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徐  柯

1  前言
現場總線是安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式，串行、多點通信的數據總線，是用于現場儀表與控制系統和控制室之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、互聯、多變量、多點、多站的通信系統。具有開放性強，可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強、通信速率快，系統安全符合環境保護要求，造價低廉，維護成本低的特點。
華能重慶珞璜電廠的#33，#34機組是從法國ALSTOM公司引進的360MW燃煤單元制機組，采用法國CEGELEC公司的P320控制系統進行機組的啟停控制。在P320控制系統的過程控制級上使用了符合WorldFIP現場總線協議的現場總線控制系統――F900網絡和LOCAFIP網絡。
2  F900和LOCAFIP現場總線
2.1  珞璜電廠的網絡結構
ALSPA P320控制系統使用了三種網絡：CONTRONET網絡，SYCOWAY F900網絡及LOCAFIP網絡。其中后兩種網絡為符合WorldFIP現場總線協議的現場總線網絡，P320控制系統的所有網絡均為雙冗余結構，華能珞璜電廠網絡簡圖參見圖1。

 
圖1  華能珞璜電廠網絡簡圖

CONTRONET網絡即以太網，屬于局域網。其拓撲結構為總線形。網絡采用國際標準化組織的IEEE802.3局域網網絡標準，使用TCP/IP、UDP、VCA等通迅協議，采用自由競爭的廣播方式進行數據通信，傳輸線的訪問采用CSMA/CD技術，即載波偵聽、多路訪問/沖突檢測技術。采用同軸電纜10BASE5粗纜傳送信息、網絡的最大長度不超過2500m。傳輸速率為10Mbps。
F900網是一個基于FIP標準（UTE C64 601-607）的工業局域網，它把CONTROBLOC和CENTRALOG監控系統連接在一起。F900網處理三種類型的數據：CONTROBLOC自動化單元之間交換的數據，CONTROBLOC自動化單元和CENTRALOG監控系統之間交換的數據、對C370控制器進行組態和調試的相關數據。第一種數據通信是在CONTROBLOC層中同級進行的周期性數據交換，后兩種數據通信是在CONTROBLOC層與CENTRALOG層之間上下進行的周期性或非周期性的數據交換，如控制、監視和組態。F900網絡的拓撲結構為總線型，傳輸線的訪問采用令牌傳送的廣播方式，在線編碼采用曼徹斯特2，幀長度248字節。它采用雙冗余結構，使用雙絞線，最大長度可達4公里，最多可接64個用戶，傳輸速率為1Mbps。
LOCAFIP用于連接C370控制器和CE2000 I/O裝置，與F900網相同，也采用FIP標準（UTE C64 601-607），遵循FIP-MPS+MS協議，使用雙冗余的雙絞線，最大長度可達4公里，最多可接14個用戶，傳輸速率為1M bps。LOCAFIP網絡的功能是實現C370控制器與I/O模塊之間的數據通信。
華能珞璜電廠的單元制機組，采用雙冗余的數據采集服務器(CIS)，12對冗余的C370控制器，在數據采集器和C370控制器之間由SYCOWAY F900現場總線網絡聯接，每個控制器中由LOCAFIP現場總線網絡聯接3個現場總線通訊模塊UT129，構成一個多點、多站、智能化、雙向通訊、全數字化、分散的電廠現場總線的網絡結構。
2.2  F900和LOCAFIP現場總線
P320控制系統中的F900和LOCAFIP網絡是符合WorldFIP總線網絡協議的現場總線網絡系統，媒體介質均采用雙絞線，為冗余結構，在故障時冗余網絡能自動切換。兩個網絡的通信結構均按ISO(國際標準化組織)的OSI(開放系統基本參考模型)分為三層，即第一層物理層，第二層數據鏈路層，第七層應用層。在電站的實際應用中，F900網絡用以管理C370控制器之間的數據交換及C370控制器與上位機CENTRALOG之間的通信。LOCAFIP網絡用以在C370控制器與過程I/O卡件之間進行雙向的數字通信。
2.2.1  F900和LOCAFIP現場總線協議通信結構和標準
(1)  F900和LOCAFIP現場總線協議的通信結構
F900和LOCAFIP網絡的現場總線協議采用WorldFIP現場總線協議的通訊結構。整個協議的通信結構分三層，物理層、數據鏈路層及應用層。物理層采用總線型的拓撲結構；傳輸速率為WorldFIP標準高速傳輸速率1Mbps。物理編碼為曼切斯特編碼;設備包括：JB(接線盒)、TAP(抽頭)、Repeater(中繼器)、DB(擴展盒)、DS(本地可斷開的用戶站)及NDS(非本地可斷開的用戶站)。幀編碼為包括幀開始序列，數據和檢驗字段和幀結束序列。數據鏈路層，尋址方式為變量尋址和報文尋址；為應用層和物理層接口采用緩沖區傳送和介質地址分配機制，使用總線仲裁，生產者/使用者功能。應用層提供總線仲裁器應用服務，實現周期/非周期服務，報文服務。F900和LOCAFIP總線網絡通訊結構參見圖2。

 
圖2  F900和LOCAFIP總線網絡通訊結構圖

(2)  F900和LOCAFIP總線參照的標準
F900和LOCAFIP網絡符合以下的相關的標準內容：
EN50170-volume 3-Part 1-3：總線通訊系統綜述；
EN50170-volume 3-Part 2-3：物理層規范和定義；
           Sub Part 2-3-1：IEC雙絞線；
           Sub Part 2-3-2：IEC雙絞線附錄；
           Sub Part 2-3-3：IEC光纖；
EN50170-volume 3-Part 3-3：數據鏈路層服務定義；
           Sub Part 3-3-1：數據鏈路層定義；
           Sub Part 3-3-2：現場總線定義；
           Sub Part 3-3-3：網橋定義；
EN50170-volume 3-Part 5-3：應用層服務定義；
           Sub Part 5-3-1：MPS定義；
           Sub Part 5-3-2：SubMMS定義；
EN50170-volume 3-Part 6-3：應用層協議規范；
EN50170-volume 3-Part 7-3：網絡管理。
(3)  現場總線網絡通訊原理
F900和LOCAFIP總線網絡引入信息的產生者(Producer)和接收者(Subscriber)的定義，及總線裁決的概念。在現場總線網絡中，網絡通信令牌在每個接收者中傳遞，通信令牌的位置由總線裁決器決定，當令牌到達每個接收者時，由接收者從信息幀的地址中判斷該信息是否為它所用，處理后將令牌傳送給下一個接收者，即采用令牌傳送的廣播方式，在網絡系統中，每個控制裝置均作為總線網絡的一個站，可以執行總線裁決功能，但在某一時刻，只有一個站可以執行總線裁決功能。在一個令牌宏循環后，由MPS判斷接收者的有效性。
每個控制器中的信息以幀的形式在網絡上傳送，包括尋址幀和數據幀。尋址幀包括14位起始碼，8位通訊協議檢查碼，8-256位信息碼，16位傳送檢查碼和7位幀結束碼，用以判斷信息地址。數據幀包括網絡檢查碼、目標地址、源地址及數據字段。幀的傳遞由總線裁決器按特定的掃描表進行。
應用層信息服務包括三種類型―變量傳送(S)，系統信息傳送(ZS)及應用信息傳送服務(AS)。每種信息服務均由控制器程序產生，系統信息傳送，應用信息傳送服務由定制的變量傳送碼在網絡上傳輸。每種信息服務均按照周期性和非周期性的原則和各自的定義屬性在網絡上進行點對點或者是廣播式的傳送。
2.2.2  F900和LOCAFIP通訊裝置
P320控制系統中的F900和LOCAFIP現場總線網絡，采用了滿足WorldFIP現場總線協議的通訊處理模件和過程控制模件，以及相關的收發器等硬件。在控制系統的配置上，通訊裝置均采用冗余結構，每種卡件均有自診斷功能，在故障時能自動的無憂切換。實踐證明，具有現場總線協議的P320控制系統，能實現符合現場總線協議的雙向數據通訊功能和過程處理功能，并且整個總線網絡投運至今，沒有發生過一處故障，具有很高的可靠性。F900和LOCAFIP現場總線網絡中的主要模件包括：F900和LOCAFIP網絡過程處理模件UT121，F900通訊模件S317，LOCAFIP通訊模件S316，CE2000層的數據處理和通訊模件UT129，F900網絡處理卡PA102。
(1)  UT121，主要功能為處理F900和LOCAFIP總線網絡中數據流向，執行過程處理，總)線裁決功能，周期性和非周期性服務。
(2)  S317，作為總線數據的發送者發送總線控制器的信息到F900總線網絡上，并接收由上級網絡下傳的數據，并提供F900總線網絡的變量尋址和報文尋址功能。
(3)  S316，作為總線數據的發送者發送總線控制器的信息到LOCAFIP總線網絡上，并接收由下級I/O及現場智能化儀表上傳的數字數據，并提供LOCAFIP總線網絡的變量尋址和報文尋址功能。
(4)  UT129，管理現場數據通訊，并通過LOCAFIP總線網絡將現場處理數字數據發送到現場處理控制器中，對其進行過程處理。
(5)  PA102，用以在CIS(數據處理服務器)中，接收從F900總線網絡上的數字數據，并將上位機系統中產生的指令等數字量信號下傳到F900總線網絡中，管理CONTRONET以太網與F900總線網絡之間的雙向數字通訊。
2.2.3  F900和LOCAFIP總線網絡的軟件應用
P320控制系統的系列軟件，采用圖形化編程，提供P320控制系統的面向對象的集成應用軟件包P4，用戶可以直接通過編程維護工程師站P4對F900和LOCAFIP現場總線網絡進行組態、參數設置、網絡結構的定義、功能塊的鏈接、在線監視控制系統的設備狀態及故障報警及分析等。F900和LOCAFIP總線網絡的軟件使用CEGELEC公司開發的LEA高級程序語言，同時采用豐富的功能塊的圖形化編程軟件包CCAD，具有良好的人機接口界面，應用軟件具有很高的開放性、實用性、可靠性、功能強大。
2.3  與其它通訊協議的數據交換
由于WorldFIP總線網絡具有強大的開放性，在與其它的通訊協議的通訊上具有很強的適應性。在F900和LOCAFIP總線網絡中，在SYCOWAY F900網絡層，P320控制系統采用通訊模塊S352C建立了與MODBUS通訊協議的數據雙向通訊，在LOCAFIP層通過IR139模件建立了與MODBUS通訊協議的雙向數據通訊。同時在軟件上構建了相應的圖形化的功能塊，以實現數字數據的雙向處理和交換。
3  珞璜電廠現場總線的不足
珞璜電廠的P320控制系統雖然使用了符合現場總線協議的控制系統，但由于種種原因沒有在現場裝置中使用符合現場總線協議的智能化控制儀器和儀表，在數據采集上仍采用傳統DCS原有的I/O模件的結構，現場數據采集的標準仍為典型的電氣輸入模式，沒有真正實現數據現場化。可以說它還沒有構成一個完整的現場總線控制系統，這也是現場總線的發展過程所決定的。