徐  柯

1  前言
现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式，串行、多点通信的数据总线，是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信系统。具有开放性强，可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快，系统安全符合环境保护要求，造价低廉，维护成本低的特点。
华能重庆珞璜电厂的#33，#34机组是从法国ALSTOM公司引进的360MW燃煤单元制机组，采用法国CEGELEC公司的P320控制系统进行机组的启停控制。在P320控制系统的过程控制级上使用了符合WorldFIP现场总线协议的现场总线控制系统――F900网络和LOCAFIP网络。
2  F900和LOCAFIP现场总线
2.1  珞璜电厂的网络结构
ALSPA P320控制系统使用了三种网络：CONTRONET网络，SYCOWAY F900网络及LOCAFIP网络。其中后两种网络为符合WorldFIP现场总线协议的现场总线网络，P320控制系统的所有网络均为双冗余结构，华能珞璜电厂网络简图参见图1。

 
图1  华能珞璜电厂网络简图

CONTRONET网络即以太网，属于局域网。其拓扑结构为总线形。网络采用国际标准化组织的IEEE802.3局域网网络标准，使用TCP/IP、UDP、VCA等通迅协议，采用自由竞争的广播方式进行数据通信，传输线的访问采用CSMA/CD技术，即载波侦听、多路访问/冲突检测技术。采用同轴电缆10BASE5粗缆传送信息、网络的最大长度不超过2500m。传输速率为10Mbps。
F900网是一个基于FIP标准（UTE C64 601-607）的工业局域网，它把CONTROBLOC和CENTRALOG监控系统连接在一起。F900网处理三种类型的数据：CONTROBLOC自动化单元之间交换的数据，CONTROBLOC自动化单元和CENTRALOG监控系统之间交换的数据、对C370控制器进行组态和调试的相关数据。第一种数据通信是在CONTROBLOC层中同级进行的周期性数据交换，后两种数据通信是在CONTROBLOC层与CENTRALOG层之间上下进行的周期性或非周期性的数据交换，如控制、监视和组态。F900网络的拓扑结构为总线型，传输线的访问采用令牌传送的广播方式，在线编码采用曼彻斯特2，帧长度248字节。它采用双冗余结构，使用双绞线，最大长度可达4公里，最多可接64个用户，传输速率为1Mbps。
LOCAFIP用于连接C370控制器和CE2000 I/O装置，与F900网相同，也采用FIP标准（UTE C64 601-607），遵循FIP-MPS+MS协议，使用双冗余的双绞线，最大长度可达4公里，最多可接14个用户，传输速率为1M bps。LOCAFIP网络的功能是实现C370控制器与I/O模块之间的数据通信。
华能珞璜电厂的单元制机组，采用双冗余的数据采集服务器(CIS)，12对冗余的C370控制器，在数据采集器和C370控制器之间由SYCOWAY F900现场总线网络联接，每个控制器中由LOCAFIP现场总线网络联接3个现场总线通讯模块UT129，构成一个多点、多站、智能化、双向通讯、全数字化、分散的电厂现场总线的网络结构。
2.2  F900和LOCAFIP现场总线
P320控制系统中的F900和LOCAFIP网络是符合WorldFIP总线网络协议的现场总线网络系统，媒体介质均采用双绞线，为冗余结构，在故障时冗余网络能自动切换。两个网络的通信结构均按ISO(国际标准化组织)的OSI(开放系统基本参考模型)分为三层，即第一层物理层，第二层数据链路层，第七层应用层。在电站的实际应用中，F900网络用以管理C370控制器之间的数据交换及C370控制器与上位机CENTRALOG之间的通信。LOCAFIP网络用以在C370控制器与过程I/O卡件之间进行双向的数字通信。
2.2.1  F900和LOCAFIP现场总线协议通信结构和标准
(1)  F900和LOCAFIP现场总线协议的通信结构
F900和LOCAFIP网络的现场总线协议采用WorldFIP现场总线协议的通讯结构。整个协议的通信结构分三层，物理层、数据链路层及应用层。物理层采用总线型的拓扑结构；传输速率为WorldFIP标准高速传输速率1Mbps。物理编码为曼切斯特编码;设备包括：JB(接线盒)、TAP(抽头)、Repeater(中继器)、DB(扩展盒)、DS(本地可断开的用户站)及NDS(非本地可断开的用户站)。帧编码为包括帧开始序列，数据和检验字段和帧结束序列。数据链路层，寻址方式为变量寻址和报文寻址；为应用层和物理层接口采用缓冲区传送和介质地址分配机制，使用总线仲裁，生产者/使用者功能。应用层提供总线仲裁器应用服务，实现周期/非周期服务，报文服务。F900和LOCAFIP总线网络通讯结构参见图2。

 
图2  F900和LOCAFIP总线网络通讯结构图

(2)  F900和LOCAFIP总线参照的标准
F900和LOCAFIP网络符合以下的相关的标准内容：
EN50170-volume 3-Part 1-3：总线通讯系统综述；
EN50170-volume 3-Part 2-3：物理层规范和定义；
           Sub Part 2-3-1：IEC双绞线；
           Sub Part 2-3-2：IEC双绞线附录；
           Sub Part 2-3-3：IEC光纤；
EN50170-volume 3-Part 3-3：数据链路层服务定义；
           Sub Part 3-3-1：数据链路层定义；
           Sub Part 3-3-2：现场总线定义；
           Sub Part 3-3-3：网桥定义；
EN50170-volume 3-Part 5-3：应用层服务定义；
           Sub Part 5-3-1：MPS定义；
           Sub Part 5-3-2：SubMMS定义；
EN50170-volume 3-Part 6-3：应用层协议规范；
EN50170-volume 3-Part 7-3：网络管理。
(3)  现场总线网络通讯原理
F900和LOCAFIP总线网络引入信息的产生者(Producer)和接收者(Subscriber)的定义，及总线裁决的概念。在现场总线网络中，网络通信令牌在每个接收者中传递，通信令牌的位置由总线裁决器决定，当令牌到达每个接收者时，由接收者从信息帧的地址中判断该信息是否为它所用，处理后将令牌传送给下一个接收者，即采用令牌传送的广播方式，在网络系统中，每个控制装置均作为总线网络的一个站，可以执行总线裁决功能，但在某一时刻，只有一个站可以执行总线裁决功能。在一个令牌宏循环后，由MPS判断接收者的有效性。
每个控制器中的信息以帧的形式在网络上传送，包括寻址帧和数据帧。寻址帧包括14位起始码，8位通讯协议检查码，8-256位信息码，16位传送检查码和7位帧结束码，用以判断信息地址。数据帧包括网络检查码、目标地址、源地址及数据字段。帧的传递由总线裁决器按特定的扫描表进行。
应用层信息服务包括三种类型―变量传送(S)，系统信息传送(ZS)及应用信息传送服务(AS)。每种信息服务均由控制器程序产生，系统信息传送，应用信息传送服务由定制的变量传送码在网络上传输。每种信息服务均按照周期性和非周期性的原则和各自的定义属性在网络上进行点对点或者是广播式的传送。
2.2.2  F900和LOCAFIP通讯装置
P320控制系统中的F900和LOCAFIP现场总线网络，采用了满足WorldFIP现场总线协议的通讯处理模件和过程控制模件，以及相关的收发器等硬件。在控制系统的配置上，通讯装置均采用冗余结构，每种卡件均有自诊断功能，在故障时能自动的无忧切换。实践证明，具有现场总线协议的P320控制系统，能实现符合现场总线协议的双向数据通讯功能和过程处理功能，并且整个总线网络投运至今，没有发生过一处故障，具有很高的可靠性。F900和LOCAFIP现场总线网络中的主要模件包括：F900和LOCAFIP网络过程处理模件UT121，F900通讯模件S317，LOCAFIP通讯模件S316，CE2000层的数据处理和通讯模件UT129，F900网络处理卡PA102。
(1)  UT121，主要功能为处理F900和LOCAFIP总线网络中数据流向，执行过程处理，总)线裁决功能，周期性和非周期性服务。
(2)  S317，作为总线数据的发送者发送总线控制器的信息到F900总线网络上，并接收由上级网络下传的数据，并提供F900总线网络的变量寻址和报文寻址功能。
(3)  S316，作为总线数据的发送者发送总线控制器的信息到LOCAFIP总线网络上，并接收由下级I/O及现场智能化仪表上传的数字数据，并提供LOCAFIP总线网络的变量寻址和报文寻址功能。
(4)  UT129，管理现场数据通讯，并通过LOCAFIP总线网络将现场处理数字数据发送到现场处理控制器中，对其进行过程处理。
(5)  PA102，用以在CIS(数据处理服务器)中，接收从F900总线网络上的数字数据，并将上位机系统中产生的指令等数字量信号下传到F900总线网络中，管理CONTRONET以太网与F900总线网络之间的双向数字通讯。
2.2.3  F900和LOCAFIP总线网络的软件应用
P320控制系统的系列软件，采用图形化编程，提供P320控制系统的面向对象的集成应用软件包P4，用户可以直接通过编程维护工程师站P4对F900和LOCAFIP现场总线网络进行组态、参数设置、网络结构的定义、功能块的链接、在线监视控制系统的设备状态及故障报警及分析等。F900和LOCAFIP总线网络的软件使用CEGELEC公司开发的LEA高级程序语言，同时采用丰富的功能块的图形化编程软件包CCAD，具有良好的人机接口界面，应用软件具有很高的开放性、实用性、可靠性、功能强大。
2.3  与其它通讯协议的数据交换
由于WorldFIP总线网络具有强大的开放性，在与其它的通讯协议的通讯上具有很强的适应性。在F900和LOCAFIP总线网络中，在SYCOWAY F900网络层，P320控制系统采用通讯模块S352C建立了与MODBUS通讯协议的数据双向通讯，在LOCAFIP层通过IR139模件建立了与MODBUS通讯协议的双向数据通讯。同时在软件上构建了相应的图形化的功能块，以实现数字数据的双向处理和交换。
3  珞璜电厂现场总线的不足
珞璜电厂的P320控制系统虽然使用了符合现场总线协议的控制系统，但由于种种原因没有在现场装置中使用符合现场总线协议的智能化控制仪器和仪表，在数据采集上仍采用传统DCS原有的I/O模件的结构，现场数据采集的标准仍为典型的电气输入模式，没有真正实现数据现场化。可以说它还没有构成一个完整的现场总线控制系统，这也是现场总线的发展过程所决定的。