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摘 要：火力发电厂的汽水系统是由锅炉、汽轮机、凝汽器、高低压加热器、 凝结泵和给水泵等组成，汽水系统在整个火力发电厂中核心部分，本文研究MCGS软件实现火电厂汽水系统组态，以及利用现场总线技术实现设备通信，同时分析现场总线技术在火电厂的应用前景。
关键词：汽水系统；MCGS；传感器；现场总线
一、火力发电现状及汽水系统
火力发电是现在电力发展的主力军，在现在提出和谐社会，循环经济的环境中，我们在提高火电技术的方向上要着重考虑电力对环境的影响，对不可再生能源的影响，虽然现在在中国已有部分核电机组，但火电仍占领电力的大部分市场，近年电力发展滞后经济发展，全国上了许多火电厂，但火电技术必须不断提高发展，才能适应和谐社会的要求。炉、机、电是火电厂中的主要设备，亦称三大系统。与三大系统相辅工作的设备成为辅助设备或称辅机。主机与辅机及其相连的管道、线路等称为系统。汽水系统是火电厂的三大主要系统之一。
而作为火力发电厂核心部分，汽水系统占据重要地位；火电厂要求对汽水系统的各项参数进行实时监测，但考虑到现场高温高压的恶劣环境及保障安全等问题，工作人员是不可能在现场采集数据的，因此考虑用MCGS汽水系统进行组态，通过有好的界面模拟现场环境及相关传感器，如温度，压力传感器与数据库的连接，实现汽水系统的在线监测。
二、通用MCGS组态软件
1.组态软件功能特点
“组态”一词最早来自英文Configuration，为模块化的任意组合，即使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置自动完成特定任务，达到使用者要求的目的。组态软件是面向监控与数据采集（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方便、灵活，功能强大.
组态软件的功能可归纳如下：
（1）设计者可以在计算机中方便地绘制出反映被控对象状态的丰富的图形界面来描述工业控制现场；
（2）使用图形化的控制按扭来实现各种组态；
2.MCGS
MCGS（Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统）是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。
MCGS组态软件包括三个版本，分别是网络版、通用版、嵌入版。
MCGS6.2通用版无论在界面的友好性、内部功能的强大性、系统的可扩充性、用户的使用性以及设计理念上都有一个质的飞跃，是国内组态软件行业划时代的产品，必将带领国内的组态软件上一个新的台阶。
三、MCGS6.2通用版在火电厂汽水系统的应用
下面以一个例子说明组态软件在火电厂汽水系统中的应用
1.原理
以PC机和MCGS组态软件作为硬、软件环境，实现动画显示、定义实时数据库、编制控制策略、输出实时曲线、历史曲线，菜单设计、外部设备连接等。
2.目标
（1）建立一个新的工程，组态界面友好的画面；
（2）实时显示高低压加热器压力，并用实时曲线跟踪显示锅炉及过热器的温度；
（3）对高低压加热器实现压力过高或过低报警，并用报表显示实时数据；
（4）编辑脚步程序实现系统的自动循环工作。
3.图1为火电厂汽水系统示意流程图
图1 火电厂汽水系统示意流程图
四、设备通讯
1.传感器
要实现与火电厂汽水系统现场数据的连接，首先需要利用传感器现场的数据进行采集。
火电厂的现场会用到很多温度，压力传感器，温度传感器是指能感受温度和并转换成可用输出信号的传感器。
温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。压力传感器测量介质压力，差压传感器测量锅炉内的压力。
2.现场总线技术
对火电厂的现场控制可以运用现场总线技术，作为一种新兴技术，现场总线技术在石化、冶金、化工、楼宇等多个行业有着广泛的应用，随着认识的提高和技术的发展，在电力行业也开始得到了大规模的应用，实践证明，现场总线技术在火电厂的应用能够满足运行要求、系统可靠稳定，能够大大提高现场设备的信息化水平，与火电厂传统控制方式相比较，在运行维护和设备诊断方面具有明显的优势，而且使得全厂管控数字化、全生命周期的设计、施工、运行等方面更为方便，能够大大节约运行维护成本和推进火力发电厂的数字化进程。
现场总线是一种工业数据总线，是连接智能现场设备和自动化系统的高可靠的数字式、双向传输的通信技术，可方便地构成全数字化的分布式现场控制网络。对于防护工程这种工程轴线长、监控测点分散的系统，特别适合采用现场总线技术构成工程的分布式智能化控制系统。
现场总线的网段的设计对火力发电厂现场总线控制系统安全运行至关重要，除了要考虑机组现场总线设备的数量、地理分布、功能和各工艺系统外，还要通过各设备现场布置位置和其隶属工艺系统的相关性进行网络分段设计，确定总线系统的网络覆盖范围、各支路的设备数量、长度和支路总数等。通过工程实践，大家一致认为对火电厂网络分段进行设计时应遵循以下原则： （1）对仪表进行精确定位，明确设备间的关系，互为备用关系、控制关系或调节关系；冗余设置的现场仪表应接入不同网段，或相关驱动装置连接在不同的网段上。
（2）严格根据总线设备的功耗和总线的线损的计算结果来选择总线电源的负载能力。如是PROFIBUS总线，其总线接口形式是DP还是PA，或其它类型，且应该根据设备负载，计算总线负载能力是否足够。
（3）设计网段设备数量与现场通讯箱布置位置及数量时要充分考虑工艺专业的要求和总线设备芯片的处理速度，并认真核对每条总线支路的设备类型、数量和总线支路的响应时间，同时对工艺系统中重要的现场总线设备进行分析，特殊分段，保证对各总线网段的设计安全可靠。
（4）网段设计和设备配置还要严格执行现场总线通信标准规定，而且各网段的现场总线设备挂接数量不应超过该总线标准规定最高限值的60%，一般以40%～50%为宜，每个现场总线网段的设计（由设计院与控制系统供货商共同完成）至少应包括：网段长度、电缆特性、设备的集中带来的信号衰减、跳线长度、设备阻抗或电流消耗、每个设备的计算电压、包含的中继器、通讯参数（计时器）、通讯速率、设备地址等信息，并应要求相应的设备厂商提供用于证实的宏循环周期时间专用测试、计算工具或计算方法。
工业中常用的现场总线结构有LonWorks总线技术和PROFIBUS总线技术。
（1）在各种现场总线中，LonWorks总线技术以其在技术先进性、可靠性、开放性、拓扑结构灵活性等方面独特的优势，为火电厂的监控系统提供了很强的实现手段。网络接口卡是主计算机与LonWorks网络的接口，使计算机能够完成与LonWorks节点之间的数据交换。在火电厂汽水系统的智能控制器中，可采用专门的嵌入式LonWorks现场总线接口卡作为嵌入式CPU与Lon- Works现场总线网络之间的接口设备。
（2）LonWorks现场总线网卡的工作过程。计算机与微控制器之间数据交换接口的应用程序框图如图2和3所示在程序框图中，主要实现了计算机与微控制器之间读写数据、置标志位和清除标志位的功能。CPLD内部实现了存储数据和标志位的寄存器。
图2 主机写数据程序框图
图3 从机接收数据程序框图
（3） LonWorks现场总线网卡设备驱动实现。可以在Linux平台上开发和设计了火电厂汽水系统LonWorks现场总线网卡的软件。在Linux平台上实现对硬件的驱动支持可以有两种方式：一种是直接在用户空间来实现；另一种是使用Linux内核中提供的机制来实现。
3. PROFIBUS总线拓扑结构
该系统以西门子公司和ABB公司的相关产品阐述全数字交流调速系统在PROFIBUS-DP网中的通讯及控制机理。图4为PROFIBUS-DP网的一种典型配置，其中PLC为西门子公司的SIMATIC S7-315-2DP型和S7-200，交流变频器为ACS627型，NPBA-12为与之配套的通讯适配器，上位机中装有STEP 7软件，用于对S7-300 PLC编程和对PROFIBUS-DP网进行组态和通讯设置。用S7-315-2DP在PROFIBUS-DP网中作为主站（Master）时，可分别带像ACS627变频器从站（Sl***e）共32个。当然，从站也可以是其他现场智能设备，如S7-200、ET200系列。
ACS627型变频器与NPBA-12通讯适配器模块相连，接入PROFIBUS-DP网中作为从站，接受从主站S7-315-2DP来的控制。NPBA-12通讯适配器模块将从PROFIBUS-DP网中接收到的火电厂汽水系统的过程数据存入双向RAM中，双向RAM中的每一个字都被编址，在变频器端的双向RAM可通过被编址参数排序，向变频器写入控制字、设置值或读出实际值、诊断信息等参量。
图4 PROFIBUS-DP网的总线拓扑结构
根据目前现场总线在各个电厂的应用情况，在现场总线控制系统配置中可以按工艺特点把火电厂控制系统划分为多个子系统，一般情况下，现场总线要按照工艺系统来设计，对于物理空间相近又同属于一个工艺系统的设备应分布在一个网段上，调节回路控制策略和设备控制逻辑也按工艺系统划分，在各自的控制器中实现。对于采用现场总线方式的火电厂汽水系统，发生异常会对机组的安全运行带来很大的影响的电动机和阀门等设备，除了采用总线以外，主要的控制信号（位置反馈、分合闸指令）也采用了硬接线接入控制系统。这种采用硬接线和现场总线结合的方式，常规运行时采用现场总线控制，当总线和冗余总线同时故障而发生通讯中断的情况下，控制系统利用现场总线的诊断功能及时发现故障，自动切换到硬接线控制并报警，实现对这些重要设备的控制，不影响机组的正常运行。组态完成后，要想读取到现场数据 必须要有通讯端口才行， 但现在一般的对现场的传感器是不会有通讯端口的， 需要外加一定的模拟量转换数字量的设备， 然后MCGS和设备通讯才能读取到汽水系统现场的相关数据。比较高端的传感器比如流量计也有自带通讯端口的，这部分传感器可以直接和MCGS通讯。
五、论文总结
组态软件应用于火电厂的汽水系统，主要是保障锅炉的安全，稳定和经济运行，减轻操作人员的劳动强度；最重要的是这样不仅实现了汽水系统的远程监控，而且节省了大量的人力物力资源。而对于现场总线控制系统，作为目前最新型的控制系统，是一种全计算机，全数字和双向通信的新型控制系统，现场总线技术给自动化领域带来了一场革命，代表自动化的发展方向。从理论上讲，该技术必将会给火电厂安全经济运行及提高管理水平带来实实在在的的效益，是过去火电厂中使用的任何控制系统无法相比拟的。总线协议作为现场总线控制系统核心部分，已经在火电厂控制系统的通讯网络中成功运行，为现场总线控制系统在火电厂的推广应用打下良好的基础；但由于目前能满足火电厂控制要求的数字式智能现场装置的品种还很少，理论上的现场总线效益还不能充分发挥。因此，在大型机组上全面采用典型的现场总线控制系统的时机尚未成熟。
参考文献：
[1]曹辉、马栋萍、王睻、耿瑞芳.组态软件技术及应用[J].电子信息类
作者简介：
杜丹（1993.2～），女，贵州省贵阳人，贵阳市花溪区贵州大学，自动化专业，本科生。
关键词：汽水系统；MCGS；传感器；现场总线
一、火力发电现状及汽水系统
火力发电是现在电力发展的主力军，在现在提出和谐社会，循环经济的环境中，我们在提高火电技术的方向上要着重考虑电力对环境的影响，对不可再生能源的影响，虽然现在在中国已有部分核电机组，但火电仍占领电力的大部分市场，近年电力发展滞后经济发展，全国上了许多火电厂，但火电技术必须不断提高发展，才能适应和谐社会的要求。炉、机、电是火电厂中的主要设备，亦称三大系统。与三大系统相辅工作的设备成为辅助设备或称辅机。主机与辅机及其相连的管道、线路等称为系统。汽水系统是火电厂的三大主要系统之一。
而作为火力发电厂核心部分，汽水系统占据重要地位；火电厂要求对汽水系统的各项参数进行实时监测，但考虑到现场高温高压的恶劣环境及保障安全等问题，工作人员是不可能在现场采集数据的，因此考虑用MCGS汽水系统进行组态，通过有好的界面模拟现场环境及相关传感器，如温度，压力传感器与数据库的连接，实现汽水系统的在线监测。
二、通用MCGS组态软件
1.组态软件功能特点
“组态”一词最早来自英文Configuration，为模块化的任意组合，即使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置自动完成特定任务，达到使用者要求的目的。组态软件是面向监控与数据采集（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方便、灵活，功能强大.
组态软件的功能可归纳如下：
（1）设计者可以在计算机中方便地绘制出反映被控对象状态的丰富的图形界面来描述工业控制现场；
（2）使用图形化的控制按扭来实现各种组态；
2.MCGS
MCGS（Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统）是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。
MCGS组态软件包括三个版本，分别是网络版、通用版、嵌入版。
MCGS6.2通用版无论在界面的友好性、内部功能的强大性、系统的可扩充性、用户的使用性以及设计理念上都有一个质的飞跃，是国内组态软件行业划时代的产品，必将带领国内的组态软件上一个新的台阶。
三、MCGS6.2通用版在火电厂汽水系统的应用
下面以一个例子说明组态软件在火电厂汽水系统中的应用
1.原理
以PC机和MCGS组态软件作为硬、软件环境，实现动画显示、定义实时数据库、编制控制策略、输出实时曲线、历史曲线，菜单设计、外部设备连接等。
2.目标
（1）建立一个新的工程，组态界面友好的画面；
（2）实时显示高低压加热器压力，并用实时曲线跟踪显示锅炉及过热器的温度；
（3）对高低压加热器实现压力过高或过低报警，并用报表显示实时数据；
（4）编辑脚步程序实现系统的自动循环工作。
3.图1为火电厂汽水系统示意流程图
图1 火电厂汽水系统示意流程图
四、设备通讯
1.传感器
要实现与火电厂汽水系统现场数据的连接，首先需要利用传感器现场的数据进行采集。
火电厂的现场会用到很多温度，压力传感器，温度传感器是指能感受温度和并转换成可用输出信号的传感器。
温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。压力传感器测量介质压力，差压传感器测量锅炉内的压力。
2.现场总线技术
对火电厂的现场控制可以运用现场总线技术，作为一种新兴技术，现场总线技术在石化、冶金、化工、楼宇等多个行业有着广泛的应用，随着认识的提高和技术的发展，在电力行业也开始得到了大规模的应用，实践证明，现场总线技术在火电厂的应用能够满足运行要求、系统可靠稳定，能够大大提高现场设备的信息化水平，与火电厂传统控制方式相比较，在运行维护和设备诊断方面具有明显的优势，而且使得全厂管控数字化、全生命周期的设计、施工、运行等方面更为方便，能够大大节约运行维护成本和推进火力发电厂的数字化进程。
现场总线是一种工业数据总线，是连接智能现场设备和自动化系统的高可靠的数字式、双向传输的通信技术，可方便地构成全数字化的分布式现场控制网络。对于防护工程这种工程轴线长、监控测点分散的系统，特别适合采用现场总线技术构成工程的分布式智能化控制系统。
现场总线的网段的设计对火力发电厂现场总线控制系统安全运行至关重要，除了要考虑机组现场总线设备的数量、地理分布、功能和各工艺系统外，还要通过各设备现场布置位置和其隶属工艺系统的相关性进行网络分段设计，确定总线系统的网络覆盖范围、各支路的设备数量、长度和支路总数等。通过工程实践，大家一致认为对火电厂网络分段进行设计时应遵循以下原则： （1）对仪表进行精确定位，明确设备间的关系，互为备用关系、控制关系或调节关系；冗余设置的现场仪表应接入不同网段，或相关驱动装置连接在不同的网段上。
（2）严格根据总线设备的功耗和总线的线损的计算结果来选择总线电源的负载能力。如是PROFIBUS总线，其总线接口形式是DP还是PA，或其它类型，且应该根据设备负载，计算总线负载能力是否足够。
（3）设计网段设备数量与现场通讯箱布置位置及数量时要充分考虑工艺专业的要求和总线设备芯片的处理速度，并认真核对每条总线支路的设备类型、数量和总线支路的响应时间，同时对工艺系统中重要的现场总线设备进行分析，特殊分段，保证对各总线网段的设计安全可靠。
（4）网段设计和设备配置还要严格执行现场总线通信标准规定，而且各网段的现场总线设备挂接数量不应超过该总线标准规定最高限值的60%，一般以40%～50%为宜，每个现场总线网段的设计（由设计院与控制系统供货商共同完成）至少应包括：网段长度、电缆特性、设备的集中带来的信号衰减、跳线长度、设备阻抗或电流消耗、每个设备的计算电压、包含的中继器、通讯参数（计时器）、通讯速率、设备地址等信息，并应要求相应的设备厂商提供用于证实的宏循环周期时间专用测试、计算工具或计算方法。
工业中常用的现场总线结构有LonWorks总线技术和PROFIBUS总线技术。
（1）在各种现场总线中，LonWorks总线技术以其在技术先进性、可靠性、开放性、拓扑结构灵活性等方面独特的优势，为火电厂的监控系统提供了很强的实现手段。网络接口卡是主计算机与LonWorks网络的接口，使计算机能够完成与LonWorks节点之间的数据交换。在火电厂汽水系统的智能控制器中，可采用专门的嵌入式LonWorks现场总线接口卡作为嵌入式CPU与Lon- Works现场总线网络之间的接口设备。
（2）LonWorks现场总线网卡的工作过程。计算机与微控制器之间数据交换接口的应用程序框图如图2和3所示在程序框图中，主要实现了计算机与微控制器之间读写数据、置标志位和清除标志位的功能。CPLD内部实现了存储数据和标志位的寄存器。
图2 主机写数据程序框图
图3 从机接收数据程序框图
（3） LonWorks现场总线网卡设备驱动实现。可以在Linux平台上开发和设计了火电厂汽水系统LonWorks现场总线网卡的软件。在Linux平台上实现对硬件的驱动支持可以有两种方式：一种是直接在用户空间来实现；另一种是使用Linux内核中提供的机制来实现。
3. PROFIBUS总线拓扑结构
该系统以西门子公司和ABB公司的相关产品阐述全数字交流调速系统在PROFIBUS-DP网中的通讯及控制机理。图4为PROFIBUS-DP网的一种典型配置，其中PLC为西门子公司的SIMATIC S7-315-2DP型和S7-200，交流变频器为ACS627型，NPBA-12为与之配套的通讯适配器，上位机中装有STEP 7软件，用于对S7-300 PLC编程和对PROFIBUS-DP网进行组态和通讯设置。用S7-315-2DP在PROFIBUS-DP网中作为主站（Master）时，可分别带像ACS627变频器从站（Sl***e）共32个。当然，从站也可以是其他现场智能设备，如S7-200、ET200系列。
ACS627型变频器与NPBA-12通讯适配器模块相连，接入PROFIBUS-DP网中作为从站，接受从主站S7-315-2DP来的控制。NPBA-12通讯适配器模块将从PROFIBUS-DP网中接收到的火电厂汽水系统的过程数据存入双向RAM中，双向RAM中的每一个字都被编址，在变频器端的双向RAM可通过被编址参数排序，向变频器写入控制字、设置值或读出实际值、诊断信息等参量。
图4 PROFIBUS-DP网的总线拓扑结构
根据目前现场总线在各个电厂的应用情况，在现场总线控制系统配置中可以按工艺特点把火电厂控制系统划分为多个子系统，一般情况下，现场总线要按照工艺系统来设计，对于物理空间相近又同属于一个工艺系统的设备应分布在一个网段上，调节回路控制策略和设备控制逻辑也按工艺系统划分，在各自的控制器中实现。对于采用现场总线方式的火电厂汽水系统，发生异常会对机组的安全运行带来很大的影响的电动机和阀门等设备，除了采用总线以外，主要的控制信号（位置反馈、分合闸指令）也采用了硬接线接入控制系统。这种采用硬接线和现场总线结合的方式，常规运行时采用现场总线控制，当总线和冗余总线同时故障而发生通讯中断的情况下，控制系统利用现场总线的诊断功能及时发现故障，自动切换到硬接线控制并报警，实现对这些重要设备的控制，不影响机组的正常运行。组态完成后，要想读取到现场数据 必须要有通讯端口才行， 但现在一般的对现场的传感器是不会有通讯端口的， 需要外加一定的模拟量转换数字量的设备， 然后MCGS和设备通讯才能读取到汽水系统现场的相关数据。比较高端的传感器比如流量计也有自带通讯端口的，这部分传感器可以直接和MCGS通讯。
五、论文总结
组态软件应用于火电厂的汽水系统，主要是保障锅炉的安全，稳定和经济运行，减轻操作人员的劳动强度；最重要的是这样不仅实现了汽水系统的远程监控，而且节省了大量的人力物力资源。而对于现场总线控制系统，作为目前最新型的控制系统，是一种全计算机，全数字和双向通信的新型控制系统，现场总线技术给自动化领域带来了一场革命，代表自动化的发展方向。从理论上讲，该技术必将会给火电厂安全经济运行及提高管理水平带来实实在在的的效益，是过去火电厂中使用的任何控制系统无法相比拟的。总线协议作为现场总线控制系统核心部分，已经在火电厂控制系统的通讯网络中成功运行，为现场总线控制系统在火电厂的推广应用打下良好的基础；但由于目前能满足火电厂控制要求的数字式智能现场装置的品种还很少，理论上的现场总线效益还不能充分发挥。因此，在大型机组上全面采用典型的现场总线控制系统的时机尚未成熟。
参考文献：
[1]曹辉、马栋萍、王睻、耿瑞芳.组态软件技术及应用[J].电子信息类
作者简介：
杜丹（1993.2～），女，贵州省贵阳人，贵阳市花溪区贵州大学，自动化专业，本科生。