基于TCP/IP协议的智能前端在宣化热电的应用

李静

（河北建投宣化热电有限责任公司，河北张家口 075100）

智能前端属于远程IO的一种，是布置在生产现场最前端的、距离一次元件最近的远程IO.发电行业内的远程IO主要有两类：一类是DCS或PLC控制系统本身的远程数据采集装置，包括DCS系统的远程柜、PLC系统的远程IO模块;另一类就是专业的智能前端，它具有控制系统远程IO所缺少的对恶劣环境的承受能力［1］.

由于发电行业对设备的可靠性、安全性要求较高，一些新技术、新产品往往因为没有使用业绩而无法入围.经过调研发现，当前国内投运机组及新建机组中尚未出现直接基于以太网TCP/IP协议的智能前端，大多采用传统的RS485等串行通讯协议，或通过增加网桥、上位机等通讯控制设备实现TCP/IP协议.而基于Profibus等新一代现场总线协议的一次设备，由于其造价较高，对于大量的温度信号采集来说，性价比较低［2］.

随着工业以太网的飞速发展，工业交换机等设备早已广泛使用，智能前端具备了使用以太网TCP/IP协议通讯的网络基础.可采用星型拓扑结构实现快速的故障定位，并达到100 Mbps的通讯速率.因此，在河北建投宣化热电2×330 MW燃煤供热机组工程中，笔者通过实地研究该厂所采用的基于以太网TCP/IP通讯协议智能前端的使用情况后发现，TCP/IP协议的运用不但可减少电厂故障的处理时间，提高机组的安全可靠性，还有效提升了远程IO设备通讯的安全性.

1 网络拓扑结构

传统的智能前端网络拓扑结构通常采用RS485串行通讯为基础.DCS系统的串行通讯模件通过工业串行通讯电缆连接到第1台智能前端的通讯输入端子，再从第1台智能前端的通讯输出端子连接到第2台智能前端的通讯输入端子，依次连接到第n台智能前端［3］.当前的主流智能前端产品均采用冗余通讯模式，即双485通讯，其拓扑结构如图1所示.对于无RS485通讯模件的部分DCS系统，还需要在通讯链路中加装RS485/RS232转换器.

图1 传统的网络拓扑结构

在这种模式下，只要有任何一台不在末端的智能前端的通讯接线端子松动，就会影响在其之后的所有智能前端.而某些对通讯回路电阻要求较高的DCS系统，甚至会发生因缺少终端匹配电阻而造成整条RS485通讯总线上的所有前端产生通讯障碍的情况.这会对判断故障点的位置造成很大困扰，只能采用将终端电阻加在某前端的通讯级联端子上的方法来检查此前端与更靠前的前端是否正常.采用TCP/IP以太网协议的前端拓扑结构见图2.

前端和工业交换机可以设置在临近一次元件的锅炉顶部平台或汽轮机各平台处的控制柜内，将一次元件接入智能前端的各采集通道.控制柜内的各前端采用带屏蔽层的以太网双绞线连接工业交换机.由于控制柜柜体有电磁屏蔽的功能，且前端和交换机在同一柜内，距离约为1～3 m，外界电磁干扰对以太网双绞线的影响极小.控制柜内的工业交换机和DCS系统之间采用光纤通讯，不论距离远近，均不会受到电缆桥架上其他电缆或现场的各种干扰源的电磁干扰，因此以太网的前端设备具有较强的抗干扰能力.

图2 采用以太网的网络拓扑结构

2 TCP/IP协议与RS485串口协议的通讯对比

2.1 物理连接

以太网的物理连接采用带屏蔽的RJ45接口，此种接口广泛用于通讯和IT等行业［4］.由于插座口内倾斜的8根细长滑动触头与插头内的8根带状轨道靠弹力接触，即使插头在插座内发生少量前后位移也不会影响接触，因此具有良好的抵抗生产现场振动的能力.此外，在RJ45水晶插头的根部具有弹力卡扣，可以把插头牢牢固定在插座上的卡槽内.所有以太网线的屏蔽层与网线两端RJ45水晶插头的金属外壳压接（制作好RJ45屏蔽水晶头后即完成屏蔽层压接），接入交换机后即与交换机共地，相当于在交换机处进行单点接地.对其进行接通和断开通讯只需将插头拔出或插入即可，无需任何工具，非常方便.

RS485串行接口的物理连接一般采用接线端子将通讯线正负两端以及屏蔽层使用端子上的压紧螺丝压接.一根通讯线的一端需要紧固正、负、屏蔽等3个端子，运行过程中随着机组的振动有可能会发生端子螺丝松动造成通讯故障.此外，接线和拆线需要使用螺丝刀等工具较为不便.

2.2 冗余连接

以太网总线上的数据包按照各设备的IP地址进行通讯，一条总线上的数据服务设备不但可以并发，还可和几个数据请求设备同时进行通讯，且相互不影响.此外，以太网总线除了可以从一个IP地址向多个IP地址发送数据包之外，还可以向整个网段发送数据包.有一“从”多“主”、多“从”多“主”的功能，并可双向传输.而以太网总线上某个智能前端的数据可以通过同一总线向不同的系统如向DCS系统、SIS系统、小指标统计软件等同时传输数据，这种在一条数据总线上可以有多套系统接受智能前端数据包的高冗余情形，是传统RS485方式所无法完成的.当智能前端配备两条以太网通讯总线时，系统的冗余更是达到了极高的程度.

在串行RS485接口的传统通讯方式下，必须通过两条总线方可实现冗余功能，而且冗余功能为冷备冗余，即在某一时刻只能主网（A网）或者副网（B网）单网运行，主系统实现切换，只能和一个主系统进行连接.由于RS485通信一般应用在一“主”多“从”方式，即DCS系统为主，各智能前端为从，因此数据服务设备不能同时和几个数据请求设备通信，只能进行单向传输数据.

2.3 故障影响与维护

以下分别从设备问题影响、断路影响、短路影响3个方面，对以太网通讯接口和RS485通讯接口的智能前端进行对比，见表1.

2.4 通讯速率及带宽

以太网智能前端采用局域网（LAN）设备使用的以太网接口芯片，通常为10 Mbps或（和）100Mbps自适应以太网控制器，通讯速率最大可达100 Mbps，是串口通讯速率的100倍至1 000倍.超过1 000点数据1 s内可实现全部刷新.宣化热电公司DCS系统采用了GE新华公司的XDPS400e系统，支持千兆环网交换机.可以和千兆以太网设备采用1 Gbps的速率进行通讯.

表1 两种通讯接口的智能前端对比

RS485通信接口应用通讯速度最高为115.2 kbps，受现场环境和通讯距离影响较大，一般为9.6 kbps，比100 Mbps以太网速率慢很多.超过1 000点的数据需耗时4～5 s才能实现全部刷新.

2.5 系统支持

由于具备以太网接口，宣化热电使用的智能前端主系统采用双32位嵌入式ARM7硬件平台，系统维护方便，扩展性好.ARM7系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器，具有嵌入式10 M/100 M以太网MAC，CAN，全速（12 Mbps）USB 2.0，高速AES/3DES加密引擎等功能.

而采用串口通讯的智能前端则无法利用先进的32位ARM7系列处理器所具有的嵌入式以太网功能，大多采用单一的16位系统，不具备各种扩展功能.

3 现场实际应用

3.1 以太网的前端配置

宣化热电2×330 MW机组一期工程汽机侧和锅炉侧各设置8台24通道智能前端，主要用于温度信号（热电阻、热电偶）的采集.锅炉侧智能前端按照炉左、炉右、炉前、炉后分散布置，通过光纤将分散布置的前端与炉顶工业交换机连接，炉顶工业交换机采用进口赫斯曼工业级产品，通过光纤与DCS系统实时数据网交换机连接.汽机侧由于一次元件较为集中，在12.6 m运转层平台布置了一个1 200mm×600 mm×2 000 mm（长×深×高）的控制柜，8台智能前端及工业交换机均布置在控制柜内.前端与交换机之间采用屏蔽以太网线连接，交换机与DCS实时数据网采用光纤连接.

首次配置时先将一台前端的以太网线接入就地工业交换机内，在DCS系统工程师站运行ZNetCom V2.51软件，界面如图3所示.

图3 ZNetCom软件界面

点击工具条的“搜索设备”按钮，刚接入的此前端会被软件搜索到，并显示在右侧的列表中.此时在右侧列表中选中此前端，并在左侧的属性栏内设置此前端的名称、密码、IP地址等参数.注意IP地址不要与DCS系统中已有的设备冲突，将网关地址和DCS系统设置成一样即可.设置完毕后点击“确定”按钮即可将刚才设置的参数传输到智能前端中.然后再连接第2台智能前端的网线，按照同样步骤进行设置，直到全部设置完成.逐一联网的目的是避免点击“搜索设备”按钮后搜出许多前端，无法将其与现场的前端相对应.但首次设置中，各前端均设置了不同的名称和IP，因此就很容易将不同的设备区分开.

3.2 智能前端的通信效果

宣化热电1#机组投产运行已经超过一年，在一年多的时间内，智能前端的通讯非常稳定.其间发生过一次18个温度点同时出现故障的事故，根据DCS系统中点的配置文件查出这18个点位于同一台智能前端上，并得出这台前端的IP地址，检修人员直接检查相应的那台智能前端，发现是其电源线松动、失去工作电源所致.紧固电源接线端子后故障被消除.由出现故障到故障被消除整个过程未超过5 min.

4 结论

（1）宣化热电在一期330 MW火电机组中全部采用了最新的双以太网总线TCP/IP协议智能前端，投产后前端通讯部分未发生过任何故障.由于采用星型的以太网结构，其他原因造成的缺陷或故障均能够快速、准确地定位到故障点，给故障处理提供了极大的便利条件，同时减少了故障处理时间，提高了整个机组的安全可靠性.

（2）智能前端设备在通讯部分由传统的RS485串口通讯模式升级到以太网通讯模式是一个巨大的飞跃，有效提升了远程IO设备的通讯安全，真正实现了远程IO设备与DCS系统在数据刷新和数据同步上的无缝连接.

［1］马呈祥.基于工业以太网的DCS远程IO控制站通讯卡设计［J］.微计算机信息，2011（1）：134-135.

［2］陆宝春，张卫，孙宇.制造系统智能前端的研究［J］.机械科学与技术，2004（9）：1 057-1 059.

［3］余思思，王文海.远程I/O站与DCS通讯的设计与实现［J］.组合机床与自动化加工技术，2008（8）：22-26.

［4］李晶，陈建峰.远程智能I/O及现场总线设计方案［J］.机械工程与自动化，2006（4）：106-107.

（编辑苏娟）