POWERLINK 助阿爾斯通電力實(shí)現網(wǎng)絡(luò )技術(shù)標準化 

    ALSPAControlplant 是阿爾斯通（Alstom）專(zhuān)為能源應用領(lǐng)域設計的電廠(chǎng)控制與自動(dòng)化系統,由于該領(lǐng)域要求極高的系統可靠行和可用性,因此阿爾斯通決定適用高度分布式的系統架構,網(wǎng)絡(luò )也就成為了該控制系統的一個(gè)核心部分。 

    除了Modbus TCP 之外，阿爾斯通選擇了Ethernet POWERLINK 作為其控制系統的現場(chǎng)總線(xiàn)。在完成控制系統設計之前，阿爾斯通需要對POWERLINK 技術(shù)的一些主要特點(diǎn)做一番全面了解。在得出POWERLINK 最重要的特點(diǎn)是冗余之后，公司就將其作為系統標準加以使用。這一具有冗余功能的確定性網(wǎng)絡(luò )為電廠(chǎng)自動(dòng)化的開(kāi)閉環(huán)控制提供了高水平的可用性。

    多年來(lái)，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在管理操作網(wǎng)絡(luò )和系統網(wǎng)絡(luò )中得到廣泛應用。由POWERLINK現場(chǎng)總線(xiàn)構成的整個(gè)網(wǎng)絡(luò )架構基于成熟且標準化的以太網(wǎng)技術(shù)，該以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )擁有眾多優(yōu)勢：網(wǎng)絡(luò )設備及協(xié)議標準化，降低成本，便于維護，提高性能，減少自主方案過(guò)時(shí)的風(fēng)險等。 

    阿爾斯通與能源管理業(yè)務(wù)（EMB）

    阿爾斯通是全球交通運輸和電力基礎設施領(lǐng)域的先驅。在電力方面，她是綜合電廠(chǎng)、電力生產(chǎn)服務(wù)以及空氣質(zhì)量監控系統領(lǐng)域的全球領(lǐng)先企業(yè)。全球27%的發(fā)電量來(lái)自于阿爾斯通，她的技術(shù)適用于所有能源形式（天然氣、煤、可再生能源和核能）。阿爾斯通電力部由五方面業(yè)務(wù)組成：電廠(chǎng)、輪機、能源和環(huán)境系統、水電以及能源管理業(yè)務(wù)（EMB）。能源管理業(yè)務(wù)部為能源基礎設施提供持續的效率改善，從燃料供應到電力生產(chǎn)與消耗，符合清潔能源和創(chuàng )新電廠(chǎng)集成（Plant IntegratorTM）理念。該業(yè)務(wù)部除了在傳統電廠(chǎng)和新型燃煤電廠(chǎng)中裝備碳捕捉和封存裝置外，還引進(jìn)了新技術(shù)對電廠(chǎng)中的空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，這些新技術(shù)的開(kāi)發(fā)將進(jìn)一步加強阿爾斯通在清潔發(fā)電領(lǐng)域的地位。隨著(zhù)全球碳交易計劃的不斷推進(jìn)，電廠(chǎng)管理解決方案需要對碳注冊系統和碳交易市場(chǎng)進(jìn)行靈活地整合。 

    阿爾斯通的能源管理業(yè)務(wù)主要集中于以下四個(gè)核心技術(shù)領(lǐng)域： 

   ■電廠(chǎng)自動(dòng)化 - 包括電廠(chǎng)DCS系統，控制系統與設備

   ■電廠(chǎng)管理 - 包括電廠(chǎng)與輸配電優(yōu)化，系統監控與仿真

   ■電網(wǎng)與變電站設計 - 包括離相封閉母線(xiàn)設計

   ■電力電子 - 包括勵磁，自動(dòng)電壓調節和無(wú)功功率控制

    阿爾斯通的能源管理業(yè)務(wù)部能夠提供完整的交鑰匙能源管理解決方案以?xún)?yōu)化貫穿整個(gè)能源價(jià)值鏈的能源效率，這主要體現在以下幾個(gè)方面： 

   ■通過(guò)高效的電廠(chǎng)自動(dòng)化控制，通過(guò)全新的電廠(chǎng)管理軟件對電廠(chǎng)進(jìn)行日常運行安排、資產(chǎn)管理和系統實(shí)時(shí)仿真，全面提高電廠(chǎng)效率。 

   ■通過(guò)提高電廠(chǎng)運行靈活性自動(dòng)控制發(fā)電量，這意味著(zhù)在一天內可數次起、停發(fā)電機組。

   ■通過(guò)確保電能質(zhì)量為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)供電，不論是電網(wǎng)頻率（有功功率）還是電壓管理（無(wú)功功率）問(wèn)題都能得到妥善解決。

   針對能源管理業(yè)務(wù)，阿爾斯通推出了一套控制系統，并將其命名為ALSPA。阿爾斯通的ALSPA CONTROPLANT DCS 系統主要針對電廠(chǎng)控制與自動(dòng)化市場(chǎng)。

   ALSPA

   基于特定硬件組件和標準通信網(wǎng)絡(luò )的ALSPA 系統含有靈活且開(kāi)放的分布式系統架構。ALSPA 產(chǎn)品系列支持電廠(chǎng)運行的眾多核心功能，其優(yōu)勢主要體現在系統擁有多重安全和可用性特點(diǎn)如自測試、控制器和通信系統冗余、時(shí)間同步和時(shí)間戳精度為1ms、容錯以及控制室設備掉電時(shí)系統繼續自主運行等。ALSPA 產(chǎn)品系列可用于DCS 系統（熱電、水電、核電等）及電廠(chǎng)設備控制，針對電廠(chǎng)設備主要包括下列控制產(chǎn)品： 

   ■ALSPA 現場(chǎng)控制器

   ■鍋爐保護和控制管理系統：Controflame

   ■蒸汽輪機控制器：Controsteam

   ■燃氣輪機控制器：Controgas

   ■發(fā)電機自動(dòng)電壓調節和勵磁控制器：Controgen

   該控制系統圍繞三方面組件構筑而成：

   ■帶軟件和硬件的控制室人機界面（HMI）。

   ■工程管理工具對整個(gè)電廠(chǎng)進(jìn)行統一規劃設計包括：DCS 系統、設備控制系統以及采

   用單點(diǎn)接入與唯一數據庫的仿真裝置。

   ■多功能控制器和現場(chǎng)控制器實(shí)現眾多自動(dòng)化控制與保護功能，擁有減少現場(chǎng)布線(xiàn)、容錯以及便于擴展系統等優(yōu)點(diǎn)。

     所有這些組件都是通過(guò)快速以太網(wǎng)實(shí)現互聯(lián)的（見(jiàn)圖1）。   

           

   ALSPA 系統網(wǎng)絡(luò )

    操作層主要位于控制室，因此工業(yè)制約因素較少，一般采用標準快速以太網(wǎng)作為交換網(wǎng)絡(luò )。 

   控制層基于成熟的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案，連接DCS 系統三層結構。容錯環(huán)形拓撲結構確保了系統具有高可用性。由于標準以太網(wǎng)采用ＩＰ協(xié)議（TCP/IP 和UDP/IP 協(xié)議），因此它無(wú)需確定性?？刂茖拥臄祿鬏斔俾蕿?00Mbits/s 或1Gbits/s，采用光纖電纜或銅質(zhì)電纜。

     現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )位于現場(chǎng)層，因此制約因素也最為苛刻。在現場(chǎng)層中互聯(lián)的設備通常具有很高的可用性要求，因而需擁有冗余功能和一個(gè)高可靠性的網(wǎng)絡(luò )（見(jiàn)圖2）。  

       

    現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )演變?yōu)榛谝蕴W(wǎng)的解決方案 

    日新月異的電力市場(chǎng)應用對網(wǎng)絡(luò )性能提出了更高的要求，基于高速以太網(wǎng)的全新技術(shù)也應運而生。

    阿爾斯通在眾多工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)中選擇了兩項技術(shù)，一項無(wú)任何確定性限制，而另一項則擁有極高的實(shí)時(shí)確定性要求。

    經(jīng)過(guò)了廣泛的選擇之后，阿爾斯通決定采用Modbus TCP 作為非確定性現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )。Modbus TCP 因其對第三方設備具有廣泛開(kāi)放性得以入選。

    由于確定性實(shí)時(shí)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )需要使用分布式I/O，因此實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )要求簡(jiǎn)化系統架構，集中處理單元控制器內部數據，降低系統安裝、維護和組態(tài)成本。此外，確定性實(shí)時(shí)以太網(wǎng)還要求通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現基于時(shí)間戳的時(shí)間同步功能，無(wú)需特定的外部電纜就能將同步數據和信號傳輸到現場(chǎng)控制器。

    確定性實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )：選擇POWERLINK 作為現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的原因
   
    如果說(shuō)非確定性網(wǎng)絡(luò )的選擇是容易而又自然的話(huà)，那么確定性硬實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )的選擇就顯得相對復雜。阿爾斯通對現有硬實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，希望該技術(shù)能夠滿(mǎn)足下列要求：

   ■開(kāi)放且獨立的標準，基于標準組件

   ■市場(chǎng)認可的標準化解決方案

   ■標準化設備和組件降低成本

   ■基于標準以太網(wǎng)

   ■從網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的全球推廣中獲益

   ■基于所有最新通信協(xié)議的通用解決方案

   ■無(wú)特殊硬件要求 

   ■成熟可靠的安全通信技術(shù)

   ■電廠(chǎng)控制系統從成熟可靠的通信解決方案中獲益

   ■高性能的安全以太網(wǎng)協(xié)議（滿(mǎn)足安全等級SIL3） 

   ■高確定性實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )

   ■標準的數據傳輸速率為100Mbits/s

   ■通信網(wǎng)絡(luò )確保確定性和實(shí)時(shí)性

   ■確定性實(shí)時(shí)數據實(shí)現微秒級傳輸

    一般而言，電廠(chǎng)往往需要運行幾十年，這導致技術(shù)的長(cháng)期可用性成為了一項非常重要的選擇標準，因此基于以太網(wǎng)的解決方案應該具有一個(gè)相當長(cháng)的生命周期。為了完成這一目標，最為安全的方法就是選擇一項基于標準硬件的標準化技術(shù)。當然，預想依靠一家供應商或一項使用十年就淘汰的技術(shù)是不可能的。在經(jīng)過(guò)長(cháng)期研究、建模和仿真分析后，阿爾斯通最終選擇了POWERLINK 作為其控制系統的現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )。

    全新的網(wǎng)絡(luò )架構

      由于現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )采用了POWERLINK，因此整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )架構完全基于成熟和標準的以太網(wǎng)技術(shù)。這一獨特的基于全以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )結構擁有眾多優(yōu)點(diǎn)。首先，它使用戶(hù)對網(wǎng)絡(luò )設備和協(xié)議（TCP&UDP/IP 協(xié)議）進(jìn)行了標準化。其次，即使在某些情況下出于對有源網(wǎng)絡(luò )設備（交換機和HUB）的需要從而導致網(wǎng)絡(luò )本身的價(jià)格十分昂貴，分布式系統架構、標準化網(wǎng)絡(luò )設備及協(xié)議、減少布線(xiàn)（只有以太網(wǎng)和總線(xiàn)拓撲結構）以及網(wǎng)絡(luò )設備同步運行也能大大減低網(wǎng)絡(luò )的總成本。然后，這一充分基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )增加了性能更高的運行及維護設施。最后，使用標準的以太網(wǎng)技術(shù)可以遵循以太網(wǎng)不斷發(fā)展的軌跡，而且可以從整個(gè)以太網(wǎng)用戶(hù)團體的研發(fā)投資行為中獲益而無(wú)需增加額外的研發(fā)成本。   

             

    POWERLINK 是一個(gè)基于標準以太網(wǎng)組件的純軟件解決方案，它在與標準以太網(wǎng)設備的完全兼容性方面擁有顯著(zhù)優(yōu)勢。例如，其中的一項優(yōu)勢是，它允許使用光纖技術(shù)訪(fǎng)問(wèn)遠程設備（幾公里外），光纖網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)點(diǎn)是它可以架設在電磁干擾區。

    阿爾斯通推動(dòng)POWERLINK 發(fā)展：高可用性

    阿爾斯通一直以來(lái)都在推廣POWERLINK 技術(shù)，希望其“高可用性”技術(shù)特色成為一項標準。Ethernet POWERLINK 標準化組織（ EPSG ， Ethernet POWERLINKStandardization Group）的開(kāi)放性使阿爾斯通得以長(cháng)期以來(lái)分享該專(zhuān)業(yè)技術(shù)并將其應用于高可用性的控制系統中。因此，“高可用性”技術(shù)工作組由阿爾斯通牽頭成立，目標就是對POWERLINK 中的“高可用性”技術(shù)特色進(jìn)行發(fā)布。其中最重要的一項要求是，在不修改目前POWERLINK 規范的前提下維持這一技術(shù)與現有設備完全兼容。該技術(shù)工作組順利完成了這項目標，并將“高可用性”添加作為現有POWERLINK 技術(shù)的一項標準。

    這樣，阿爾斯通就能利用具有高可用性的POWERLINK 網(wǎng)絡(luò )來(lái)對電廠(chǎng)運行進(jìn)行自動(dòng)化控制了。確實(shí)，萬(wàn)一控制硬件發(fā)生故障或電纜損壞時(shí)，一些關(guān)鍵的應用程序必須確保安全，防止功能中斷。如果一臺帶控制功能的IPC 中斷運行，那么另一個(gè)控制單元需要立即“注意”到故障，并承擔起繼續運行的任務(wù)從而避免延誤運行造成的風(fēng)險。由阿爾斯通實(shí)現的電纜冗余功能可以輕松完成本地化故障檢測，避免數據丟失（無(wú)循環(huán)時(shí)間損失，無(wú)需重置時(shí)間）。

    POWERLINK 技術(shù)的高可用性已經(jīng)通過(guò)一種先進(jìn)的模型檢驗方法得到了驗證。在完成了所有的模型建立和技術(shù)開(kāi)發(fā)之后，為了確認計算結果，阿爾斯通進(jìn)入了密集的仿真分析階段。仿真分析還可以測試系統在一系列關(guān)鍵場(chǎng)景下的系統功能性。經(jīng)過(guò)長(cháng)期深入的驗證階段之后，阿爾斯通確定了控制系統具有高可用性，系統隨即便投入了運行。

   結論

    阿爾斯通通過(guò)將POWERLINK 技術(shù)集成到現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )中，已經(jīng)證明了在電廠(chǎng)控制系統中使用工業(yè)以太網(wǎng)的眾多優(yōu)勢。他們非常高興地看到POWERLINK 標準的誕生并且對此充滿(mǎn)信心，因為這項技術(shù)具備所有關(guān)鍵過(guò)程控制所必需的技術(shù)品質(zhì)。隨著(zhù)最近宣布開(kāi)源POWERLINK 解決方案（openPOWERLINK）的技術(shù)發(fā)布，阿爾斯通深信這將推動(dòng)越來(lái)越多的第三方設備制造廠(chǎng)商采用這項技術(shù)。高度分布的控制系統架構將網(wǎng)絡(luò )視為系統的核心，這就是為什么系統需要采用高性能以太網(wǎng)的原因，而且基于標準以太網(wǎng)設備是一項基本選擇。此外，阿爾斯通所提供的系統必須是標準的、成熟的和可靠的。  

   通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，阿爾斯通獲得了更多的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，同時(shí)也將推動(dòng)進(jìn)一步的技術(shù)開(kāi)發(fā)活動(dòng)。此外，整個(gè)POWERLINK 用戶(hù)團體也將從中獲益，因為EPSG 已經(jīng)將一些新的功能標準化，且向所有人開(kāi)放。就目前來(lái)說(shuō)，利用以太網(wǎng)技術(shù)不僅是一項技術(shù)突破，而且還可以確保面向未來(lái)的投資行為不斷推進(jìn)。