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1、 现场总线技术肇庆电厂现场总线应用热控专业：张程亮2013年4月9日一、现场总线基本概念n现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控 制室内的自动控制装置/系统之间的一种穿行、数字式 、多点、双向通信的数据总线。n现场总线将传统DCS系统的IO模块从电子间延伸至就 地设备本身中，在智能设备中就完成了数据的采集和 处理，大大减少了IO模块及电缆的使用。n现场总线控制网络是由多个分散在生产现场、具有数 字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而形成的， 以现场总线作为通信连接的纽带，完成测量控制任务 的网络系统、控制系统。n肇庆电厂采用的是Profibus现场总线技术，Profibus现场总线包
2、含DP和PA两种通信 技术，相对应的传输技术（物理层）分别是RS485和MBP。nRS485 传输技术是一种简单的、低成本的传输技术，主要用于需要高传输速率的 任务。它使用有一对导体的屏蔽双绞铜质电缆。RS485 传输技术容易使用，安装 电缆无需专门知识。总线结构允许随时增加或拆除站或逐步投运系统而不影响其 它的站。后来的扩展（在定义的限制内）也不影响已经投入运行的站。可以在9.6 Kbit/s 到 12 Mbit/s之间选择各种传输速率。投运系统时，在总线上的所有站应选 择相同的传输速度。最多可以连接32个站（每个总线段），可允许的最大总线长 度取决于传输速率。Profibus现场总线技术n
3、MBP是使用固定传输速率 31.25 Kbit/s和Manchester编 码的同步传输技术。此传输 技术通常用于过程自动化领 域，因为它满足化学工业和 石化工业的特殊要求，即使 用双线技术的本质安全和总 线供电。表2-4中概述了这种 技术的特点。这就是说 PROFIBUS也可以用于有爆炸 危险的区域，是本质安全品 质的。数值变送技术的发展 4-20mA HART Fieldbusdigitalanalog + digital (hybrid)analog 4.20 mACPUCPUCPUCPU过程控制 Process Control0-6553510-38-10+381.更精确的数值二、总线
4、系统的优势n生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置n开关状态、报警状态n设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息n系统组态、参数修改信息等2.更丰富的数据3.减少接线Reduced wiring 传统模式conventional总线系统Fieldbus Process Near ComponentProcess Near Component)控制柜cabinet连接件 connection elementsI/O模块 module总线耦合器buscoupler Ex i接线架marshalling rackEx iPS接线架marshalling rack接线盒junction b
5、ox传统硬接线方式下一台开关型电动门需要设计6个DI/DO点 ，占用6根通信电缆，而采用现场总线技术后，一条总线电 缆最多可以连接12台电动门（肇庆电厂设计要求），大幅减 少了电缆的使用量。图1图23.减少接线Reduced wiring4.网络化的设备管理及诊断现场线技术的一个重要的特 点是不仅能够传送过程I/O信号 ，也能够将非过程数据通过总线 进行输送。现场总线通讯能使设 备管理软件从集中控制室直接与 遍及全厂的设备进行对话。 现场总线可从现场设备和仪 表取得更多的维护诊断数据。自 诊断例行程序对设备的健康状况 进行检查，并将该设备产生的信 息是否准确可信告知系统的其余 部分。通过先进的
6、自诊断功能找 出设备的故障是整个现场总线功 能链中的第一步，它将为整个工 厂在生命周期内节约运行成本。n德国尼德豪森电厂（1950MW），控制系统为西门子TXP-2000 ，除锅炉安全监控系统（FSSS）、汽轮机控制和保护系统（DEH 、ETS）、重要的模拟量采用常规方案外，总线的应用基本集中 在被控对象，即Profibus-DP的应用，仪表部分采用了Hart协议， 机组已投产，运行情况良好。三、国内外现场总线在电厂应用情况n德国诺伊拉特电厂1100MW的F机组和G机组，早期被称为尼德豪 森二期工程，控制系统为西门子TXP-3000，与尼德豪森一期工程 相比，不仅被控对象采用了Profibus
7、-DP协议，仪表也全部采用了 Profibus-PA协议，同时在常用电源系统还采用了IEC61850协议。 每台单元机组的现场总线仪表与控制设备数量约有6700个。两台 机组已经在2011年6月和12月分别投产。德国尼德豪森电厂德国尼德豪森电厂控制室德国诺伊拉特电厂三、国内外现场总线在电厂应用情况n近几年，国内已经有相当一部分燃煤电厂在辅助车间系统采用了 现场总线技术，如华能玉环电厂（21000MW）化学水处理、工 业废水系统；广东河源电厂（ 2 600MW）净废水处理系统、华 能巢湖电厂（ 2 600MW）化学水处理系统、华能九台电厂（ 2 600MW）水、煤、灰、全厂辅助车间系统、国华宁海
8、电厂（ 21000MW）的脱硫系统等；n同时也有一些电厂在主厂房机炉主系统上应用了现场总线技术， 如河北三河电厂（ 2 350MW）的热网系统、天津北疆电厂（ 21000MW）的热网系统等；以及在2009年底投入运行的华能九 台电厂（2600MW）单元机组、华能金陵电厂（21000MW）单 元机组，其中九台电厂约有30%的仪表控制系统采用了现场总线 设备，金陵电厂约有50%的仪表控制系统采用了现场总线设备、 中国神华胜利发电厂2660MW机组，约有60%左右的仪表控制系 统采用了现场总线设备，是目前国内最大的应用现场总线技术的 燃煤机组项目。n国电肇庆电厂一期工程是国电集团第一个运用数字化电厂
9、建设模 式，全厂采用分层分级的数字网络结构的电厂。全厂网络由厂级 管理信息系统（MIS）、厂级监控信息系统（SIS）、机组DCS、 辅助控制系统现场总线设备构成。为了实现数字化电厂管理，主 厂房炉、机、电及其部分辅助系统采用现场总线设计方案。n全厂DCS 系统采用现场总线技术，对现场智能仪表、智能执行器 、电动门、AC 380V电动机进行监控。DCS要求实现与现场总线 Profibus DP/PA的无缝结合。n辅助车间的辅助控制系统采用辅控网集中监控，控制系统与主机 一致，配置现场总线技术以及电磁阀岛设计方案。四、肇庆电厂现场总线应用情况1、现场总线设计原则n本着保证机组安全可靠运行、稳妥的指
10、导思想，机组控制系统（ DCS）的现场总线部分，如下：n-凡故障直接危急机组安全运行、主机和主要辅机保护的功能不 纳入现场总线，如： FSSS；DEH； ETS；MEH、METS等。n-要求快速控制检测的对象和要求时间分辩率高的检测参数，不 纳入DCS现场总线系统。如：旁路控制系统；事故顺序记录（ SOE）；n-为保证每个区域监控功能的实时性及合理的组态，要求（允许 ）DCS系统的每对控制器（站）具有同时既可配置常规I/O，又能 配置PROFIBUS现场总线接口。n-应用的PROFIBUS现场总线技术包括锅炉、汽轮发电机及其辅助 系统的部分监测、控制（温度、压力、流量、液位等），其中包 括调节
11、型电动执行机构、开关型阀门电动装置、气动调节门、气 动开关门、380V电动机等。2、现场总线DCS的配置nDCS系统采用国电智深基于PR0FIBUS总线技术的EDPF-NT+控制 系统，两台机组共使用了59对冗余控制器(不包含DEH控制器)， 连接了81对PB卡，用作现场总线网络的PROFIBUS主站。锅炉侧 现场总线通信柜26个，汽机侧现场总线通信柜21个，公用系统现 场总线通信柜25个（包括水岛、循环水泵房、供热系统、空压机 房、氨区）。全厂的总线对象共计2200余个，其中DP设备包括电 动执行机构、马达控制器、分析仪表、变频器等，PA设备包括压 力变送器、温度变送器、流量计、定位器及液位
12、计等。冗余 PROFIBUS网络覆盖整个单元机组的锅炉房、汽机房及电气MMC 间。为了提高总线控制的可靠性，我们采取了DP冗余总线配置方案，现场DP设备选用DP双冗余接口。 2、现场总线DCS的配置nPB卡本项目使用的PB卡是国电智深公司研发的Profibus主站卡，PB卡作为现 场总线网络的主站，完成和总线网络中从站的数据交换，并将采集的数 据映射到DCS系统的以太网络中，起到协议转换的作用。且PB卡集成了 一类主站和二类主站的功能，使得从站设备的控制和管理功能都能通过 PB卡得以实现。3、现场总线设备介绍n现场总线通信箱分布 在就地设备附近，电 子间控制柜引出的光 纤在通信箱中经光电 转换
13、器转为DP电缆去 就地连接DP从站设备 或在通信箱中经耦合 器转为PA电缆去就地 连接PA设备。每个网 段在连接完就地总线 设备后都要回到通信 柜中连接有源终端电 阻，确保网段的通信 质量。现场总线通信箱n光电转换器由于电子间到就地通讯箱 的距离比较远，Profibus-DP电 缆在500Kbit/s的通讯速率下的 最大传输距离只有400m（在没 有使用中继器的情况下），因 此需要使用光电转换器将电信 号转换成光信号，延长传输距 离，使用多模光纤，有效通信 距离长达2km。本项目使用的 光电转换器均为卓越 TSCTMMP210系列产品。3、现场总线设备介绍nDP/PA耦合器DP/PA耦合器是P
14、rofibus现场 总线系统中Profibus-DP和 Profibus-PA 之间的物理连接器， 可以将Profibus-DP网络转换为 Profibus-PA网络。本项目采用的 耦合器为倍加福公司的紧凑型SK3 系列。P+F耦合器在网络中为透传 的，不占用总线地址，且不需要 组态。该耦合器为一分二模式， 可以将单路DP网转为双路PA网络 ，根据需要使用PA网段的数量。3、现场总线设备介绍nPB-YLinkPB-YLink 模块是PB 卡的扩展模块之一，是实现北京国电智深公司 的Profibus 主站与其他公司Profibus-DP 从站通讯连接的智能模块。非冗 余Profibus-DP 从
15、站可以通过PB-YLink 模块转化为冗余接口的Profibus- DP 从站接入冗余主站的Profibus 冗余网络。3、现场总线设备介绍PB-YLink 模块具有2 种工 作模式冗余主站单从站和单 主站双从站。通过短接硬件电 路上的跳线JP2 来实现模式选择 。该模块支持4 种通讯波特率（ 500kpbs、187.5kpbs、 93.75kpbs、45.45kpbs），通 过硬件电路的拨码开关来实现 选择。n终端电阻为了减少信号反射，保障通讯 质量，一般在网段的末端位置需要 加设终端电阻。信号传输电路由于 各种传输线都有其特性阻抗约220 。当信号在传输线中传输至终端时 ，如果它的终端阻抗
16、和特性阻抗不 同时，将会造成反射，而使信号波 形失真（凹陷或凸出）。该失真的 现象在传输线短时并不明显，但随 着传输线的加长会更加严重，致使 无法正确传输， 这时就必须加装终 端电（Terminator），同时终端电 阻还可以确保在没有数据传输时总 线上的电压是收发器认可的零信号 电压。3、现场总线设备介绍nPA分配盒将单根PA信号拆 分为多根PA信号，用 于从主干线上连接现 场仪表，有1个到12个 分支可选。多数接线 箱带短路保护和过载 保护，可提高通讯可 靠性。为了最大限度 的降低成本，选择现 场接线箱并将其靠近 现场仪表安装，以减 少分支电缆长度。本 项目使用P+F公司产品 。3、现场总线设备介绍n电动执行机构采用了ROTORK IQ/IQT系列、EMG DMC/IMatic系 列、SIPOS FLash5系列、AUMA、上仪AI系列产品。n阀门定位器采用了西门子Sipart PS2 PA系列产品。n压力、差压变送器采用了Rosemount 3051系列（主要在1号机使 用）、ABB 2600T系列（主
