POWERLINK 助阿爾斯通電力實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化 

    ALSPAControlplant 是阿爾斯通（Alstom）專為能源應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)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(luò)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(shè)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(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)加以使用。這一具有冗余功能的確定性網(wǎng)絡(luò)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(luò)和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。由POWERLINK現(xiàn)場總線構(gòu)成的整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于成熟且標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備及協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，降低成本，便于維護(hù)，提高性能，減少自主方案過時的風(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(yùn)輸和電力基礎(chǔ)設(shè)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(wù)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(wù)組成：電廠、輪機(jī)、能源和環(huán)境系統(tǒng)、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(chǔ)設(shè)施提供持續(xù)的效率改善，從燃料供應(yīng)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(wù)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(jìn)了新技術(shù)對電廠中的空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，這些新技術(shù)的開發(fā)將進(jìn)一步加強(qiáng)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(jìn)，電廠管理解決方案需要對碳注冊系統(tǒng)和碳交易市場進(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(shè)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(shè)計 - 包括離相封閉母線設(shè)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(wù)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(jìn)行日常運(yùn)行安排、資產(chǎn)管理和系統(tǒng)實(shí)時仿真，全面提高電廠效率。 

   ■通過提高電廠運(yùn)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(jī)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(wù)，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(biāo)準(zhǔn)通信網(wǎng)絡(luò)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(yùn)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(diǎn)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(shè)備掉電時系統(tǒng)繼續(xù)自主運(yùn)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(shè)備控制，針對電廠設(shè)備主要包括下列控制產(chǎn)品： 

   ■ALSPA 現(xiàn)場控制器

   ■鍋爐保護(hù)和控制管理系統(tǒng)：Controflame

   ■蒸汽輪機(jī)控制器：Controsteam

   ■燃?xì)廨啓C(jī)控制器：Controgas

   ■發(fā)電機(jī)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(jī)界面（HMI）。

   ■工程管理工具對整個電廠進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計包括：DCS 系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)以及采

   用單點(diǎn)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(shí)現(xiàn)眾多自動化控制與保護(hù)功能，擁有減少現(xiàn)場布線、容錯以及便于擴(kuò)展系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。

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

           

   ALSPA 系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)三層結(jié)構(gòu)。容錯環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確保了系統(tǒng)具有高可用性。由于標(biāo)準(zhǔn)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(luò)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(shè)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(luò)（見圖2）。  

       

    現(xiàn)場網(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應(yīng)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(yīng)運(yùn)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(xiàng)技術(shù)，一項(xiàng)無任何確定性限制，而另一項(xiàng)則擁有極高的實(shí)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(luò)。Modbus TCP 因其對第三方設(shè)備具有廣泛開放性得以入選。

    由于確定性實(shí)時現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)需要使用分布式I/O，因此實(shí)時以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(hù)和組態(tài)成本。此外，確定性實(shí)時以太網(wǎng)還要求通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(shí)時網(wǎng)絡(luò)：選擇POWERLINK 作為現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的原因
   
    如果說非確定性網(wǎng)絡(luò)的選擇是容易而又自然的話，那么確定性硬實(shí)時網(wǎng)絡(luò)的選擇就顯得相對復(fù)雜。阿爾斯通對現(xiàn)有硬實(shí)時以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，希望該技術(shù)能夠滿足下列要求：

   ■開放且獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)，基于標(biāo)準(zhǔn)組件

   ■市場認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案

   ■標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備和組件降低成本

   ■基于標(biāo)準(zhǔn)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(shí)時網(wǎng)絡(luò)

   ■標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbits/s

   ■通信網(wǎng)絡(luò)確保確定性和實(shí)時性

   ■確定性實(shí)時數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)微秒級傳輸

    一般而言，電廠往往需要運(yùn)行幾十年，這導(dǎo)致技術(shù)的長期可用性成為了一項(xiàng)非常重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)，因此基于以太網(wǎng)的解決方案應(yīng)該具有一個相當(dāng)長的生命周期。為了完成這一目標(biāo)，最為安全的方法就是選擇一項(xiàng)基于標(biāo)準(zhǔn)硬件的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。當(dāng)然，預(yù)想依靠一家供應(yīng)商或一項(xiàng)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(luò)。

    全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

      由于現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)采用了POWERLINK，因此整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)完全基于成熟和標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)。這一獨(dú)特的基于全以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擁有眾多優(yōu)點(diǎn)。首先，它使用戶對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和協(xié)議（TCP&UDP/IP 協(xié)議）進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。其次，即使在某些情況下出于對有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機(jī)和HUB）的需要從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)本身的價格十分昂貴，分布式系統(tǒng)架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及協(xié)議、減少布線（只有以太網(wǎng)和總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備同步運(yùn)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(yùn)行及維護(hù)設(shè)施。最后，使用標(biāo)準(zhǔn)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(tuán)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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)組件的純軟件解決方案，它在與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備的完全兼容性方面擁有顯著優(yōu)勢。例如，其中的一項(xiàng)優(yōu)勢是，它允許使用光纖技術(shù)訪問遠(yuǎn)程設(shè)備（幾公里外），光纖網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是它可以架設(shè)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(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。Ethernet POWERLINK 標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(biāo)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(xiàng)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(shè)備完全兼容。該技術(shù)工作組順利完成了這項(xiàng)目標(biāo)，并將“高可用性”添加作為現(xiàn)有POWERLINK 技術(shù)的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

    這樣，阿爾斯通就能利用具有高可用性的POWERLINK 網(wǎng)絡(luò)來對電廠運(yùn)行進(jìn)行自動化控制了。確實(shí)，萬一控制硬件發(fā)生故障或電纜損壞時，一些關(guān)鍵的應(yīng)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(yùn)行，那么另一個控制單元需要立即“注意”到故障，并承擔(dān)起繼續(xù)運(yùn)行的任務(wù)從而避免延誤運(yùn)行造成的風(fēng)險。由阿爾斯通實(shí)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(jìn)的模型檢驗(yàn)方法得到了驗(yàn)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(rèn)計算結(jié)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(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(yàn)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(yùn)行。

   結(jié)論

    阿爾斯通通過將POWERLINK 技術(shù)集成到現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)的誕生并且對此充滿信心，因?yàn)檫@項(xiàng)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(shè)備制造廠商采用這項(xiàng)技術(shù)。高度分布的控制系統(tǒng)架構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備是一項(xiàng)基本選擇。此外，阿爾斯通所提供的系統(tǒng)必須是標(biāo)準(zhǔn)的、成熟的和可靠的。  

   通過技術(shù)改進(jìn)，阿爾斯通獲得了更多的專業(yè)技術(shù)，同時也將推動進(jìn)一步的技術(shù)開發(fā)活動。此外，整個POWERLINK 用戶團(tuán)體也將從中獲益，因?yàn)镋PSG 已經(jīng)將一些新的功能標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)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(jìn)。