基于GSM协议的联合循环机组MARK 系统与NT6000系统通讯的实现
文章作者：控制系统事业部/王健
一、 MARK Ⅵ系统概述
GE公司做为当今世界上第一燃气轮机制造厂，以其几十年燃机制造和控制方面的经验，在原Mark V基础上升级的SPEEDTRONIC系列Mark Ⅵ控制系统已经普遍应用于GE各种类型的燃机控制系统上。它积累了GE经过长期应用验证的成功的透平控制、保护和顺序控制设计思想具有配置荣誉化、硬件积木化、软件模块化、控制组态化、操作人性化诊断全面化等特点，特别是控制模件（R,S,T）和保护模件（R8,S8,T8）的三冗余TRM(Triple Modular Redundant)结构，软件容错功能SIFT(Software Implemented Fault Tolerant)等，具有明显的特点，和通用性分散控制系统（DCS）相比可靠性更高。
二、 MARK Ⅵ系统网络结构
Mark Ⅵ控制系统网络分为数据通讯网络，即PDH网、UDH网和IONET网。
Mark Ⅵ控制系统是基于网络层次结构而构建的，他用来连接个体节点，这些网络根据个体功能把不同的通讯信息分配给不同的层次。这些层次包括企业层、监督层、控制层、IO层。企业层：由DCS从厂级数据高速公路(Plant Data Highway)经路由器或HMI数据服务器向局域网发送数据；监督层：通过管理层中的HMI操作员能远程数据采集和操作监视机组的运行；控制层：由、设备数据高速公路(Unit Data Highway)等组成，与之间的通讯通过控制层之间实现；IO层通过IONET网实现与模块之间的通讯。每层的通讯协议各不一样，MARK Ⅵ系统通过通讯网络把IO组件、、HMI、MIS等联系在一起。
MARK Ⅵ系统网络结构示意图
对于小型的系统，HMI Servers与HMI Viewer功能合并，PDH往往由UDH兼带。
2.1 工厂数据高速网络PDH(Plant Data Highway)
PDH采用TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)即传输控制协议/网际协议的通讯协议，其通讯方式为广播式，具有载波、多路访问/碰撞检测CSMA/CD(Carrier Sence Multiple Access/Collision Detection)功能，允许共享一条传输线的多个站点随机访问传输线路，各站点平等竞争，使用32位CRC(Cyclic Redundancy Check循环冗余校验)的误码校验技术。
PDH网络速度为100Mb/s，最多可挂1024个接点，相邻两节点间当采用双绞线时最长可传输100米 ，采用光缆时则最长可传输2000米 。
PDH是系统用来将HMI（Human Machine Interface）服务器与操作员站、打印机、历史数据站等联网，实现对机组监控。PDH也用于与非GE系统如DCS或第三方控制设备之间进行数据通讯。PDH与DCS通讯的协议有Ethernet TCP/IP GSM Ethernet 、TCP/IP Modbus slave 和RS232/ 485 Modbus RTU等多种。
2.2 设备数据高速网络UDH(Unit Data Highway)
UDH用于之间的通讯，它不直接对外开放。它提供燃机、汽机、发电机励磁EX2100、静态启动器LCI等之间高速的端与端对等通讯。
UDH是一个以以太网（Ethernet）为基础的网络，采用UDP/IP(User Datagram Protocol/Internet Protocol)即用户数据报协议/国际协议，协议标准为EGD(Ethernet Global Data)以太网全球数据协议。与PDH一样，UDH通讯方式也为广播式，使用CSMA/CD技术，也使用32位CRC循环冗余校验的误码校验技术。它可接收GPS（Global Position System全球定位系统）信号实现时钟同步，支持的同步信号为：IRIG-A,IRIG-B,NASA-36,定时脉冲等，精度可达±1ms。
UDH最多可支持10个节点，网络速度为100Mb/s，相邻两节点间当采用双绞线时最长可传输100米 ，采用光缆时则最长可传输2000米 。
尽管UDH 支持不同之间控制参数通讯，但是每个控制回路都在各自的内完成。另外为了确保可靠性，之间以及来自DCS 的所有跳闸指令都通过硬接线连接。
UDH与PDH 之间是基于CIMPLICITY图形界面和Windows操作系统的服务器（HMI），这些服务器作为就地/ 远程的操作员站或工程师站，用于人机通讯以及控制维护。
2.3 I/O总线(IONET)
IONET是以Ethernet为基础的用于Mark Ⅵ 控制柜内三个控制处理器、三个保护模块以及扩展模块间通讯的网络，该网络也是三冗余的。
IONET使用的是ADL (Asynchronous Drives Language)即异步设备语言对数据进行表决。它是一种主/从式通讯结构，VCMI通讯卡作为主站来挑选哪个从站进行数据传输，使用32位CRC的误码校验技术，网络速率为10Mb/s，最多可支持16个节点，相邻两节点间当采用同轴电缆时最长可传输185米 ，采用光缆则最长传输2000米 。
三、 MARK Ⅵ系统与NT6000 DCS系统的连接
通过对Mark Ⅵ控制系统三条网络特点和作用的分析，以及系统安全可靠性考虑Mark Ⅵ可以通过PDH或HMI本身与DCS系统实现通讯。有三种方式可以实现与其他DCS系统的连接。
从人机接口服务器RS-232端口或者可选的专用网关到DCS串行Modbus从机连接，支持MODBUS RTU和MODBUS ASCⅡ模式；
通过Modbus从机借助TCP/IP协议实现高速的100MB以太网连接；
借助TCP/IP协议通过一个称为GEDS标准消息（GSM）的应用层来实现高速100MB以太网连接。
GSM支持涡轮控制命令、MARK Ⅵ数据和警报、警报静音功能、逻辑事件、以及精度为1ms的触点输入事件记录。MODBUS被广泛地应用于DCS连接，但是以太网GSM的优势在于其集成度更紧凑些。
对于小型的系统，一般不设置PDH，MARK Ⅵ不直接传递数据到SIS或MIS，而是先通讯至DCS，由DCS集成所有数据，统一与SIS设置接口。
3.1 三种通讯方式对比
三种通讯方式各有优缺点：
串行MODBUS：通讯实现性慢，不能集成所有数据，组态较麻烦，受外界干扰影响大，可靠性差，其优点是通讯协议支持大多数分布式控制系统；
以太网MODBUS：集成度差，不能集成所有数据，组态较麻烦，可靠性差，但和串行MODBUS一样被广泛地应用于各分布式DCS系统；
以太网GSM：集成度高，可以集成包括事件记录、警报记录、SOE等所有数据，组态方便，通讯速度快，效率高，可靠性高，缺点是通用性差；
MARK Ⅵ系统与DCS系统连接示意图
基于Modbus的通讯，只是简单地进行数据的传输，由于各方面的约束Modbus通讯并不能有效地实现从DCS到MARK Ⅵ的全面控制，要进行彻底的系统对接DCS必须要通过GSM方式与MARK Ⅵ通讯。
3.2 基于以太网GSM协议的MARK Ⅵ系统与NT6000系统的连接
GE提供的GSM（GE Industrial Systems Standard Messages）应用层协议是由GE人机接口服务器，通过PDH或UDH的平台与DCS的数据服务器进行交接，GE的人机接口服务器是以太网GSM通信的源头。GSM支持四类应用程序级的消息。
管理消息：从人机接口向DCS发送，它带有一个支持设备信息，用来说明可以用于该连接的通讯的系统以及常规通信连接的可用性。
事件驱动的消息：在出现或消除系统警报或者系统记录、或者触点输入（SOE）闭合或开启的时候从人机接口自然发送到DCS。每个逻辑点的发送都通过一个个头时间标记来完成。
周期数据消息：是具体的数据点组，由DCS定义，并由一组时间标记发送。在MARK Ⅵ控制设备中所有的5000个数据点都可以以1s的周期速率向DCS发送。DCS可以借助的名称和点名称来定义一个多个数据列表。
公用请求消息：包括涡轮控制命令和警报队列命令。它们从DCS发送到人机接口。涡轮控制命令包括瞬时逻辑控制命令（比如升级和启停命令）已经模块设置点目标命令。警报队列命令包括静音、设备警报喇叭和重置命令已经警报堆存请求，这些请求能够使整个警报队列从MARK Ⅵ控制设备发送到DCS。
通过GSM通信，DCS能够监视涡轮的所有运行状况，并能对其进行控制，并能对MARK Ⅵ系统的运行状况，机组报警等监视和干预。而Modbus通信则不能实现GSM的所有功能，在大多数情况下，GSM通信则是必须实现的。
NT6000系统的GEGSM接口软件负责实现与GE的GSM通讯。GEGSM接口软件通过Ethernet TCI/IP GSM协议，取得GE Mark VI控制系统的实时数据和事件、报警等到数据，同时对外提供OPC或DDE数据服务。为适就系统如工程单位转换等需要，接口软件中集成了一般数据运算功能，如：加、减、乘、除、开方等。DCS系统与Mark VI控制系统的数据交换示意图如下：
GEGSM DDE/OPC Server程序运行界面
通过GSGSM OPC/DDE Servers接口软件解决了DCS不能直接与非标准协议GSM通讯的难点，为实现联合循环机组监控信息一体化奠定了基础。本方案已经成功应用于实际项目。上图为某项目GEGSM通讯的实时界面。GE全部4类信息通过该软件分组周期性地数据交换。整个通讯量为一千二百多点，通讯采样周期1s，通讯可靠稳定。DCS对燃机系统进行监控，同时由DCS统一上传所有数据至厂级信息监控系统，实现了一体化的目标。
3.3 基于GSM协议通讯的意义
目前天然气发电作为新能源的一种，正越来越多地受到关注和提倡，天然气发电的份额正慢慢加大。GE作为燃机行业的领先者，天然气联合循环机组的DCS系统越来越重视与MARK Ⅵ系统的通讯。同时随着DCS系统国产化的进程，是否支持GSM通讯已经成为国产DCS系统性能的一项硬性指标。与GE燃机MARK Ⅵ系统实现基于GSM通讯的NT6000系统必会在天然气联合循环机组领域内取得领先。
