阿尔斯通:用于工厂控制系统的以太网

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阿尔斯通控制系统Alspa ControPlant专为能源应用而设计，对工业应用的可靠性和可用性要求最高。阿尔斯通是一家能源管理、发电和铁路运输系统的供应商，使用Alspa ControPlant作为其分布式控制系统(DCS)。将Modbus和以太网Powerlink集成到DCS系统中，使网络成为控制系统的中心部分。

Modbus TCP和Ethernet Powerlink作为Alspa ControPlant控制系统的现场总线。阿尔斯通的这一决定要求将Powerlink技术特性集成到控制系统中。这些特性中最重要的是冗余，这是阿尔斯通作为系统标准实现的。Powerlink的冗余性和确定性为电厂过程的开环和闭环控制提供了必要的可用性。

阿尔斯通控制器拓扑运行在快速以太网交换网络中。

现场网络主要位于控制室，行业限制较少，一般基于标准的快速以太网交换网。容错的环形拓扑结构保证了高可用性。不需要确定性，因为标准以太网与IP协议(TCP/IP和UDP/IP)一起使用。单位网络的速度为100mbits /s或1gbits /s，由光纤或铜线组成。

现场网络和连接的设备位于现场级别，具有最高的约束。高速以太网通过提高网络性能来满足电力市场新应用的需求。为了达到这一性能水平，阿尔斯通选择了两种技术，一种没有确定性约束，另一种具有高实时确定性要求。对于其不确定的现场网络，阿尔斯通选择了Modbus TCP，因为它对第三方设备开放。

阿尔斯通在综合电厂、电力生产服务和空气质量控制系统方面处于世界领先地位。

实时确定性现场网络允许分布式I/O连接，简化的架构将调节过程集中在单元控制器内，降低了安装、维护和工程成本。实时和确定性网络的使用允许通过网络进行时间同步和时间戳，从而消除了向现场控制器发送同步信息和信号的外部特定电线的需要。

采用新架构的原因

将整个网络架构建立在以太网上有几个优点:

• 用户可以标准化网络设备和协议(TCP和UDP/IP);

• 尽管由于需要有源网络设备(交换机和集线器)而增加了网络成本，但由于分散的架构、标准化的设备和协议、减少的布线(仅以太网、总线拓扑)和设备的网络同步，总体成本降低了;

• 由于以太网社区的研发投资，使用标准以太网技术可以在不增加研发成本的情况下跟上以太网的发展。

Alspa系统基于特定的硬件组件和标准网络。

Powerlink是一种基于标准以太网组件的软件解决方案，兼容标准以太网设备。它允许使用光纤技术访问几公里外的设备。光纤还允许网络位于电磁干扰区域。

高可用性

以太网电源链路标准化组(EPSG)的开放性使阿尔斯通能够分享高可用性控制系统的专业知识。阿尔斯通通过将其“高可用性”特性纳入标准，为Powerlink的发展做出了贡献。由阿尔斯通领导的高可用性技术工作组将这些功能作为现有Powerlink标准的附加组件引入，避免修改当前的Powerlink规范，并保持与现有设备的兼容性。

Powerlink的高可用性特性已通过最先进的模型检查得到验证和验证。模拟验证了计算结果，并测试了许多场景下的系统功能。

阿尔斯通实施的Powerlink网络显示了控制发电厂过程所需的网络可用性水平。发电厂的关键应用必须确保在控制硬件故障或电缆损坏的情况下防止功能中断。如果一台具有控制功能的PC机发生故障，第二台机器需要“注意”到故障，并承担故障机器的任务，防止可能导致的操作延迟。阿尔斯通采用电缆冗余技术，便于故障检测和定位，避免数据丢失、周期丢失和重新配置时间。

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请参阅下面有关阿尔斯通，其能源管理业务和Alspa分布式控制系统的更多信息。

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阿尔斯通和EMB

阿尔斯通是发电和铁路运输设备和服务的全球领导者。在发电领域，阿尔斯通在综合电厂、发电服务和空气质量控制系统方面处于世界领先地位。该公司提供全球27%的发电能力，涵盖所有能源(天然气、煤炭、可再生能源和核能)。阿尔斯通电力包括五大业务:工厂、涡轮机械、能源和环境系统、水电和新能源管理业务(EMB)。EMB提高了从燃料供应到电力生产和消费的能源基础设施的效率。作为阿尔斯通产品组合的补充，EMB符合其清洁能源和工厂集成商tm战略。目前的发展将进一步加强阿尔斯通在清洁发电方面的地位，通过引入新技术来实时监测和控制传统工厂的空气质量，以及可能配备碳捕获和储存的新清洁煤工厂。随着碳交易计划的发展，工厂管理解决方案将需要与碳登记和市场灵活整合。

EMB专注于四个关键技术领域的专业知识:

-自动化-包括工厂DCS，机器控制和仪表

-工厂管理-包括工厂和调度优化，资产状态监控和模拟

-电网连接和变电站工程-包括隔离相控母线管道

-电力电子-包括励磁，自动电压调节和无功功率控制。

EMB提供交钥匙能源管理解决方案，以优化整个能源价值链的能源效率，例如在以下领域:

-通过工厂的有效自动化和控制以及新的发电厂管理软件应用套件来管理工厂调度，工厂资产管理以及实时工厂模拟，提高了工厂效率。

-工厂可用性提高工厂运行的灵活性，以便在适当的时间向电网提供适量的电力。这意味着提供一天几次的上下功率的能力。

—电能质量使客户能够提供所需的电能质量，无论是与电网频率(有功功率)还是与电压管理(无功功率)相关。

在EMB中，阿尔斯通设计了一个完整的产品线，用于控制系统，称为Alspa。阿尔斯通的Alspa CONTROPLANT DCS系统专门用于发电市场。

Alspa

Alspa系统由灵活开放的分布式体系结构组成，基于特定的硬件组件和标准的通信网络。Alspa产品支持工厂运行的核心功能，因此受益于多种安全性和可用性功能，如自检，控制器和通信冗余，同步和时间戳到1毫秒，容错性，以及在控制室设备丢失的情况下继续自主运行。Alspa产品可用于DCS(热力、水力、核能等)和机器控制。对于机器控制，Alspa包括以下控件:

- Alspa Field Controller

-锅炉控制和保护及燃烧器管理系统:Controflame

-汽轮机控制器:控制蒸汽

-燃气轮机控制器:Controgas

-发电机控制器，AVR和励磁:自动电压调节器:专用于交流发电机的励磁调节:控制器。

控制系统主要由三个部分组成:

-控制室人机界面及其软硬件;

-工程工具管理整个电厂的一致工程设计，包括:DCS，机器控制和具有单点入口和独特数据库的模拟器。

-执行控制和保护功能，并与过程相连。多功能控制器和现场控制器提供了许多优点，例如减少现场布线，容忍故障和易于扩展系统。

所有这些元素都是通过快速以太网连接起来的。

作者信息

Stephane Potier和Emma Cameron就职于法国马赛的阿尔斯通电力公司。

关于健壮的工业以太网基础设施的提示

Belden公司产品开发工程师Brian Shuman表示，通信网络布线、连接和有源组件的环境硬化设计是卓越网络性能、可靠性和正常运行时间的关键。

“实现工业以太网的一个主要挑战是确保基础设施足够强大，能够承受恶劣和苛刻的环境，”舒曼说，并为构建强大的工业以太网基础设施提供了建议。

计算停机时间的实际成本:分析人士报告说，工业运营中很大一部分计划外停机是由网络基础设施故障引起的。一份报告称，72%的网络故障可归因于OSI(开放系统互连)第1层(物理介质)、第2层(数据链路)和/或第3层(网络)的故障。数据传输组件中的物理损坏或电气故障可能导致不可靠的网络性能、安全问题、数据丢失、系统停机或故障，造成数百万美元的损失。

评估环境风险:环境风险可能包括物理压力因素，如极端温度、湿度、湿气、灰尘/污垢、油、溶剂和腐蚀性化学品。机械和电气压力源可能包括剧烈振动、工厂车间车辆、EMI/RFI干扰和雷击。所有这些都会严重降低组件的物理完整性，并导致间歇性中断或停机。

指定工业级组件:商用现货(COTS)以太网电缆和硬件不能承受恶劣和潜在危险的工业环境。坚固耐用的工业级组件在较长的使用寿命内提供最佳性能，通常为10至30年，明显超过COTS产品。

端到端集成设计:指定能够提供适合应用程序和环境条件的高质量端到端以太网框架的供应商的基础设施组件。欲了解更多信息，请参阅百通白皮书，网址为www.belden.com/industrial。

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