文义荣，李娟，张传永，王姗姗，丁福利

(1.北京信息科技大学自动化学院，北京市，100192;2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京市，100084)

0 引言

火电厂由于热工生产工艺复杂，各子系统耦合性强，始终难以大范围应用现场总线，而火电厂的电气自动化具有自然的分层分布式架构，易于实现面向设备(对象)的分布式控制，因而现场总线技术在火电厂中率先从分布式电气自动化开始得到大规模应用。2003年，国内首例采用现场总线的电厂自动化系统在国电宣威6期2×300 MW机组上应用。系统是由美国力诺公司MAX1000和四方公司的CSPA-2000系统混合实现的分布式控制系统(distribute control system，DCS)+现场总线控制系统(fieldbus control system，FCS)，其中 MAX1000的DCS系统实现了热工自动化，CSPA-2000的FCS系统实现了基于LonWorks现场总线的电气自动化，FCS系统按DCS工艺与DCS的DPU通信融为一套控制系统，共同实现了大机组火电厂的机、炉、电一体化协同控制［1］。

Profibus作为主流的工业现场总线之一，在火电厂自动化中受到越来越多的重视，西门子公司在国内的华能金陵电厂和华能九台电厂进行了Profibus-DP的现场总线应用尝试［2］，利用 Profibus-DP实现了DCS的远程IO。四方公司的CSPA-2000 FDCS系统是兼容 DCS和 FCS的新一代控制系统［3］，支持LonWorks和Profibus-DP实现火电厂的机炉电和辅控系统自动化。其中Profibus-DP即可用于扩展DCS的远程IO和分布式控制器，也可作为电气分布式保护测控装置。CSPA-2000 FDCS的系统结构和功能更适合实现火电厂的全厂一体化分布式控制。其中现场总线电气控制系统(fieldbus electric control system，FECS)是Profibus-DP应用的关键内容。CSPA-2000 FECS系统［4］采用 CSC-831系列低压保护测控装置作为电气测控从站，配合CSC-861主控单元，构建基于Profibus-DP的现场总线电气控制系统。CSC-831从站装置完全下放安装在电气开关柜上，实现开关柜的智能化，取消大量电缆和二次设备，通过FECS系统实现火电厂电气设备的监控、管理和维护。本文依托CSC-831装置介绍了基于ARM的Profibus-DP从站软硬件设计和DP-V1协议，从测试的角度分析了Profibus-DP从站在CSPA-2000 FECS系统中应用的关键性能。

1 火电厂现场总线电气控制系统

采用现场总线技术的火电厂电气控制系统，即FECS系统，基于支持Profibus-DP总线的CSC-831系列低压保护测控装置和CSC-861主控单元，建立典型FECS工程。FECS系统分为3层:站控层、主控单元层和间隔层［1］，如图1所示。

第1层:站控层。这一层是FECS的“大脑”和数据中心，包括FECS主站系统的服务器、操作员站、工程师站及实现电气保护及设备管理的各种专业应用软件，通过独立设置的转发工作站与发电厂其他管理系统实现信息交互。

第2层:主控单元层。这一层包括通信网络及主控单元装置，是FECS的通信管理和过程控制层。按火电厂工艺设置面向不同对象的冗余主控单元(CSC-861)，实现对不同区域厂用电的现场总线控制。通常2×600 MW火电厂需要20～30对主控单元。主控单元采用冗余以太网与站控层通信，采用多种冗余现场总线(LonWorks、Profibus-DP、实时以太网等)与间隔层保护测控装置通信，并实现对发电厂其他智能电气设备的通信接入。主控单元作为FECS系统的通讯枢纽，配置了高端处理器，为系统提供了极高的处理性能和可靠性。

第3层:间隔层。该层是FECS系统的基础，通过嵌入电气开关柜的保护测控装置实现电气开关柜的数字化、智能化，进而实现对火电厂电气部分的现场总线控制。间隔层装置包括6 kV、380 V的电动机保护测控装置、厂用变压器保护测控装置、分支线路保护测控装置等，实现对厂用电的测量、录波、保护、事件记录、设备状态监测及通信功能。

2 FECS系统的Profibus-DP智能从站设计

图1 火电厂FECS系统结构Fig.1 FECS structure in power station

FECS系统是典型的现场总线控制系统，该系统同样适用于冶金、化工等行业的工厂自动化。Profibus-DP是一种高速低成本通信总线，适用于现场级控制系统与分散I/O通信及分布式控制系统的高速数据传输。Profibus-DP的高性价比、时间确定性和开放性特征将增强FECS系统的性能和竞争力。现场总线应用开发有2种方式，采用固化现场总线协议栈的芯片作为总线驱动芯片集成在应用装置中或在应用装置中通过微处理器实现该现场总线的通信协议。本文介绍的Profibus-DP从站装置CSC-831系列低压保护测控装置采用后一种模式，基于ARM芯片开发Profibus-DP从站协议，且通过与Profibus现场总线产品的主流供应商西门子公司Profibus-DP设备的通信兼容性测试。

2.1 硬件构成

CSC-831系列低压保护测控装置提供3路交流电压输入、3路交流电流输入、1路零序电流输入，内嵌电度芯片实现高精度电气量测量;1路4～20 mA电流输出，其对应的模拟量可通过编程设定;提供10路状态量输入(如采集断路器位置、刀闸位置等);6路继电器输出，4路用于控制信号输出，2路用于状态信号输出;提供双路Profibus-DP接口［5］。

CSC-831采用Atmel的AT91系列ARM7微处理器，利用ARM7的PDC方式的高速串行通信端口，通过软件实现Profibus-DP从站协议，提供CSC-831的双路冗余的Profibus-DP从站，其硬件结构如图2所示。CSC-831通过高速数采实现模拟量的相量计算，依靠数字算法实现除继电保护功能以外的以下测控功能:电气量测量功能(U、I、P、Q、f、电度);开关量采集功能;电能质量测量功能(电压波动、谐波、三相不平衡、频率偏差、总谐波畸变率);故障录波功能;控制继电器开关功能;自诊断功能;对时功能;简化人机接口界面(man-machine interface，MMI)通过LCD显示屏的显示菜单和按键可以方便地进行操作;可以直接给装置供220 V电压，内部电压转换模块与回路供电方式可为不同的功能提供各自所需的电压，如模拟量输出采用内部回路供电方式;可采用Profibus-DP和RS485 2种通信接口对外通信组网，并且均可与双通道主站进行数据交换，增强通信的可靠性。

图2 CSC-831装置硬件结构Fig.2 Hardware structure of CSC-831 device

2.2 软件设计

CSC-831装置利用ARM微处理器实现DP-V1协议，软件包括数据包处理、链路层处理和应用层处理，通过PDC方式实现数据包的高效发送和接收，遵循Profibus-DP协议实现链路层数据交互，在应用层上遵循DP-V1协议并实现与CSC-831应用数据的交换。对装置的初始化和周期性的数据交换使用SD2数据域长度可变帧帧来完成，SD2帧的主要处理过程如图3所示。主站通过请求从站的诊断数据来检查从站的准备情况。当从站3次未回答主站的数据召唤时，判为通讯中断，重新对该从站装置进行初始化。如果从站报告它已经准备好接收参数，则主站给从站设置参数和组态数据，从站将分别给予确认。当装置参数未设置好或未准备好交换数据时，重新初始化装置。收到从站的确认回答后，主站再次请求从站的诊断数据以判断从站是否准备好进入用户数据交换状态。只有上述工作正确完成以后，主站才能开始循环地与DP从站交换用户数据，在上述过程中，主/从通信主要交换了参数数据、组态数据和诊断数据。SD2帧的链路层处理过程还包括2类主站的初始化请求和回应，与1类主站和2类主站的非周期性数据读写过程。

图3 CSC-831装置数据链路层通信处理流程Fig.3 Communication process of data link layers in CSC-831 device

3 采用Profibus-DP的FECS组网试验

上面简介了基于微处理器的FECS系统Profibus-DP从站的设计，对CSC-831从站在FECS系统的应用性能的测试包括Profibus-DP/V1的兼容性测试、结合FECS运行环境的通信性能测试。前者通过包括西门子的多个厂家的互操作试验容易得到验证，后者需要针对火电厂电气运行工况进行大规模组网试验。本文重点介绍Profibus-DP的组网试验，试验采用四方公司的CSC-861主控单元作为DP主站，CSC-831保护测控装置作为DP从站。

火电厂FECS系统的现场工况如下:间隔层设备布置在主厂房，其中CSC-861主控单元(DP主站)通常布置在发电机组单元控制中心的电子设备间，也有少量应用将主控单元下放到现场开关柜上安装。CSC-831保护测控装置(DP从站)大多安装在主厂房的现场开关柜内，少量安装在辅助车间的现场开关柜内。主厂房内的通信距离最大为200 m，到辅助车间的通信距离则可能几km，需要采用光纤通信。现场通常不设专门的通信布线桥架，Profibus-DP的双绞线与电力电缆共用电缆沟。主厂房和开关柜内电磁干扰强烈。

对FECS的Profibus-DP组网测试的典型条件是子系统最多31台从站设备、通信距离最大200 m、子站之间级联的最短距离为6 m、冗余双网。测试内容包括:不同波特率下的通信稳定性、不同波特率对FECS整体性能的影响、主控单元的冗余切换情况、总线不同拓朴的影响、不同通信电缆的影响等。下面给出测试的系统配置和部分试验记录。

将1对CSC-861和31台CSC-831组网构成典型的FECS子系统，建立典型的FECS主站，创建ECS工程，进行系统参数配置，将DP-V1版的规约动态加载功能嵌入到调试软件Powercheck中，将主控单元与Powercheck建立连接，载入主控单元的配置文件，可实现在线监测报文。通过继电保护测试仪给CSC-831输入模拟工况。测试环境配置完成后则对CSC-831装置进行基本功能(包括遥测入库、遥信入库、遥脉入库、遥控入库、定值管理、故障在线录波、电机启动录波、报警及复归功能)和性能的测试。其组网测试系统结构如图4所示。

图4 组网测试系统结构Fig.4 System structure of networking test

根据Profibus总线在500 kb/s下的通信信号波形监测，每个bit位宽度为2 μs，报文响应时间10 ms左右，在最大响应时间之内，装置间的报文间隔约为50 ms，与设定的时间基本相符，说明从站链路层通信正常。CSC-831装置电压、电流、遥信入库正确。通过CSC-831的装置间隔图，正确关联遥控量，开关量，通过运行状态图形画面进行遥控，CSC-831遥控正确，遥控下行执行时间约为0.3 s，遥控成功返回时间约为0.9 s。CSC-831装置电动机启动录波记录正确。从统计信息中查看启动电流和启动时间符合实际情况。常用数字量、模拟量告警正确。

对测试系统进行长期烤机，进一步测试其通信稳定性，并记录相关报文数据。

试验1:在1.5 Mb/s、200 m距离、31台从站、15 h烤机情况，CSC-831(DPV1)发送报文2 703 928，接收报文2 703 028，丢了900帧，丢包率0.033%，错误0;初始化报文发送64，初始化报文接收64，误码为0。

试验2:在1.5 Mb/s、200 m 距离、31台从站、14 h拷机情况下，CSC-831(DPV1)发送2 554 533，接收2 553 689，错误0;初始化发送56，初始化接收56，丢包0.033%，误码为0。

试验3:在500 kb/s、200 m 距离、14台从站、14 h拷机工况下，CSC-831发送2 380 751，接收2 379 959，丢包率0.033%，错误0;初始化发送14，初始化接收14，误码为0。

本次组网测试还对不同屏蔽双绞线及其连接方式、不同的从站拓朴接线方式、终端信号匹配、电磁兼容、电气故障导致的报文雪崩、与LonWorks总线的对比测试、与采用西门子设备的对此测试等内容进行了试验。组网测试结果如下:

(1)在 FECS应用中，Profibus-DP在1.5 Mb/s、500 kb/s下通信稳定，FECS系统的响应延时主要在主站数据处理和表达环节，与总线传输波特率1.5 M或500 k关系不大，火电厂Profibus-DP总线波特率可选择500 k或1.5 M。

(2)针对电气开关柜的总线型拓朴，在合理处理终端信号匹配后不会产生信号传输的异常衰耗。

(3)Profibus-DP的主从方式和时间确定性特性有利于FECS在电气故障下的报文雪崩处理，FECS应用中主从通信模式优于Peer to Peer模式。

(4)在从站合理处理终端信号匹配后，FECS应用中的Profibus-DP通信效果与电缆型号关系不大。

(5)通过对比测试西门子Profibus-DP单主从通信系统，验证CSC-831从站通信的规范性，采用自主开发的Profibus-DP从站与装置的应用层一体化、在性价比和EMC方面更具有优势。

4 结语

本文介绍了Profibus在火电厂现场总线电气控制系统中的一种应用方式，结合四方公司CSC-831Profibus-DP从站、CSC-861主站装置，介绍了一种基于ARM7微处理器实现DP-V1协议开发的Profibus从站软硬件设计，结合火电厂现场总线电气控制系统的需求特征，通过搭建典型FECS子系统以组网试验方式验证了所开发的Profibus-DP的通信性能，确定了适用于FECS的通信速率和应用问题。认为采用自主开发的Profibus现场总线从站与装置的应用层一体化、在性价比和EMC方面更具有优势。

［1］焦邵华，李娟，李卫，等.大型火力发电厂电气控制系统的实现模式［J］.电力系统自动化，2005，29(15):81-85.

［2］管春雨，万勇.现场总线PROFIBUS在华能金陵电厂中的应用探讨［EB/OL］.［2011-10-25］，http://wenku.baidu.com/view/41a8241dfad6195f312ba665.html.

［3］北京四方继保自动化股份有限公司.CSPA-2000 FDCS分布式自动化系统说明书［R］.北京:北京四方继保自动化股份有限公司，2011.

［4］北京四方继保自动化股份有限公司.CSPA-2000 FECS分布式电气自动化系统说明书［R］.北京:北京四方继保自动化股份有限公司，2010.

［5］北京四方继保自动化股份有限公司.CSC-831系列低压保护测控装置说明书［R］.北京:北京四方继保自动化股份有限公司，2011.

［6］王伏忠，黄建明.Profibus现场总线在火电厂的应用［D］.北京:北京邮电大学，2010.

［7］侯维岩，费敏锐.PROFIBUS协议分析和系统应用［M］.北京:清华大学出版社，2006:25-27.