PROFIBUS DP現(xiàn)場總線在火電機(jī)組的應(yīng)用

邱深辰，羅浩，王異成

（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州310014；

2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

PROFIBUS DP現(xiàn)場總線在火電機(jī)組的應(yīng)用

邱深辰1，羅志浩2，王異成2

（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州310014；

2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

對PROFIBUS DP現(xiàn)場總線在660 MW超超臨界燃煤機(jī)組的應(yīng)用情況、現(xiàn)場調(diào)試以及問題處理情況進(jìn)行介紹和總結(jié)，以期為發(fā)電廠DP現(xiàn)場總線的推廣應(yīng)用及實(shí)際工作提供借鑒。

發(fā)電廠；PROFIBUS DP；現(xiàn)場總線

某發(fā)電廠新建2臺660 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，除重要保護(hù)以及重要設(shè)備的控制系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)硬接線的方式外，其他系統(tǒng)廣泛采用現(xiàn)場總線技術(shù)，單元機(jī)組總線控制對象數(shù)量達(dá)近千個。目前，機(jī)組已完成滿負(fù)荷168 h連續(xù)試運(yùn)并移交生產(chǎn)，DCS（分散控制系統(tǒng)）總體運(yùn)行平穩(wěn)可靠，現(xiàn)場總線設(shè)備通信控制工作正常。

1 DP現(xiàn)場總線概述

DP用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期性地讀取從站的輸入信息并向從站發(fā)送輸出信息，總線循環(huán)時間必須比主站程序循環(huán)時間短。可以通過RS-485雙絞線、雙線電纜或者光纖傳輸，一般近距離采用RS-485雙絞線或者雙線電纜，遠(yuǎn)距離傳輸時需用光纖，波特率范圍從9.6～12 MBit/s，一般選擇500 kBit/s。主/從站間采用主-從傳送，每段可掛接站點(diǎn)數(shù)為32個，最大允許站點(diǎn)數(shù)為126個。用戶數(shù)據(jù)點(diǎn)對點(diǎn)傳送，控制指令廣播傳送。每個DP從站的輸入/輸出數(shù)據(jù)最大為246字節(jié)。

一級DP主站是中央控制器，負(fù)責(zé)在預(yù)定周期內(nèi)與各分站交換信息；二級DP主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，負(fù)責(zé)DP系統(tǒng)組態(tài)，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。DP從站是就地的I/O設(shè)備、驅(qū)動器、閥門等，負(fù)責(zé)輸入/輸出信息采集和發(fā)送。任何一個DP主站均可讀取DP從站的輸入/輸出映象，但只有一個DP主站允許對DP從站寫入數(shù)據(jù)。

DP主/從站間的用戶數(shù)據(jù)傳輸是由主站按照確定的遞歸順序自動進(jìn)行，分參數(shù)整定、組態(tài)、數(shù)據(jù)交換3個階段。不同廠商的PROFIBUS設(shè)備都需提供GSD文件（電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件），GSD文件包含設(shè)備的I/O點(diǎn)數(shù)、診斷信息、波特率、時間監(jiān)視等功能參數(shù)。

圖1為DP總線的硬接線回路示意圖，2路DP總線回路冗余配置，分別連接現(xiàn)場總線設(shè)備并接入冗余配置的DP卡件，需注意在總線末端接入有源終端電阻。

2 DP現(xiàn)場總線調(diào)試

DP現(xiàn)場總線技術(shù)主要應(yīng)用于現(xiàn)場儀表、智能電機(jī)控制器、變頻器或者采用DP通信協(xié)議的PLC（程序控制器）。變送器、氣動閥門定位器可通過DP/PA耦合器連接到現(xiàn)場總線上，采用智能電機(jī)控制器的低壓電氣設(shè)備因具有現(xiàn)場總線通信接口功能，也可以采用現(xiàn)場總線技術(shù)。

以下介紹艾默生OVATION系統(tǒng)DP現(xiàn)場總線設(shè)備的調(diào)試方法和步驟：

（1）總線設(shè)備安裝和接線工作完成后，開始設(shè)備上電、地址設(shè)置、閥門通信方式參數(shù)配置、總線接口撥碼設(shè)置等配置，使用西門子BT200 DP設(shè)備手操器進(jìn)行總線線路的通斷檢查、屏蔽檢查、設(shè)備地址掃描等步驟，確?？偩€上每臺設(shè)備的地址都能夠掃描到，且信號穩(wěn)定。

（2）打開Ovation Developer Studio軟件，找到總線設(shè)備所在的Port端口，右鍵選擇Engineer項(xiàng)，并打開Ovation PROFIBUS Module的配置頁，完成以下參數(shù)配置：

Driver：勾選OCR 400 TCP。

OCR400 TCP：配置掃描范圍IP地址，一般按主/備控制器的IP地址進(jìn)行配置，開始IP為主控制器的地址，結(jié)束IP為備用控制器地址，如掃描范圍從192.168.4.1至192.168.4.51，掃描時間可設(shè)為默認(rèn)的1 500 ms，也可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

Device Assignment：設(shè)備分配選擇，主要是配置總線掃描端口路徑，路徑應(yīng)匹配總線接入的卡件位置，否則將掃描至其他端口的設(shè)備。

Bus Parameters：總線參數(shù)設(shè)置，總線類型為PROFIBUS DP，波特率默認(rèn)設(shè)定為1 500 kBit/s，可上下調(diào)整，建議不低于187.5 kBit/s，其他項(xiàng)默認(rèn)參數(shù)。

（3）總線配置完成后，連接并掃描總線設(shè)備。掃描到設(shè)備后，可以讀取設(shè)備的地址、DTM（設(shè)備類型）等信息，確認(rèn)無誤后Create Devices創(chuàng)建設(shè)備。

（4）創(chuàng)建的設(shè)備將在主窗口以圖標(biāo)形式掛在總線下。在Point Assignment列表中找到設(shè)備并更改為設(shè)計(jì)的KKS（設(shè)備編碼體系）以便識別。如果是在未掃到設(shè)備之前進(jìn)行設(shè)備配置，需要手動添加設(shè)備廠商類型，修改設(shè)備識別地址并添加設(shè)備模塊。

（5）在控制器的Packed Points文件夾下創(chuàng)建打包點(diǎn)，并將已創(chuàng)建的打包點(diǎn)匹配到每個設(shè)備對應(yīng)的slot通道中，注意數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式、長度，特別是字節(jié)順序是否需要翻轉(zhuǎn)。

圖1 DP總線硬接線回路

（6）邏輯組態(tài)：在定義了打包點(diǎn)后，需要將輸入/輸出打包點(diǎn)進(jìn)行打包與解包組態(tài)，并完成相應(yīng)的邏輯功能組態(tài)。輸入的打包信號通過UNPACK16算法塊解包，根據(jù)設(shè)備廠家提供的DP通信配置手冊查詢解包后的數(shù)字量信號的含義，每一位字節(jié)都代表不同的設(shè)備狀態(tài)信息。輸出的信號通過PACK16打包輸出，以廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù)至設(shè)備。另外一些模擬量反饋和指令可以通過SPTOSA和SATOSP算法塊進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)計(jì)算?？傊偩€信號的輸入/輸出應(yīng)按照設(shè)備通信轉(zhuǎn)換的要求完成相應(yīng)的邏輯組態(tài)，同一類型的設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可以做成宏的形式，根據(jù)需求進(jìn)行宏調(diào)用來完成組態(tài)。

（7）Load相應(yīng)的控制器，保持主/備控制器數(shù)據(jù)一致。

（8）連接設(shè)備，進(jìn)入診斷列表，查看總線診斷信息。主要關(guān)注主站運(yùn)行模式和狀態(tài)信息，主站在Operate運(yùn)行模式，說明主站工作正常。Stop模式為主/從站未建立通信，Offline模式則需要檢查DP卡件的配置情況；另外在站點(diǎn)診斷欄中，可以讀取各個從站設(shè)備的通信連接情況，綠色標(biāo)識即為通信正常。

（9）通信建立后，就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)交換。在組態(tài)中，可以讀取從站設(shè)備的狀態(tài)信息，如閥門的開關(guān)反饋、報(bào)警等信號，并且通過操作員畫面輸出指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制與監(jiān)視。

（10）DP設(shè)備冗余配置：Profibus DP支持冗余，每個冗余塊都位于相同網(wǎng)段上，但是只有1個模塊是主模塊。其他模塊處于備份模式，不控制段。通過網(wǎng)段端口關(guān)聯(lián)，將已完成總線設(shè)備掃描、創(chuàng)建、組態(tài)的一路設(shè)置為冗余A主路，另外一路設(shè)置為冗余B備路，備路不需要做組態(tài)配置，只需要檢查掃描到回路設(shè)備。冗余配置后下裝控制器，并模擬主路掉線進(jìn)行冗余切換試驗(yàn)，驗(yàn)證冗余的可靠性。

3 DP現(xiàn)場總線問題分析及處理

3.1 物理層回路故障

在安裝接線過程中，由于施工不規(guī)范，造成總線物理回路中斷、短路，或者屏蔽措施不當(dāng)，都會影響總線主/從站的通信，調(diào)試中主要發(fā)現(xiàn)以下問題：

（1）電纜或光纖斷路。

一般情況下，主/從站設(shè)備距離較近時，會采用RS-485雙絞線或雙線電纜設(shè)計(jì)，2路互為冗余的電纜由電子間Profibus現(xiàn)場卡至就地各從站總線設(shè)備，最終返回至電子間的有源總線終端器。若主/從站設(shè)備相距較遠(yuǎn)，使用長距離總線電纜信號衰減很大，因此，將遠(yuǎn)程的總線設(shè)備設(shè)計(jì)為光電轉(zhuǎn)接回路，并在就地配置總線箱，用于信號的轉(zhuǎn)換傳輸，同時將有源總線終端器安置在就地總線箱。由于回路的連接點(diǎn)較多或敷設(shè)不合理，造成電纜光纖損傷甚至斷裂，導(dǎo)致總線設(shè)備無法通信。檢查斷線的方法可以用萬用表歐姆檔或使用專用總線測試工具（如BT200手操器），來測試回路通斷，并用分段測回路阻值法，判斷回路的故障點(diǎn)，處理后重新檢查通斷情況。

（2）電纜短路或接地。

在調(diào)試過程中，使用西門子BT200手操器檢查回路，發(fā)現(xiàn)A（-）/B（+）線芯短路，或A/B線芯與屏蔽線短路的情況。正負(fù)短路時該網(wǎng)段通信全面故障，容易發(fā)覺。而屏蔽短路時會造成部分從站設(shè)備通信故障，并且時好時壞，不易判定。現(xiàn)場出現(xiàn)過多次閥門通信板接頭處屏蔽層未包扎固定牢固，造成正負(fù)線芯與屏蔽線短路的情況。

（3）電纜線芯正負(fù)極接反。

總線通信有正負(fù)極區(qū)分，一般標(biāo)準(zhǔn)雙線電纜的紅色線芯為B（正極），綠色線芯為A（負(fù)極），網(wǎng)段首尾的Profibus連接器內(nèi)部標(biāo)注了正負(fù)及顏色識別，DP從站設(shè)備的通信板接線端子也標(biāo)注了正負(fù)。安裝接線必須要嚴(yán)格參照執(zhí)行，否則會影響通信。

（4）從站設(shè)備通信板故障。

就地閥門等從站設(shè)備的總線通信板也是常見故障點(diǎn)之一，現(xiàn)場調(diào)試過程中多次發(fā)現(xiàn)不同廠商型號的閥門通信板發(fā)生故障，造成設(shè)備無法掃描通信。一般按照廠家要求更換通信板即可消除故障，恢復(fù)通信。

（5）通信傳輸距離超限。

總線中所有設(shè)備必須支持主站所設(shè)定的傳輸速率，同一網(wǎng)段總線設(shè)備的傳輸速率是相同的，可以在9.6～12 MBit/s做選擇。在脫硫吸收塔除霧器的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)部分閥門無法正常通信，就地測量接線回路均無斷路、短路的情況，而且使用BT200手操器可以識別設(shè)備。多次排查后發(fā)現(xiàn)該總線的通信速率為500 kBit/s，該速率對應(yīng)最大傳輸距離為400 m，而實(shí)際總線敷設(shè)長度大于該限值，存在信號衰減的情況。將速率值修改為最大支持距離1 000 m所對應(yīng)的187.5 kBit/s，成功解決了該問題。因此，調(diào)試中要依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際安裝距離適當(dāng)調(diào)整信號傳輸?shù)牟ㄌ芈省?/p>

3.2 參數(shù)配置錯誤

總線通信是主站和從站設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送過程，因此任何一方參數(shù)配置存在不合理，都無法建立正常的通信。在排除物理層連接故障的前提下，需對以下情況進(jìn)行檢查：

（1）從站地址配置有誤。

一個網(wǎng)段總線下掛接了很多從站設(shè)備，每一臺設(shè)備在完成接線上電后都需要按設(shè)計(jì)要求設(shè)置通信地址，比如Ovation現(xiàn)場總線的起始地址是從10開始，同一條總線下的每臺設(shè)備地址均為唯一，組態(tài)時掃描設(shè)備也是通過通信地址來識別設(shè)備。在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)部分設(shè)備誤設(shè)或漏設(shè)通信地址，造成設(shè)備無法識別組態(tài)。

（2）從站通信協(xié)議參數(shù)有誤。

智能執(zhí)行器一般適用于多種通信協(xié)議，總線型的閥門可在常規(guī)控制方式下使用。因此，在選擇總線型功能使用時，必須檢查通信參數(shù)配置，包括開關(guān)型和調(diào)節(jié)型的選擇配置。在調(diào)試中曾發(fā)生過羅托克的閥門開關(guān)反饋可以正常接收，但DCS側(cè)的開關(guān)控制指令無法正?？刂崎y門的情況，通過抓包工具獲取的數(shù)據(jù)與廠家閥門配置手冊比對后，發(fā)現(xiàn)閥門未按總線型配置。另外，還有將MEG調(diào)節(jié)型的閥門配置成開關(guān)型的情況。因此，閥門的各項(xiàng)參數(shù)需依據(jù)實(shí)際使用需求進(jìn)行配置，并與組態(tài)配置保持一致。

（3）主站參數(shù)配置有誤。

主站在進(jìn)行參數(shù)配置時，除了需要檢查掃描波特率、KKS命名要對應(yīng)設(shè)備、打包點(diǎn)創(chuàng)建類型/長度等符合廠家手冊要求外，還要特別注意字節(jié)是否翻轉(zhuǎn)，例如羅托克的閥門不需要字節(jié)翻轉(zhuǎn)，而EMG/AKD/科遠(yuǎn)等大部分閥門都需要字節(jié)翻轉(zhuǎn)（設(shè)置為swap bytes）?？烧{(diào)節(jié)型的DP執(zhí)行機(jī)構(gòu)的指令、反饋在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中要注意系數(shù)乘除和量級的統(tǒng)一。

（4）總線首尾連接器的撥碼有誤。

總線首尾連接器的撥碼要遵循首撥ON，尾撥OFF的原則，即進(jìn)入DP卡件側(cè)撥碼置ON，有源終端器撥碼為OFF。另外，有光電轉(zhuǎn)換裝置的需要在轉(zhuǎn)換側(cè)撥置ON，否則會出現(xiàn)總線通信故障。

3.3 信號干擾

電纜屏蔽層未接入設(shè)備或設(shè)備未按安裝要求接地，都有可能造成信號干擾，最終影響總線信號的傳輸。另外，如果總線布線不合理，附近有大電流大功率設(shè)備的運(yùn)行，都會對總線信號造成干擾。因此，在電纜布線敷設(shè)時，就應(yīng)注意避讓強(qiáng)電設(shè)備，并做好屏蔽措施，確保總線信號的穩(wěn)定傳輸。

總之，造成現(xiàn)場總線故障的因素是多方面的，一旦發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)從最底層的回路開始一步步排查，并進(jìn)行參數(shù)確認(rèn)。提前了解各類型的故障發(fā)生源，特別是在安裝過程中，規(guī)范安裝工藝，做好防范措施。參數(shù)配置做到主/從站一致，并嚴(yán)格遵照廠家資料配置。

4 結(jié)語

隨著工業(yè)信息化的飛速發(fā)展，數(shù)字化是未來發(fā)電廠的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)場總線適應(yīng)了過程工業(yè)控制向智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和分散化的發(fā)展方向，使得發(fā)電廠部分甚至全廠使用現(xiàn)場總線技術(shù)已成為可能。發(fā)電廠要求運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠，對信號的品質(zhì)、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制的精確性等都有嚴(yán)格要求，現(xiàn)場總線技術(shù)有很多的優(yōu)勢，目前也存在一些不足，還需要繼續(xù)發(fā)展和完善。而且，要推廣應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，對系統(tǒng)調(diào)試及維護(hù)人員的技術(shù)水平也將提出更高的要求。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，相信現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在發(fā)電廠自動化領(lǐng)域的應(yīng)用前景光明。

（本文編輯：徐晗）

Application of PROFIBUS DP Field Bus in Thermal Power Generating Units

QIU Shenchen1，LUO Zhihao2，WANG Yicheng2
（1.Hangzhou E-energy Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310014，China；
2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

The paper introduces and summarizes the application of PROFIBUS DP field bus in 660 MW ultrasupercritical coal-fired generating units，on-site commissioning and solutions，expecting to provide reference for popularization of DP field bus in thermal power plants and practical work.

thermal power plant；PROFIBUS DP；field bus

TK39

：B

：1007-1881（2016）02-0051-04

2015-04-27

邱深辰（1987），男，助理工程師，長期從事發(fā)電廠熱工調(diào)試和技術(shù)管理工作。