探讨工业以太网总线与电厂综合自动化系统的设计

摘要

　　以太网现场总线技术己成为自动化领域研究的热点，现场总线控制系统取代分散控制系统是控制系统发展的必然趋势。本文根据某电厂现场总线标准，探讨了工业以太网总线与电厂综合自动化系统的层次结构，讨论了综合自动化系统的集成问题。并且在分析工业以太网系统的总体设计的基础上，阐述了工业以太网监视控制管理平台的软件设计与应用，主要包括上位机监控组态控制平台的数据通讯、数据管理、组态控制以及网络管理平台的设计思路。

　　重点阐述了利用工控软件"太力电力监控组态软件，开发电站监控系统。详细讲述了画面的制作、数据库的建立、网络和1/0设备的配置及系统的安全设置。

　　关键词：工业以太网，网络监控管理，电站，太力电力监控组态软件，监控系统

abstract

　　Ethernet fieldbus technology has become a research hotspot in the field of automation. It is an inevitable trend that fieldbus control system replaces distributed control system. According to the field bus standard of a power plant, this paper discusses the hierarchical structure of industrial Ethernet bus and integrated automation system of power plant, and discusses the integration of integrated automation system. Based on the analysis of the overall design of the industrial Ethernet system, the software design and application of the industrial Ethernet monitoring and control management platform are described, including the design ideas of the data communication, data management, configuration control and network management platform of the upper computer monitoring and configuration control platform.

　　This paper focuses on the development of power station monitoring system by using industrial control software "Teli power monitoring configuration software". This paper describes in detail the production of the picture, the establishment of the database, the configuration of the network and 1 / 0 equipment, and the security settings of the system.

　　Key words: Industrial Ethernet, network monitoring management, power station, Teli power monitoring configuration software, monitoring system

目录

　　第一章绪论

　　1.1电站监控系统研究现状

　　经济的快速发展必然促使对电力能源的需求增加，生产供电和生活供电任务越来越重，为了缓解电力供需矛盾，世界各国都大力投资增加电力建设的规模。随着电力设施的新建，利用微机自动控制技术对电站进行监控的方式得到很好的应用，实现对供、用电数据和现场工作情况进行实时的监视与控制，有利于及时掌握生产情况，迅速对供、用电数据进行分析，确保设备的安全稳定运行[l].我国在近一段时期内，由于经济快速、持续、稳定的发展，国家在电力建设上，也进行了大规模的投资，并在投资建设的过程中提出了两方面的要求：其一是如何减少投资，提高效益，提高电力系统的经济运行水平。其二是如何提高电力系统的安全运行水平。变电站是电力输配电系统中非常重要的一环，涉及到许多安全运行及经济效益方面的问题。

　　随着电子技术、计算机技术与通信技术的迅速发展和不断成熟，为解决这些问题提供了途径，计算机自动监控系统便应运而生lz].变电站自动化技术是在计算机监控、远方调度控制等技术的应用基础上发展起来的，对变电站运行自动进行监视、管理、协调和控制，提高了变电站的安全管理水平，提高了运行的可靠性，改善和提高了电网的控制水平，更为重要的是变电站自动化的发展，为电网综合自动化的发展和深入提供了广阔的前景[3].从电站电气设备进入DCS监控的现状及发展过程来看。电站电气设备监控接入DCS主要有以下几种方式：硬接线接入方式、现场总线接入方式、工业以太网接入方式[4].

　　电气系统通过硬接线方式接入DCS系统从20世纪80年代末至本世纪初，对于大部分新建或改造的电厂，电气系统的I/0信息接入机组DCS系统的方式都采用了硬连接方式。这种方式的优点是电气量的1/0模件柜集中布置，便于管理，设备运行环境好；同时，采用硬接线方式也比较成熟，对现场信号的反应速度快。但随着信息技术的飞速发展和现场总线、计算机通信技术的日益成熟，硬连接方式的缺点也日益明显，主要包括：DCS系统的投资随着接入数量的增加而增加，同时受硬件设备的影响，信息量的范围、种类、系统的扩展性能差，无法完成较为复杂的电气运行管理工作。难以实现电厂电气系统的综合自动化[5l.

　　1.1.2基于现场总线的电厂电气自动化系统

　　现场总线技术在电力系统中的应用是从20世纪90年代初在变电站综合自动化系统开始的。之后在各种电压等级的变电站综合自动化、电站综合自动化、调度自动化系统和DCS的现场控制层中都得到了广泛应用。也取得了很好的运行效果。但是由于在现场间隔层的通信网络采用了现场总线，使得传输速率低、通信节点有限、网络拓扑结构不合理和通用性差，在通信主干网应用时有很大的局限性[6].必须要通过通信管理机进行前置中转，从而增加了通信环节和设备成本。

　　1.1.3基于以太网技术的电厂电气自动化系统

　　近几年来，工业以太网技术凭借其传输速度高、容量大、低成本、开放性好、网络拓扑结构灵活等优势，不仅在局域网应用领域成为唯一占主导作用的网络，而且己从办公商业领域进入工业控制领域。国内外大的电力设备供应商纷纷推出了基于嵌入式以太网的微机保护测控设备并成功运用于二次保护控制设备，因而嵌入式以太网是电厂电气自动化系统间隔层局域网的必然发展方向[7].电厂电气自动化系统完全通过通信方式接入DCS系统。把嵌入式100M工业以太网应用于现场间隔层。站控层和间隔层通过双光纤以太网进行通信，去掉了通信管理机。大大提高了网络通信的速率、可靠性和开放性。站控层的通信子站专门负责和厂级DCS系统的信息交换。可通过多台子站、多个looM以太网通道和通讯规约实现和DCS的通信。从而把电厂的电气系统完全融入厂级DCS系统。基于工业以太网的全面解决方案真正实现了电厂电气系统和厂级Dcs系统信息交换的无缝联接[8].

　　1.2电站监控系统监控的范围

　　电厂单元机组电气设备监控范围一般可分为两大部分：发电机一变压器组部分和厂用电部分。其中前一部分部分包括发电机一变压器组和发电机磁系统；厂用电系统主要包括高压厂用电源系统、低压厂用电源系统、主厂房电动机以及厂用电公用部分等【'].整个电气自动化系统完成的主要功能有：实时数据采集与处理、报警处理、事故追忆、数据库建立和管理维护、历史记录处理、控制功能、画面显示和打印、报表功能、运行管理等。

　　1.3主要研究内容

　　工厂供电自动控制非常重要，本文旨在利用工业以太网成本低、速度高和开放性好的特点，研究如何用太力电力监控软件Epsynan一FA利用工业以太网技术来实现对工厂供电网的自动控制。通过自动控制，更加安全可靠的保证设备和电网的安全运行，确保工厂供电不间断。具体要求实现以下功能日常监控任务：主接线图实时显示回路数据、流程图、电压棒图、实时趋势曲线表达、发电机组安全运行监控等；报警：声音/语音、自动弹画面、自动打印、自动数据存储，具体涉及越限报警、变位报警、SOE、事故报警等；操作人员管理：操作人员注册、权限分配、操作记录；数据统计和报表打印：历史曲线、历史数据查询、用电统计和各种数据表的打印；数据转发功能、通道通讯监控；系统容错功能：双前置、双通道；其它功能界面

　　1.4论文结果

　　通过应用太力Epsynall一FA组态软件强大的开发功能，实现了某电厂供电系统的安全稳顺运行，达到了预期的结果

　　1.5论文的组织结构

　　全文共分六章。第一章绪论。介绍电站监控系统的发展历程和监控范围；第二章工业以太网解析。介绍工业以太网的基本情况及其常用的通信协议；第三章组态软件的分析和选用。介绍电力系统常用的六种组态软件；第四章工艺流程及控制组态。介绍电站的工业流程、电站监控系统的基本配置和工程需求分析、系统组态的步骤及详细的组态过程；第五章监控系统的实现。是第四章软件组态工作的延续。重点介绍监控画面的制作过程、后台语言的编写过程、与数据库的链接过程以及网络、1/0设备和系统安全方面的详细配置过程；第六章结论。撰写本论文的一个文字总结。

　　第二章工业以太网解析
　　2.1工业以太网特点
　　2.2工业以太网与现场总线控制网络的比较
　　2.3工业以太网协议的简介
　　2.3.1HsE（Hi叻SPeedEthemet,高速以太网）
　　2.3.2Profinet
　　2.3.3EtherCAT
　　2.3.4Powerl1x1k
　　2.3.5VNET/1P
　　2.3.6Modbus一1DA72.4通讯协议的选定
　　2.5本章小结

　　第三章组态软件的分析和选用
　　3.1组态软件产生的背景
　　3.2组态软件的种类和特点
　　3.2.1In1buch
　　3.2.2Citect103.2.3W1ncC
　　3.2.4组态王103.2.5ForceC0ntr0l
　　3.2.6Epsynan（太力电力监控组态软件）
　　3.3选用EPSYNALL一FA进行组态
　　3.3.1Epsynan一FA的特点
　　3.3.2选用Epsynal一FA作为系统开发平台的原因
　　3.4本章小结

　　第四章工艺流程及控制组态
　　4.1电站监控系统的组成
　　4.1.1电站概况
　　4.1.2监控系统结构配置
　　4.2工程需求分析
　　4.2.1定义监控模型，完善变量词典。
　　4.2.2控制回路及控制变量分配

　　4.3用EPSYNALL进行组态
　　4.3.1组态规划，
　　4.3.2创建项目和变量，
　　4.3.3创建监控程序
　　4.3.4创建控制画面，
　　4.3.5组态报警
　　4.3.6组态报表
　　4.4本章小结

　　第五章监控系统的实现
　　5.1监控画面的制作30
　　5.2后台语言的编写…37
　　5.3建立与数据库的连接38
　　5.4通讯网络配置39
　　5.5FO设备的配置
　　5.6系统的安全设置
　　5.7本章小结

第六章结论

　　6.1效果评估

　　通过应用太力Epsynan一FA组态软件强大的开发功能，成功实现了某电厂供电系统自动控制和安全稳顺运行。但由于是初次使用太力Epsynal一FA组态软件来实现工厂供电网的自动控制，在画面美观、变量设置及控制最优化方面还有待于进一步的提高。

　　6.2结束语

　　基于工业以太网的电站监控系统，通过利用Epsynan进行组态设计，实现了某电站的实时控制与调整、安全运行监视、数据采集、处理、查询、数据通讯、设备运行维护管理等多项功能，提高了生产效率。同时具有故障响应及时，操作简单方便，生产过程的模拟逼真，组态画面丰富等特点。共六章。第一章介绍了电站监控系统的发展历程和监控范围；第二章介绍了工业以太网的基本情况，重点对工业以太网与现场总线结构二种通信方式的优劣进行了比较，并介绍了工业以太网常用的通信协议；第三章介绍了电力系统常用的六种组态软件，重点介绍了某厂三套发电机组所采用的Epsynall一FA的基本特点；第四章是本文的重点章节之一，首先介绍了电站的工业流程、电站监控系统的基本配置和工程需求分析，然后重点介绍了系统组态的步骤及详细的组态过程；第五章是本文的重点章节之二，是第四章软件组态工作的延续。本章重点介绍了监控画面的制作过程、后台语言的编写过程、与数据库的链接过程以及网络、1/0设备和系统安全方面的详细配置过程；第六章介绍了系统组态完投入运行后的心得体会及撰写本论文的一个文字总结。第四章和第五章是电站监控系统开发工作的主要工作内容。编程、调试、发现问题、分析问题、解决问题，是一个不断PDCA循环的过程，直到没有错误为止。

　　虽然系统调试是系统开发过程中最重要、最艰难而又最值得总结的一个过程，但由于描述比较烦琐且和系统组态人员的综合能力有很大的关系，故在论文中未花篇幅进行阐述。Epsynan组态软件是可视化组态软件，可以在PC机上离线完成组态。本论文所述内容都是在PC机上离线组态好并经在线调试正常后的组态数据和画面。由于是在PC机上离线打印出来的，故画面中所链接的数据均无实时数据显示，特此说明。

　　参考文献

　　附录

致谢

　　本文是在导师谭汉松教授的悉心指导和周密安排下完成的。从系统的开发、论文的选题、撰写、到最后的完稿，谭教授都给予了极大的关怀和帮助，他为此付出了大量的时间和精力。没有谭教授的精心指导，本论文是不可能完成的。导师严谨的治学态度、渊博的知识、对事业执著、谦逊朴实、宽厚待人、豁达大度，给我留下了深刻印象，永远是我追随的楷模。在毕业设计过程中，导师对我工作上的支持、生活上的关心，以及诸多能力的培养，都倾注了大量的心血，在此，我谨向导师表以最诚挚的谢意！导师全家为此也付出了许多辛勤的劳动，在此也表示衷心的感谢！涟源钢铁集团有限公司的聂秋平副总工程师，在百忙中抽出许多时间来指导我完成系统开发、构思和写作工作，在此，我谨向他表示由衷的谢意！衷心感谢信息学院的其他老师们，感谢他们的耐心教导和无私帮助。衷心感谢参考文献中的所有作者，论文的完成与他们的贡献的分不开的。

　　衷心感谢我的家人，是他们的支持才能让我安心的完成论文，论文的完成也包含她们的一份心血。最后衷心感谢所有帮助过我的人，他们的关心和帮助是激励我前进的力量。

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