Netlinx网络构架在大型火力发电厂BOP中的应用

【摘要】Netlinx网络构架是罗克韦尔自动化利用开放式网络技术构建的从从底层到顶层无缝集成的策略，其主要思想是将网络系统与设备有机的结合在一起，用以监控生产，将信息流扩展至整个生产过程，从而建成一个透明的、开放式结构体系的自动化系统。基于Netlinx网络构架的大型火力发电厂辅助车间控制网（BOP）在神华国华台电得到成功应用，并成为电厂信息化建设的重要组成部分之一。

【关键词】Netlinx;网络构架;辅助车间控制网;应用

1.引言

大型火力发电厂辅助车间控制网（Bala-nce Of Plant，以下简称BOP）它是利用先进的计算机技术、通信技术和网络技术，将相互独立的各个辅助系统集成控制，实现控制系统少人值班或无人值班，提高设备控制水平，从而大幅度地提高劳动生产率，并达到减员增效的目的。

大型火电厂BOP系统与电厂生产过程密切相关，他们的正常运行是保证机组稳发满发的重要条件，但不同于大型火力发电厂主机设备采用成套设计、成套生产、成套供货和成套服务，BOP系统由于其自身工艺系统众多、设备分布广、占地面积大、物理位置分散、且各辅机系统由不同生产厂商或系统集成商供应、不同软硬件产品之间缺乏沟通与协作，导致系统设计风格迥异、控制网络连接形式多样，人机界面不一致、备品备件种类多，这些将导致企业维修成本增加、生产效率下降、降低了企业快速反应能力。面对企业从底层到顶层全方位自动化的要求，在工业自动化领域领先的罗克韦尔自动化推出了一种无缝集成的开放式网络构架――Netlinx作为解决方案。本文以神华广东国华粤电台山发电有限公司一期工程为例，分析基于Netlinx网络构架在大型火力发电厂BOP系统中的成功应用。

linx网络构架特点

Netlinx网络构架是罗克韦尔自动化公司推出的一种以工业以太网（Ethernet/IP）、控制网（ControlNet）和设备网（DeviceNet）三层工业控制网络为平台的新型网络构架，在各个网络的应用层协议中都采用了统一的通用工业协议CIP（Common Industry Protocol），从而实现了不同网络之间信息路由和无缝连接，构造了一个从车间到企业、从设备底层到管理信息层的开放与集成的网络平台。

其主要特点有：

（a）Netlinx网络采用最高效的通信模式――生产者/消费者（Producer/Consumer）。与传统的源/目的通信模式很多大的不同，生产者/消费者模式是以数据为中心的编码方式，报文按内容进行标示，根据识别特定的标识符来决定一个节点是否要接受该报文数据，因为数据源只需发送一次，各消费者节点之间可实现精确的时间同步。有效的利用了网络带宽，提高了网络传输效率。适用于对时间有苛刻要求的实时I/O数据的高速传输，保证了高度的确定性和可重复的性能。

图1 源/目的模式与生产者/消费者模式的报文格式对比

（b）Netlinx三层网络应用层协议均采用CIP协议，CIP协议是面向对象、独立于特定网络的/介质无关的应用层协议，它可以与不同的下层协议结合构成不同的工业网络Ethernet/IP信息网、ControlNet控制网或DeviceNet设备网。CIP的控制部分用于实时I/O数据的传送与互锁，CIP的信息部分用于报文交换以实现对等通信、报警、配置以诊断等功能。CIP使用单一的网络即可实现控制、配置与数据采集，是一种效率高、可靠性好、实时性强的通用性网络协议。

图2 三种CIP网络模型和ISO/OSI参考模型对照

（c）多厂商的互操作性：由于构架基于开放式的通信协议，避免了对单一制造商的依赖性。可使用户永远受益于最新技术的优势，并降低投资成本。

3.国华台电BOP系统结构与配置

神华广东国华粤电台山发电有限公司（以下简称国华台电）成立于2001年3月28日，由中国神华能源股份有限公司出资80%、广东省粤电集团有限公司出资20%组建，一期工程五台600MW亚临界机组分别于2003年12月、2004年4月、2006年01月、2006年11月建成投产;二期工程建设4×1000MW超超临界机组，并预留2台1000MW超超临界机组场地，最终容量可达9000MW，是目前国内规划建设规模最大的火力发电公司之一。

国华台电一期工程5×600MW机组辅助车间包括有锅炉补给水系统、淡水预处理、消防水控制、除灰控制系统、除渣控制系统、工业废水处理系统、制氢系统、循环水制氯系统、脱硫废水、生活污水处理系统、原煤斗空气炮系统、输煤系统等18个独立的子系统，且各辅助车间位置分散，分布在厂区内从煤码头到主厂房方圆数平方公里范围内。在机组投产初期，各子系统均采用PLC控制器+上位机方式进行监控，不仅需要较多的运行操作人员，并且各子系统之间、子系统与机组中心集控室信息缺少交流、形成“信息孤岛”，给系统的运行、维护与管理带来许多困难。为适应大型火电厂先进管理的要求和国华公司技术领先、成本节约的战略，采用了罗克韦尔公司基于Netlinx构架对各子系统进行集成，实现了在机组中心集控室内对整个BOP网设备的集中监控。

集成后的BOP网采用了基于Netlinx的三层网络：信息层、控制层和设备层。信息层采用符合标准的TCP/IP协议的由操作员站和服务器构成的工业以太网，控制层为基于ControlNet现场总线构成的控制网，从而实现了整个BOP网络管理集中、控制分散的目的（由于考虑到降低成本和目前缺乏适合电厂广泛使用的设备层智能仪控设备，这一层传输的仍是传统的模拟量和开关量信息）。同时BOP还给厂级实时监控信息系统SIS（Supervisory Information System）提供数据，为推动电厂管控一体化的发展奠定良好的基础。

3.1 信息层

Ethernet/IP是适合工业环境应用的工业以太网协议体系，它是由两大工业组织ODVA和CI所推出的最新成员。Ethernet/IP采用和ControlNet以及DeviceNet相同的应用层协议CIP，保证了Ethernet/IP、ControlNet和DeviceNet的无缝集成。这意味着用户无需额外的编程，即可直接从任意一点访问、组建并维护不同网络中的任意设备。

Ethernet/IP模块的硬件是以太网通信模块1756-ENBT，它是PLC和以太网之间通信的桥梁。国华台电各辅助车间控制均采用罗克韦尔自动化ControlLogix 1756系列可编程控制器PLC，各辅控子网都是通过冗余配置的以太网模块1756-ENBT、超五类屏蔽双绞线（UTP））、62.5μM多模光纤、光电收发器以星型方式接入到核心交换机上。国华台电一期工程BOP网络拓扑如图3所示：

图3 国华台电一期BOP网络拓扑图

如图3所示BOP系统信息层配置核心太网交换机2台，服务器3台，上位操作员站7台（1、2号机组集控室内配置4台、345号机组集控室内配置3台），实现对1-5号机组全厂辅助车间系统BOP的集中监控。

服务器：服务器型号是IBM X3500 M2，服务器为BOP网的核心设备，操作系统选用Windows2003 Server，在应用软件配置方面，安装了通信接口软件Rslinx、上位监控软件Rsview32 ADS Server、数据库软件SQL Server以及部分应用软件（如Office系列、VB编程软件）及杀毒软件等。通过对软件Rsview32和ADS服务器的配置，可实现网络的集中管理，操作员站可通过ADS Client配置，联网后由服务器自动分配配置数据。

交换机：核心交换机型号是德国赫斯曼MACH4002工业级以太网交换机，完全符合标准的IEEE802.3标准，采用无风扇设计，双路冗余电源、工作温度范围可从0到60℃、在极端条件下也能长时间工作，采用模块化设计可满足几乎任何介质的组合需要――所有电口、光口（多模/单模）或电口和光口的组合，支持VLAN、组播控制和端口优先级（Port Priority）设置，从而可以最大程度地限制网络上的广播和组播信息，提高网络的可靠性和工作效率。在内部配置了一些协议，端口冗余度由生成树协议（Spanning Tree Protocol）提供支持。支持链路冗余，确保了到交换机和服务器的关键链路在故障后仍可使用。

每台交换机配置1000Mbps光纤/双绞线combo端口4个、100Mbps双绞线端口16个、100Mbps多模光纤端口16个。交换机配有网管软件HiDiscovery，该软件功能强大可以方便的对交换机进行配置、管理及网络故障诊断等。本系统根据交换机端口来划分VLAN，如表1所示：

表1 VLAN划分表

VLAN ID VLAN 设备

名称

1 Server 服务器、操作员站

2 PI PI系统

3 FS 工业废水系统

4 WS 生活污水系统

5 TL 1、2号机脱硫废水系统

6 TL2 3、4、5号机脱硫废水系统

7 ZQ 制氢站系统

8 ZL 制氯系统

9 KQP 1、2号机空气炮系统

10 KQP2 3、4、5号机空气炮系统

11 HZ12 1、2号机除灰渣系统

12 HZ345 3、4、5号机除灰渣系统

13 SM 输煤系统

14 BJS 锅炉补给水系统

15 YCL 化水预处理系统

操作员站：为适应工业现场的网络环境要求及监控系统的运行速度要求，本系统上位机选用IBM公司的X3100服务器机作为控制主机，操作系统选用Windows2003 Server，操作员站安装ADS Client软件包。通过ADS Client访问服务器上的ADS Server实现对辅网系统的监视和控制。当访问的服务器停止ADS server服务时，操作员站自动连接到另外一台服务器的ADS server，从而实现通讯冗余。

操作员站具有数据采集、画面显示、参数处理、越限报警、制表打印以及各系统PLC参数设置、设备监控、控制逻辑的修改、系统的调试等功能。7台操作员通过和BOP网的主、从服务器实时通讯进行BOP各子系统的全面监控，7个操作员站可以互为备用，并通过设置操作权限切换防止重复误操作情况的发生，提高了系统的可靠性和稳定性。

3.2 控制层

考虑到电厂各辅助车间距离远、节点多、现场环境恶劣（电磁干扰强、高温、粉尘）等因素，辅助车间控制层采用ControlNet现场总线控制系统。ControlNet现场总线满足IEC61158国际工业现场总线标准，它是一种高速、确定性的网络，提供了一种在PLC之间、PLC与操作员站及I/O子系统之间实现高速、可冗余的通信方式，用于在PLC处理器和I/O设备之间传输对时间有苛刻要求的数据，实现控制器之间的通信及对远程I/O的控制。

ControlNet采用全新的生产者/消费者通信模式，不同消费者根据数据标识符同时接受来自生产者的信息，极大的提高了网络效率，代表来新一代网络的发展方向。

为提高控制系统的可靠性，满足在控制器或通信模块发生问题时系统能够维持正常的运行，ControlNet层采取了冗余配置，包括控制器冗余和网络冗余。

控制器冗余：两个框架配置一模一样，两个控制器框架之间通过冗余模块1756-SRM完成同步和数据的交换。在成对的冗余框架中，首先上电的框架成为主框架，后上电的框架将作为辅机框架，并建立与主机控制器的同步。在主机框架发生掉电、模块故障或固件版本问题时、控制器程序发生主要故障时，信号同时经过同步光纤1757-SRCX传给从控制器，从控制器立即启动接管工作，冗余系统之间将发生无扰切换，切换时间为几十毫秒。

网络冗余：ControlNet是一种高级的通信网络，可以把ControlLogix硬件设备连接在一个分布式的ControlNet，1756-CNBR模块用于网络冗余、为同一网络节点提高两个物理连接（通道A、B）;当其中一个连接断开时，另一个连接保持网络通信继续进行

控制层数据传输速率为5Mbps，每个网段最大可寻址节点数99个、通过中继器可达20公里。传输介质为同轴电缆或光纤。

4.结束语

Netlinx网络平台是罗克韦尔自动化利用开放式网络技术构建的从从底层到顶层无缝集成的策略，其主要思想是将网络系统与设备有机的结合在一起，用以监控生产，将信息流扩展至整个生产过程，从而建成一个透明的、开放式结构体系的自动化系统。采用Netlinx构架的大型火力发电厂辅助车间控制网在国华台电的成功应用，不但实现了各辅助车间就地无人值守，提高了劳动生产率和全厂的自动化水平，而且有效推进了向国际一流电厂大集控生产管理模式转变的进程，另外BOP作为电厂信息化建设的重要的信息源头之一，同时还给厂级实时监控信息系统SIS提供数据，为推动电厂管控一体化的发展奠定良好的基础。

参考文献

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[2]陈晓龙.ControlLogix系统电力行业自动化应用培训教程.

[3]黄允凯.谈英姿 深入浅出Netlinx网络构架.

[4]邓李.ControlLogix系统应用手册.