PROFIBUS現場總線在火電機組化學水車間控制中的應用

馬可心，李建軍，姚 遠，郝 欣

(1.國家電投集團東北電力有限公司，遼寧 沈陽 110181；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

隨著大規(guī)模集成電路的出現，微處理器技術得到很大發(fā)展，基于控制架構的分析屬于集中式控制系統(tǒng)。隨著技術不斷革新，計算機網絡技術、自動化儀表技術、過程控制技術，都已得到較大發(fā)展，并推動控制領域又發(fā)生了一次新的技術變革。這次變革主要是產生了現場總線技術，使傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能與結構有了巨大飛躍。

現場總線是通過雙向串行、多節(jié)點、數字式通信網絡對自動化控制設備和現場設備進行連接的一項技術，也被稱為現場底層設備控制網絡[1]。由于現場設備都運用了微處理器和數字化元件以實現內部操作，提高了設備的性價比，因此需要對這些設備進行數字通信?，F場總線技術成為目前熱點技術之一，在自動化領域也被稱為計算機局域網[2]，現場總線技術可以對智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構等現場設備進行數字通信，還可以在現場設備與高級控制系統(tǒng)之間進行信息文件傳遞。

現場總線突破了傳統(tǒng)“點對點”式模擬信號、數字-模擬信號控制的限制，集自動控制技術、智能儀表、網絡技術和計算機控制技術等于一體，是一種用于自動化系統(tǒng)與現場設備連接的多分支、雙向、數字式、互聯、全分散的通信網絡，其以智能儀表作為基礎，將分散的現場設備連為一體，并結合控制器與監(jiān)視器構成現場總線控制系統(tǒng)[3]。

不同廠商的現場總線產品，可以通過統(tǒng)一的國際標準集中在同一套現場總線控制系統(tǒng)FCS中，使其具有互操作性與互換性[4]。相比于傳統(tǒng)的DCS，FCS將控制功能進行下放，將控制計算、數據采集、數據處理和數據輸出等控制功能附于現場智能儀表之上，然后通過現場總線將現場儀表采集的數據和診斷數據上傳到控制室的控制設備中，并由控制設備對儀表運行狀態(tài)進行監(jiān)視和上傳數據保存，同時部分現場儀表無法完成的高級功能也可由現場設備實現[5]。

本文研究將PROFIBUS現場總線與DCS無縫融合共同應用于火電機組化學水車間的現場控制。

1 PROFIBUS控制特點

a.開放性。遵循統(tǒng)一的公開化通信協(xié)議標準，讓不同廠商的設備通過FCS進行信息互換，使用戶可以將來自不同廠商的設備集成最合適的控制系統(tǒng)[6]。

b.互操作性。互操作性指不同廠商的控制設備可以在性能相同的情況下進行互換，不僅可以互相通信，還能實現統(tǒng)一的控制策略，組成統(tǒng)一組態(tài)。

c.靈活網絡拓撲結構。面臨不同的現場情況，FCS可以根據現場的復雜性，構成最適宜的網絡拓撲結構，如星型、樹型、層次化網絡結構、總線型等[7]。

d.系統(tǒng)結構的高度分散性?，F場設備改變了傳統(tǒng)DCS分散與集中相結合的體系結構，借助其智能化特點進行自動化控制，構成一種控制功能分散、結構簡化、可靠性較高的分布式控制系統(tǒng)，即使上層網絡被斷開或無法正常運作，底層設備仍正常使用，具有較高的智能性。

e.現場設備的高度智能化。傳統(tǒng)DCS的控制站較為集中，由輸入、輸出、CPU等單元組成，負荷較重。FCS將控制功能分散于各個現場設備之中，現場設備可以執(zhí)行數據的采集處理、設備校驗診斷、PID運算控制等自動控制的部分功能；此外，系統(tǒng)操作員還可進行遠程操作，對現場設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，并遠程對其進行故障診斷和參數調整。

f.對環(huán)境的高度適應性?，F場總線可以使用光纜、無線、同軸電纜和雙絞線等方式進行數據通信，具有很強的抗干擾能力。雙絞線是較為廉價的數據通信線，可以使用現場設備進行電量供應，較為安全。

2 化學水車間PROFIBUS應用設計方案

某電廠2×350 MW機組建設工程DCS系統(tǒng)采用北京國電智深技術有限公司(以下簡稱為國電智深)的EDPF-NT+系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制單元DPU控制柜包括所有的I/O控制模塊，其中EDPF-PB模塊為PROFIBUS總線I/O采集模塊，PROFIBUS所有高級運算功能均在DPU中實現，并與其他非總線控制設備同步計算，實現了現場總線與非總線混合控制的無縫結合。

2.1 PROFIBUS軟件構成

PROFIBUS現場總線包括PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA 3種通信協(xié)議。

a.FMS(field message specification)用于車間級通信，其主要是可編程控制器之間的通信。作為第1個PROFIBUS通信協(xié)議，FMS可以看作為PROFIBUS DP的先驅，在現在的標準中已不再使用。

b.DP(decentralized peripherals)用于總線主站與其所屬從站設備之間進行簡單、快速、循環(huán)和時間確定性的過程數據交換。其特點是即插即用、高效廉潔，目前主要應用PROFIBUS-DP網絡。

c.PA(process automation)以符合國際標準的PROFIBUS-DP為基礎，增加PA總線的應用行規(guī)以及相應的通信技術。

2.2 設備類型

PA協(xié)議是從DP上發(fā)展來的，所以二者的基本網絡架構一樣。下面以DP系統(tǒng)為例簡單介紹總線網絡的設備類型，每個DP系統(tǒng)由不同類型的設備組成，這些設備分為3類。

a.DP-1類主站設備是主從式系統(tǒng)中的中央控制器，其和從站進行數據交換，信息交換在報文周期內循環(huán)，如DCS及PLC等都是典型的DPM1設備。這類設備對于總線訪問具有主動權，可以對現場設備的測量數據及執(zhí)行機構的設定值在固定時間進行讀取。

b.DP-2類主站設備是工程設計、組態(tài)或操作設備，主要對組態(tài)系統(tǒng)中的連接設備、請求設備狀況、評估測量值和參數等進行維護和診斷。DPM2有主動的總線訪問權，而且不必固定地連接在總線系統(tǒng)中，典型設備如診斷工具ProfiTrace2等。

c.DP從站設備是I/O 設備、驅動器、HMI、閥門、變送器等外圍設備。從站沒有總線控制權，僅對接收到的信息給予確認或當主站發(fā)出請求時向其發(fā)送信息。

參數化、組態(tài)、數據傳輸是DP主站與所屬從站進行數據通信的3個階段，在參數化、組態(tài)階段，即進行實際數據傳輸之前，會進行組態(tài)設備與實際設備的匹配。在此過程之中，會對設備類型、數據長度與格式、I/O數量進行檢驗，從而保證參數化正常，增強其可靠性。

在總線網絡中，所有設備都被連接在一個總線結構里，一個總線網段內最多可以連接32個主站或從站。如果需要配置大于32個站或需要擴大網絡區(qū)域，則必須使用中繼器(Repeater)來連接各個總線網段。根據PROFIBUS標準，任意2個站之間最多允許連接4個中繼器，而且每個總線網絡最多允許126個主站或從站。

2.3 PB模件配置方案

國電智深的PB卡在DCS系統(tǒng)中主要將PROFIBUS協(xié)議數據和UDP 協(xié)議數據相互轉發(fā)。在工程應用中參考配置步驟如下。

a.確定系統(tǒng)結構方案。

b.配置控制器的IP地址。

c.安裝PB卡DTM，使用軟件fdtCONTAINER.exe配置PB卡的IP地址。

d.配置控制器的eio文件，建立控制器與PB卡的通信。

e.使用軟件fdtCONTAINER.exe，通過PB卡DTM為PB卡配置從站信息和端口信息，建立PB卡與從站設備的通信。

f.組態(tài)PB卡和從站設備，建立設備與算法模塊的對應關系。

g.根據實際需求建點、做監(jiān)控畫面。

PB卡管理軟件“fdtCONTAINER.exe”用于對PB卡進行配置和管理，在組態(tài)過程中需要頻繁使用該軟件修改PB卡配置，使其符合現場總線的通信要求。

2.4 化學水車間DP/PA總線設計方案

化學水車間的鍋爐補給水、原水再生、工業(yè)廢水及多水合一等4個系統(tǒng)采用PROFIBUS控制方式，所有控制單元均采用冗余PB卡及冗余總線方式設計，保證當就地傳輸設備或控制設備出現故障時，不會造成就地被控對象失控。

根據現場智能設備配置情況，PROFIBUS-DP采用冗余DP總線配置方案，即冗余的PB卡和DP，其中所有電動機保護設備均采用雙路DP總線配置，保證所有電動機控制安全可靠。

對于現場智能儀表等設備，PROFIBUS-PA采用DP/PA耦合器+PA分支器的方式接入PROFIBUS總線。DP/PA耦合器是1臺多功能的集成化設備，實現PROFIBUS-DP到PROFIBUS-PA的雙向轉換，通過硬件撥碼實現不同速率轉換，支持自動識別速率。PA分支器可以將現場總線設備，如現場測量儀表、傳感器、執(zhí)行器等通過分支電纜連接到現場總線的主干線上。

3 總線敷設原則

a.動力電纜與總線電纜分線槽布線，如無法分線槽布線需要將2類電纜盡量遠離，中間增加隔板密封，最好加蓋板封閉；平行敷設間距不應小于20 cm，交叉時需要直角交叉，防止空間電容耦合干擾。

b.當總線電纜穿過復雜電磁環(huán)境時，使用金屬套管進行保護。

c.總線電纜與動力電纜在進入機柜后要避免長距離平行布線，否則應采取保護措施。

d.總線電纜必須完整，不應出現斷點，如果總線電纜長度不夠，則應重新敷設；電纜敷設不要太緊，否則會引起應力。

e.DP電纜敷設遵循最短路徑敷設原則。

f.PA電纜采用單點接地，不在就地儀表處接地，就地儀表的屏蔽線剪掉包好。

g.建議每2個站之間的長度不要小于1 m，因為距離太近會引起信號反射。

h.通信電纜過長時不要形成環(huán)狀，容易產生干擾。

i.總線電纜外屏蔽層較薄，敷設時要保護，避免接觸橋架鋒利邊緣。牽引PROFIBUS電纜要以適宜的拉力和彎曲半徑經過有夾角的橋架，以避免對電纜造成損失。

j.DP電纜在插頭內接線時，需將屏蔽層剝開，將屏蔽層壓在插頭的金屬部分外。為了避免屏蔽層剝開后引起干擾，剝開部分不要太長，使其暴露在空間的部分較少。

k.一般使用接入等電勢連接系統(tǒng)的方法，當PROFIBUS站直接接入PROFIBUS電纜時，連接DP電纜屏蔽層與設備屏蔽端子或屏蔽電纜卡的方法較為可靠。

l.布線時通信電纜應當離干擾源較遠，在機柜內盡量與高電壓、大電流的電纜在不同的線槽走線。同時避免在機柜內成環(huán)，特別是將變頻器等干擾源環(huán)繞其中。

4 存在問題分析

4.1 主站無法與設備建立正常的通信連接

a.物理層連接有誤,主要原因為電纜或光纜斷路、光纜連接錯誤(將光纖收發(fā)器的T端接到PB卡的R端，將光纖收發(fā)器的R端接到PB卡的T端)、電纜的A/B線短路或接反、通信距離超過允許范圍。

b.設備通信地址設置錯誤，將網段中間的設備設置成終端，導致后續(xù)設備斷路。

4.2 設備與主站通信正常但無法遠控

檢查就地設備通信參數未正確設置，很多執(zhí)行機構需要設置成總線型才可操作；確保DCS組態(tài)正確。

4.3 設備通信不穩(wěn)定

a.通信電纜和動力電纜的距離過近。解決方法：將通信電纜和動力電纜之間的距離擴大到20 cm以上，最好可以分線槽敷設。

b.總線網段終端未安裝終端電阻或終端電阻未上電。解決方法：檢查終端電阻是否安裝，是否與網段設備接通，供電是否正常。

c．設備未接地或總線電纜的屏蔽層未正常接入設備。解決方法：檢查設備接地和電纜屏蔽是否正常接入。

5 結語

國電智深的現場總線在化學水車間控制的成功應用表明了PROFIBUS在火電機組控制完全可行，在方案實施過程中發(fā)現，現場智能設備與DPU的通信是調試的基礎和重點，智能儀表的配置及可靠性設計是影響現場總線成敗的關鍵。與傳統(tǒng)DCS控制相比，調試工作量更大，DPU配置數量、電纜用量及機柜數量均大幅降低，在保證控制可靠性的前提下，顯著減少了資金成本和設備維護的工作量。