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     POWERLINK 助阿爾斯通電力實現(xiàn)網(wǎng)絡技術(shù)標準化 

    ALSPAControlplant 是阿爾斯通（Alstom）專為能源應用領(lǐng)域設計的電廠控制與自動化系統(tǒng),由于該領(lǐng)域要求極高的系統(tǒng)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(tǒng)架構(gòu),網(wǎng)絡也就成為了該控制系統(tǒng)的一個核心部分。 

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

    多年來，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在管理操作網(wǎng)絡和系統(tǒng)網(wǎng)絡中得到廣泛應用。由POWERLINK現(xiàn)場總線構(gòu)成的整個網(wǎng)絡架構(gòu)基于成熟且標準化的以太網(wǎng)技術(shù)，該以太網(wǎng)網(wǎng)絡擁有眾多優(yōu)勢：網(wǎng)絡設備及協(xié)議標準化，降低成本，便于維護，提高性能，減少自主方案過時的風險等。 

    阿爾斯通與能源管理業(yè)務（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(qū)。在電力方面，她是綜合電廠、電力生產(chǎn)服務以及空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域的全球領(lǐng)先企業(yè)。全球27%的發(fā)電量來自于阿爾斯通，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)務組成：電廠、輪機、能源和環(huán)境系統(tǒng)、水電以及能源管理業(yè)務（EMB）。能源管理業(yè)務部為能源基礎設施提供持續(xù)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)新電廠集成（Plant IntegratorTM）理念。該業(yè)務部除了在傳統(tǒng)電廠和新型燃煤電廠中裝備碳捕捉和封存裝置外，還引進了新技術(shù)對電廠中的空氣質(zhì)量進行實時監(jiān)控，這些新技術(shù)的開發(fā)將進一步加強阿爾斯通在清潔發(fā)電領(lǐng)域的地位。隨著全球碳交易計劃的不斷推進，電廠管理解決方案需要對碳注冊系統(tǒng)和碳交易市場進行靈活地整合。 

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

   ■電廠自動化 - 包括電廠DCS系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與設備

   ■電廠管理 - 包括電廠與輸配電優(yōu)化，系統(tǒng)監(jiān)控與仿真

   ■電網(wǎng)與變電站設計 - 包括離相封閉母線設計

   ■電力電子 - 包括勵磁，自動電壓調(diào)節(jié)和無功功率控制

    阿爾斯通的能源管理業(yè)務部能夠提供完整的交鑰匙能源管理解決方案以優(yōu)化貫穿整個能源價值鏈的能源效率，這主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 

   ■通過高效的電廠自動化控制，通過全新的電廠管理軟件對電廠進行日常運行安排、資產(chǎn)管理和系統(tǒng)實時仿真，全面提高電廠效率。 

   ■通過提高電廠運行靈活性自動控制發(fā)電量，這意味著在一天內(nèi)可數(shù)次起、停發(fā)電機組。

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

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

   ALSPA

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

   ■ALSPA 現(xiàn)場控制器

   ■鍋爐保護和控制管理系統(tǒng)：Controflame

   ■蒸汽輪機控制器：Controsteam

   ■燃氣輪機控制器：Controgas

   ■發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)和勵磁控制器：Controgen

   該控制系統(tǒng)圍繞三方面組件構(gòu)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電廠進行統(tǒng)一規(guī)劃設計包括：DCS 系統(tǒng)、設備控制系統(tǒng)以及采

   用單點接入與唯一數(shù)據(jù)庫的仿真裝置。

   ■多功能控制器和現(xiàn)場控制器實現(xiàn)眾多自動化控制與保護功能，擁有減少現(xiàn)場布線、容錯以及便于擴展系統(tǒng)等優(yōu)點。

     所有這些組件都是通過快速以太網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)的（見圖1）。   

           

   ALSPA 系統(tǒng)網(wǎng)絡

    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。 

   控制層基于成熟的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案，連接DCS 系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)。容錯環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)確保了系統(tǒng)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），因此它無需確定性。控制層的數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbits/s 或1Gbits/s，采用光纖電纜或銅質(zhì)電纜。

     現(xiàn)場網(wǎng)絡位于現(xiàn)場層，因此制約因素也最為苛刻。在現(xiàn)場層中互聯(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高可靠性的網(wǎng)絡（見圖2）。  

       

    現(xiàn)場網(wǎng)絡演變?yōu)榛谝蕴W(wǎng)的解決方案 

    日新月異的電力市場應用對網(wǎng)絡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)，一項無任何確定性限制，而另一項則擁有極高的實時確定性要求。

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

    由于確定性實時現(xiàn)場網(wǎng)絡需要使用分布式I/O，因此實時以太網(wǎng)網(wǎng)絡要求簡化系統(tǒng)架構(gòu)，集中處理單元控制器內(nèi)部數(shù)據(jù)，降低系統(tǒng)安裝、維護和組態(tài)成本。此外，確定性實時以太網(wǎng)還要求通過網(wǎng)絡實現(xiàn)基于時間戳的時間同步功能，無需特定的外部電纜就能將同步數(shù)據(jù)和信號傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制器。

    確定性實時網(wǎng)絡：選擇POWERLINK 作為現(xiàn)場網(wǎng)絡的原因
   
    如果說非確定性網(wǎng)絡的選擇是容易而又自然的話，那么確定性硬實時網(wǎng)絡的選擇就顯得相對復雜。阿爾斯通對現(xiàn)有硬實時以太網(wǎng)技術(shù)進行了大量研究，希望該技術(shù)能夠滿足下列要求：

   ■開放且獨立的標準，基于標準組件

   ■市場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

   ■無特殊硬件要求 

   ■成熟可靠的安全通信技術(shù)

   ■電廠控制系統(tǒng)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（滿足安全等級SIL3） 

   ■高確定性實時網(wǎng)絡

   ■標準的數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbits/s

   ■通信網(wǎng)絡確保確定性和實時性

   ■確定性實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)微秒級傳輸

    一般而言，電廠往往需要運行幾十年，這導致技術(shù)的長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相當長的生命周期。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)過長期研究、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(tǒng)的現(xiàn)場網(wǎng)絡。

    全新的網(wǎng)絡架構(gòu)

      由于現(xiàn)場網(wǎng)絡采用了POWERLINK，因此整個系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)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)絡結(jié)構(gòu)擁有眾多優(yōu)點。首先，它使用戶對網(wǎng)絡設備和協(xié)議（TCP&UDP/IP 協(xié)議）進行了標準化。其次，即使在某些情況下出于對有源網(wǎng)絡設備（交換機和HUB）的需要從而導致網(wǎng)絡本身的價格十分昂貴，分布式系統(tǒng)架構(gòu)、標準化網(wǎng)絡設備及協(xié)議、減少布線（只有以太網(wǎng)和總線拓撲結(jié)構(gòu)）以及網(wǎng)絡設備同步運行也能大大減低網(wǎng)絡的總成本。然后，這一充分基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡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，而且可以從整個以太網(wǎng)用戶團體的研發(fā)投資行為中獲益而無需增加額外的研發(fā)成本。   

             

    POWERLINK 是一個基于標準以太網(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)訪問遠程設備（幾公里外），光纖網(wǎng)絡的優(yōu)點是它可以架設在電磁干擾區(qū)。

    阿爾斯通推動POWERLINK 發(fā)展：高可用性

    阿爾斯通一直以來都在推廣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）的開放性使阿爾斯通得以長期以來分享該專業(yè)技術(shù)并將其應用于高可用性的控制系統(tǒng)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)特色進行發(fā)布。其中最重要的一項要求是，在不修改目前POWERLINK 規(guī)范的前提下維持這一技術(shù)與現(xiàn)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(xiàn)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)絡來對電廠運行進行自動化控制了。確實，萬一控制硬件發(fā)生故障或電纜損壞時，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，那么另一個控制單元需要立即“注意”到故障，并承擔起繼續(xù)運行的任務從而避免延誤運行造成的風險。由阿爾斯通實現(xiàn)的電纜冗余功能可以輕松完成本地化故障檢測，避免數(shù)據(jù)丟失（無循環(huán)時間損失，無需重置時間）。

    POWERLINK 技術(shù)的高可用性已經(jīng)通過一種先進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)開發(fā)之后，為了確認計算結(jié)果，阿爾斯通進入了密集的仿真分析階段。仿真分析還可以測試系統(tǒng)在一系列關(guān)鍵場景下的系統(tǒng)功能性。經(jīng)過長期深入的驗證階段之后，阿爾斯通確定了控制系統(tǒng)具有高可用性，系統(tǒng)隨即便投入了運行。

   結(jié)論

    阿爾斯通通過將POWERLINK 技術(shù)集成到現(xiàn)場網(wǎng)絡中，已經(jīng)證明了在電廠控制系統(tǒng)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信心，因為這項技術(shù)具備所有關(guān)鍵過程控制所必需的技術(shù)品質(zhì)。隨著最近宣布開源POWERLINK 解決方案（openPOWERLINK）的技術(shù)發(fā)布，阿爾斯通深信這將推動越來越多的第三方設備制造廠商采用這項技術(shù)。高度分布的控制系統(tǒng)架構(gòu)將網(wǎng)絡視為系統(tǒng)的核心，這就是為什么系統(tǒng)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(tǒng)必須是標準的、成熟的和可靠的。  

   通過技術(shù)改進，阿爾斯通獲得了更多的專業(yè)技術(shù)，同時也將推動進一步的技術(shù)開發(fā)活動。此外，整個POWERLINK 用戶團體也將從中獲益，因為EPSG 已經(jīng)將一些新的功能標準化，且向所有人開放。就目前來說，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的投資行為不斷推進。