块的两路DP-Net分别与DCS系统控制器的两路DP-Net连接。将现场总线通信控制装置的两路以太网分别接入两个信息网交换机，通过IEC-61850协议将非周期性数据上送上位HMI。通过配置工具将现场总线通信控制装置下挂的电气智能电子设备、热工阀门、仪表等设备组态配置，生成配置文件下装给现场总线通信控制装置。并将电气智能电子设备及热工阀门、仪表等设备中的周期性数据挑出生成转发配置文件，下发给现场总线通信控制装置。配置完成后，启动现场总线通信控制装置后，现场总线通信控制装置开始数据采集、控制及转发工作。

Claims (6)

1.一种用于火电厂一体化系统的现场总线通信控制装置，包括profibus DP规约处理模块、DP-Net协议处理模块、同步模块、IEC-61850通讯处理模块、实时数据库模块；其特征在于：
所述现场总线通信控制装置通过支持标准通讯协议的profibus DP规约处理模块通过profibus DP总线与外部电气装置、热工设备通讯采集电气装置及热工设备数据信息，profibus DP规约处理模块将采集到的数据信息通过实时数据库接口存入实时数据库，供DP-Net协议处理模块、IEC-61850通讯处理模块及同步模块使用，并接收来自DP-Net协议处理模块以及IEC-61850通讯处理模块的控制命令，实现对下挂智能电子设备IED的控制；
所述现场总线通信控制装置的实时数据库模块是现场总线通信控制装置的数据核心，实现整个装置所涉及到的数据的存储及管理，并为其它模块提供数据存取的接口；
所述现场总线通信控制装置通过DP-Net总线将所述现场总线通信控制装置中的DP-Net协议处理模块连接到DCS控制器，DP-Net协议处理模块将实时数据库模块中的周期型数据及热工控制用数据分流后快速、可靠地送给DCS控制器，并接收DCS控制器发来的控制命令，将该控制命令以消息方式转发给profibus DP规约处理模块；
IEC-61850通讯处理模块通过高速以太网与外部HMI连接，实现IEC-61850服务端功能，实现电厂自动控制系统的互操作性；该模块从实时数据库模块中将profibusDP规约处理模块采集到的数据信息以IEC-61850通讯协议转发给HMI,并接收HMI对现场智能电子设备的控制命令，将对现场智能电子设备的控制命令以消息方式转给profibus DP规约处理模块；
同步模块实现主备双现场总线通信控制装置的数据同步，周期性对比主备信息，从实时数据库模块中取出对端没有的数据信息进行同步，同时在IEC-61850通讯处理模块收到来自HMI的控制命令后也通过同步模块同步给对端。
2.根据权利要求1所述的现场总线通信控制装置，其特征在于：
所述profibus DP规约处理模块采集的数据信息包括电气控制系统的380V、6KV保护、测控智能电子设备的电流、电压、电度、压板位置信息、保护信息以及热工仪表、阀门、执行机构、变送器等智能电子设备的压力、温度、阀位等数据。
3.根据权利要求1所述的现场总线通信控制装置，其特征在于：
DP-Net协议处理模块与DCS控制器之间采用两路DP-Net总线，所述DP-Net总线通信速率为5M比特/S，两路DP-Net总线通道波特率自适应，互为冗余，主通路应答，备用通路只监听不应答。
4.根据权利要求1所述的现场总线通信控制装置，其特征在于：
现场总线通信控制装置能够作为IEC-61850的服务端与客户端通讯，从实时数据库中将所采集的现场智能电子设备的所有模拟量、数字量信息通过以太网送给客户端，并接受客户端对现场智能电子设备的遥控及遥调，收到客户端的控制命令后以消息方式通知规约层向现场智能电子设备下达控制命令。
5.根据权利要求1所述的现场总线通信控制装置，其特征在于：
所述实时数据库模块中的周期型数据是指profibus DP规约处理模块循环采集的实时性数据。
6.根据权利要求1或5所述的现场总线通信控制装置，其特征在于：
所述热工控制用数据指DCS控制器逻辑计算所需要的实时数据。
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