三菱M701F燃气轮机Netmation系统的网络及同步系统简介

1 电厂概况

深圳市广前电力有限公司一期拥有三套三菱M701F燃气-蒸汽联合循环发电机组, 机组采用天然气为单一燃料, 装机容量3×390mw, 使用三菱Netmation控制系统。

2 Netmation控制系统概述

Netmation控制系统从底层到上层分别使用了Control Net网络和以太网络作为主要网络。Netmation控制系统结构分散, 主要依赖先进的网络技术和通信技术实现全场控制系统DCS的统一。为了方便Netmation控制系统在结构上的特点, 下面按照控制系统网络结构的特点进行说明。D C S控制系统网络分成两部分, 分别是单元网络和公共网络, 每种网络都由多个子系统组成。

2.1 单元网络

单元网络一共有3套, 每套机组对应一套完整的单元网络, 三套机组的单元网络构成完全相同。本网络分为T C S系统, HRSG系统, PCS系统, TPS系统, TSI系统和单元GWC系统。下面就各个分系统及分系统实现的功能做简单的介绍:

T C S系统:透平控制系统 (T U R B I N E CONTROL SYSTEM) , 控制对象包括IGV, 燃烧筒旁路阀B Y P A S S, 燃机防喘电磁阀, 燃料量, 汽机透平主蒸汽阀, 负荷, 转速等等, 主要控制对象是燃机本体设备, 汽机透平本体设备及油路系统。

H R S G系统:余热锅炉控制系统, 控制包括余热锅炉上的所有测点, 减温水, 给水, 锅炉疏水等等, 控制对象是余热锅炉炉膛, 锅炉侧水-蒸汽系统。

P C S系统:过程控制系统 (P R O C E S S CONTROL SYSTEM) 控制包括汽机旁路, 凝汽器, 汽机侧疏水, 凝结水泵等等, 控制对象包括汽机测除透平主蒸汽外的所有设备。

T P S系统:透平保护系统 (T U R B I N E PROTECT SYSTEM) 包括对燃机的保护相关信号收集及逻辑分析保护动作条件并判断是否发出保护动作。

T S I系统:透平监视系统, 监视信号包括缸涨、轴向位移、振动、键相 (上述信号由本特利系统监视) , 零转速, 单元机组燃气流量, 火焰状态等信号的监视, 并转化为T C S及T P S能够接受的信号形式转送给TCS系统和TPS系统。

单元G W C系统:单元部分各站通过以太网方式通过单元G W C建立通信, 包括HRSG系统, PCS系统, 单元ECS系统, 各上位机操作站电脑和工程师站电脑, 单元部分各PLC从站通过MODBUS协议接入本站, 包括单元系统E C S部分信号, 各机组的炉水处理, 实现与D C S之间的通信。

上述系统的网络结构如图1所示。

2.2 公共网络部分

公共网络部分分为单元E C S系统, COMM-1系统, COMM-2系统和CGWC系统。

单元E C S系统:单元机组的电气方面信号。主要是接受电压、电流反馈, 电气开关的远程控制, 单元机组的励磁及发电机控制。

C O M M-1系统:循环水系统。 (这里所说的C O M M O N是相对于三菱提供的设备而言而不是真正意义的公共系统。)

COMM-2系统:包括辅助蒸汽, 压缩空气, 闭式循环冷却水, 消防水泵房各系统信号接入。

C G W C系统:即公共网关系统, 厂内公用系统部分PLC从站通过CGWC接入DCS系统, 包括化学水处理, 制氢站, 天然气调压站, 启动锅炉等PLC从站通过MODBUS协议接入网关柜;同时C O M-1, C O M-2, CECS, #1UGWC, #2UGWC, #3UGWC均通过光纤转以太网的方式接入C G W C。

大致系统网络结构图如图2所示。

在图1、图2结构图中, 每一个系统都由两块C P U卡双网冗余组成, 各个单元系统与公用系统之间采用路由器连接。单元的U G W C系统主要功能是实现对单元机组自身而言的非本体系统接入。

3 同步系统基本结构

时钟同步系统的主要作用在于让机组各个分系统之间使用标准的时间信号, 确保从不同分系统进入控制系统的信号都能有一个统一的时间标识基准, 以便于对设备动作顺序, 重要参数变化趋势, 各参数的相互影响关系及程度等方面信息的确认, 对分析事故原因等方面都会起到重要的作用。

从图1、图2来看, 时钟系统的搭建即需要将时钟信号覆盖到网络中的各个设备和终端中。因此, 需要分清系统中所需要的时钟信号有哪些, 这些信号分别采用哪种方式接入系统。

我厂的控制系统在时钟上基本分为两种:一种是S O E信号所需要的标准脉冲对时信号;另一种是以统一不同系统之间的时间为主要目的的标准时间信号。时钟信号来源于全球卫星定位系统G P S, 信号源通过GPS ANTENNA送入转换器GAPD (ES-AB1A/P) 然后送入全厂主时钟MASTER CLOCK (ES-103) 在通过IRIG-B协议分线器 (ES-242) 分流到四个出口, 在通过四个出口分别送往#1号机, #2号机, #3号机及公共系统的TymServe2100时间服务器。这一部分的构成结构系统图如图3所示。

G P S时间信号经过雷达信号转换成IRIG编码信号, 在经过同轴电缆将IRIG编码信号送入I R I G分线设备, 分别送往#1机, #2机, #3机和C O M M O N系统的TS2100设备。

TS2100即TymServe2100是一种多功能的时间服务器。服务器主要功能是将标准时间利用NTP协议覆盖到TCP/IP网络内。服务器的时间信号源可以是以下几种:GPS, NIST, CDMA和IRIG-B。我厂的TymServe2100服务器在获得外部时间信号时对上使用同轴电缆传输I R I G-B编码, 在分发信号时对下使用以太网N T P协议。此外, TymServe2100也自带了高性能晶振体, 即使出现外部标准时间信号接收过程中出现异常, TymServe2100作为计时器的功能依然可以正常使用。除了能够把收到的时间信号作为标准时间覆盖到T C P/I P网络上外, 服务器还提供了标准秒脉冲信号接口。因此, T S 2 1 0 0能够作为我厂两类对时信号的服务器使用。图4显示了我厂的TCS系统使用TS2100作为时间服务器的连接方式。

一套完整的时间服务器系统由上述两部分组合而成。GPS盘通过J1-TC接口将IRIG-B格式编码发送到TS2100。TS2100把IRIG-B编码转换为NTP协议的信号后通过网线接口P1-10BASE-T进而覆盖在系统的以太网上。我厂的时钟系统并没有像图一和图二那样采用双冗余的结构, 而是仅仅覆盖在P网上。

标准的秒脉冲信号从J4-1PPS OUT接口利用同轴电缆送到三菱提供的模块FXPDM01上。FXPDM01模块是脉冲分发模块, 其功能是将一个输入脉冲分成多个与输入同步的脉冲输出, 输出的信号用两根普通电缆输出即可。在我厂系统中, 只需将分发出来的脉冲信号接入S O E模块的脉冲输入通道就可以实现每秒钟S O E模块的对时功能。

模块F X R Y M 0 1是一个继电器联锁模块, 其功能是通过15针串口侦测CPU模块状态, 串口连接在Netmation的系统I/O卡上。卡件检测连接状态, C P U状态, 并将标准脉冲送往C P U组件。通过上述这种系统构造, 实现了CPU和SOE卡之间的时钟对时。

4 时钟信号及通信协议介绍

我厂的时钟系统主要采用的时间编码是IRIG-B, 覆盖整个TCP/IP的时间信号采用的是S N T P协议, 下面分别对时间编码IRIG-B和通信协议NTP进行简单的介绍。

4.1 IRIG-B编码

IRIG-B编码全称是:InteRange Instrumentation Group, 是一种描述时间的编码格式, 长度为100bit, 记录了时间的年、月、日信号及秒信号。

4.2 SNTP协议

SNTP协议全称是:Simple Network Time Protocol是用来使计算机时间同步化的一种协议, 它可以使计算机对其服务器或时钟源 (如石英钟, GPS等等) 做同步化, 它可以提供高精准度的时间校正 (L A N上与标准间差小于1毫秒, W A N上几十毫秒) 。本协议是NTP协议的一个简化版本, 不支持复杂的网络关系间多层级的时间信号分派, 只适合简单的网络结构。TS2100不需要进行专门的S N T P协议的相关软件安装就能够作为简单网络机构中的时间服务器。

4.3 3PPS

PPS即:Pulse Per Second, 每隔一秒钟发送一个标准时间脉冲用于系统每秒钟的自动对时。

5 组态过程

完成网络机构的搭建后要在网络中运行N T P协议, 才能够实现机组的时间信号对时。下面按照步骤介绍一下我厂的时间信号对时的实现方式。

5.1 正确安装TymServe2100为NTP时间服务器

因为采用S N T P协议, 所以只需要对已经安装好的TymServe2100进行自身的简单配置就可以实现其作为S N T P客户机的功能。

安装好TymServe2100后, 用串口连接计算机和TymServe2100。点击计算机的开始→附件→HyperTerminal (超级终端) 。配置所连接的串口的通信参数。通信配置完成后进入系统设定。

5.2 设置MPS控制柜为NTP客户机

三菱公司Netmation控制系统的MPS提供了对C P U卡的Telnet通信连接方式, 利用简单的设置就可以把M P S的C P U卡

设置为N T P客户机, 设置步骤如下。

在已经连接到M P S的电脑终端上打开Telnet程序。进入目标MPS后, 界面内的提示符应该是idol++>输入set clock指令, 根据格林威治时间 (GREENWICH MEAN TIME) 输入具体时间。然后输入DATE检查是否正确, 输入EXIT退出, 重启CPU卡。

5.3 设置OPS终端和EMS终端为NTP客户机

在P C上安装一款NTP软件, 我厂所用软件是三菱自带的MhiNtpClient.exe, 程序运行后进入Windows操作系统的Services列表, 检查MhiNtpClient服务是否已经启动。启动该服务即可。

5.4 系统组态

ORCA View是Netmation控制系统中使用的组态软件。利用本软件可以对系统中的N T P服务进行组态。组态方法如下。

(1) 打开ORCA View, 进入ORCA View的HMI窗口。

(2) 在[Folder for common function]下创建一个[Time management function]对象。

(3) 打开[Time management function]对象的属性对话框, 在属性对话框里进行设置。关键参数有:T I M E Z O N E (时区) , DAYLIGHT Saving, NTP redundancy, NTP Server address (时间服务器的IP地址) 。

(4) 在[Time management function]下面分派作为NTP客户端的PC设备, CTRL+左键的拖拽方式把要加入本N T P协议的设备 (包括OPS电脑, ACS电脑, 就地MPS) 图标拽到[Time management function]目录下面;然后在[Time management function]一级右键下装即可。

6 状态检查

(1) TymServe2100提供了IE的简单的连接方式, 任选一台已经安装配置好的P C终端, 打开IE, 输入TymServe2100的IP地址, 在I E中检查相关参数是否正确。

(2) 在OPS中运行程序WSManage, 检查OPS的系统时间, OPS显示的事件列表时间和O P S做出来的趋势时间是否完全相同。

7 结语

时间服务器在系统中的作用是重要的, 对于我厂这种较为分散的系统, 各个系统之间的时钟统一在系统中就显得更为重要了。因为信号在不同的系统之间通过通信进行传输的时候会有一定的时间延时。以我厂的实践看来, 不同系统间的通信延时也就是从信号初始进入D C S系统到转移到其他系统时的通信延时可达到100ms级。在某些事故分析需要严格的分析时序时, 这中1 0 0 m s级的延时就不能接受。这时找到信号的初始进入系统点, 就变得非常重要。我们也据此对逻辑进行过优化以确保重要的信号在进入D C S系统时的初始进入点就有事件的记录;这一优化为之后的事故分析提供了更加可靠详实的依据。

摘要：本文通过实例阐述了三菱M701F燃气轮机在Netmation控制系统下利用GPS设备和以太网搭建的时钟同步系统的基本结构、系统特点、协议说明和组态过程。

关键词：时钟同步,NTP协议,IRIG-B时间编码,Netmation控制系统