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1、现场总线PROFIBUS在华能金陵电厂中的应用探讨,华能南京金陵发电有限公司管春雨 万勇,0 前言,0.1有人把它定义为应用于现场的控制系统与现场检测仪表、执行装置之间实行进行双向数字通信的串行总线系统。也有人把它称为应用于现场仪表与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字的、双向、多点的通信系统。总之，在对现场总线的描述中，开放、全数字、串行通信等字眼是少不了的。,0 前言,0.2 国际电工委员会在IEC61158中给现场总线下了一个定义：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。在该定义中，首先说出了它的主要使用场合；其次说出了
2、系统中的主要角色是谁；第三点说它是一种数据总线技术，即一种通信协议，而该通信是数字式的（非模拟式的）、串行的（可以进行长距离的千米级通信，以适应工业现场的实际需求）、多点的（真正的分散控制）。这三点描述了现场总线技术中最实质性的方面。,0 前言,0.3现场总线发展初期，各大自动化公司分别推出自己的现场总线标准，类型多达40多种，1999年12月底，国际标准化组织最终确定了8种总线标准，目前普遍认为，比较适合电厂热工自动化的是PROFIBUS和FF, 本文以华能金陵电厂采用的PROFIBUS总线为例，探讨现场总线技术在火电厂中的应用。,1.现场总线PROFIBUS介绍,1.1PROFIBUS是l
3、987年德国联邦科技部制订的现场总线德国国家标准，目前是IEC 61158国际标准中的Type3部分。物理接口采用RS-485标准，网络拓扑为线性总线两端加终端电阻。 1.2根据总线结构与实现任务的不同，PROFIBUS由3个兼容部分组成，即PROFIBUS FMS、PROFIBUS DP、PROFIBUS PA。,1.现场总线PROFIBUS介绍,1.3三种系列的PROFIBUS均使用一致的总线存取协议，数据链路层采用混合介质存取方式，即主站间按令牌方式，主站和从站间按主从方式工作，从站只是响应一个主站的请求，它们对总线没有控制权。DP和FMS使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而这
4、两套系统可在同一根电缆上同时操作，PA和DP之间使用分段耦合器能方便地集成在一起。 1.4PROFIBUS上连接着的每一总线设备在用户接口中存在着GSD(设备性能描述文件)，用于描述设备所具有的不同性能特征，包括如总线参数、I/O数量、诊断信息等，以达到即插即用。,2.现场总线PROFIBUS技术在华能金陵电厂的应用介绍：,2.1火电厂机组控制功能从简单到复杂分布很广，有单回路、串级调节回路，也有多输入多输出的交叉耦合控制系统，还有可靠性要求很高的快速保护联锁逻辑。华能金陵电厂二期21000MW超超临界燃煤机组作为国内百万机组首次大范围应用现场总线的示范工程，为保证配置安全性和系统稳定性，在D
5、CS控制器的配置数量上没有减少，调节回路控制策略和设备控制逻辑仍按照工艺系统划分在不同控制器中集中处理。鉴于炉膛安全监控系统(FSSS)、汽机数字电液控制系统(DEH)、汽机本体紧急跳闸系统(ETS)、给水泵汽机电液调节系统（MEH）和给水泵汽机紧急跳闸系统（METS）对机组安全运行至关重要，回路处理速度要求高，因此我厂对上述系统还是采用常规控制方式。,2.现场总线PROFIBUS技术在华能金陵电厂的应用介绍：,2.2 DCS系统采用西门子基于PR0FIBUS总线技术的SPPAT3000控制系统（结构见图一），单元机组中使用了23对冗余控制器(AP101APl23，不包含DEH控制器)，其中包
6、含20对FCS控制器(锅炉侧13对，汽轮机侧7对)，用作现场总线网络的PROFIBUS主站。目前1机组总线对象975个，锅炉侧现场总线通信柜20个，汽机侧现场总线通信柜11个。公用系统控制器2个，现场总线通信柜2个，总线对象14个。单元机组的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PROFIBUS技术在华能金陵电厂的应用介绍：,2.现场总线P
7、ROFIBUS技术在华能金陵电厂的应用介绍：,2.3辅助生产系统（水、煤、灰以及脱硫）的控制以开关量程序控制为主，仅存在少量的简单连续调节。而PLC具有逻辑处理功能强、环境适应性好、系统独立性强、采购成本较低等特点，在电厂辅助生产系统中有深厚的应用基础，因此我厂辅助生产系统采用PLC控制，其中补给水控制、凝结水控制、净废水控制、脱硫控制采用以PLC为基础的现场总线，所有控制逻辑在PLC控制器中实现，其中净废水控制采用西安热工院研发的具有自主知识产权的现场总线控制系统FCS-165，其余控制系统采用西门子的S7系列具有PROFIBUS总线的PLC。,2.现场总线PROFIBUS技术在华能金陵电厂
8、的应用介绍：,2.4以DCS控制器AP102为例，现场总线由控制柜的双DP主站引出，通过光电转换模块(OLM)经光纤延伸到现场，连接1个DP冗余网段、1个DP网段和2个PA网段，DP网段分2组，均用DPDP链接器把单接口就地DP设备接入冗余DP总线，第1组用来连接系统内的电动执行机构，采用菊花链型连接方式；第2组通过Y-LINK连接马达控制器（单口），在每段DP总线的末端单独增加1个有源终端电阻，使传输线路阻抗匹配，保证通信的可靠性。PA网段由DPPA链接器从冗余DP总线上接出，连接测量变送器信号。,2.现场总线PROFIBUS技术在华能金陵电厂的应用介绍：,3.现场总线控制系统的优点：,3.
9、1现场总线设备的智能化和全数字化，使设备管理网络化成为现实。现场总线设备将微处理器置入现场智能设备中，具有数字计算和数字通信能力，传感测量、补偿计算、工程量处理等功能可在现场总线设备中完成。现场总线技术不仅能传送过程I0信号，还能传送非过程数据，此类数据包括组态下载、远程操作和整定参数及设备管理所需参数(如诊断、状态、校验数据)，使设备的信息量大大增加，为实现状态检修、性能优化控制和优化管理奠定了可靠的数据基础。,3.现场总线控制系统的优点：,3.2现场总线能提高机组运行的安全可靠性。,3.现场总线控制系统的优点：,3.3开放性、互操作性与互换性。,4.应用现场总线实施过程的注意事项：,4.1
10、我厂在确定DCS系统后，与DCS公司进行技术交流，它们按PROFIBUS总线标准，提供在以往工程实践中具有良好应用业绩的现场总线设备厂商名单，我们与设计院确定重点品牌范围，积极联系各总线设备厂家提供总线设备样品送DCS公司进行联网测试，西安热工院作为技术支持方出具测试报告，最终设备选型仅在通过测试的产品中选择。 4.2现场总线网络设计和网段划分是系统设计的重点，根据总线设备的地理位置和功能的相关性来确定，同时根据网络通信速度和网段循环时间来确定每个控制器和网段所挂设备的数量，预估总线循环时间是否满足系统要求，PROFIBUS总线循环时间主要与网络通信波特率、从站数量、从站IO数据的总字节量和从
11、站通信延迟时间有关。,4.应用现场总线实施过程的注意事项,4.3根据总线仪表和设备的地理分布实际位置、电缆桥架的走向等要尽早完成设计图纸，根据这些设计图，再设计各支路连接的设备及设备排列顺序，同时根据相对集中的原则来确定总线通信柜的位置，与常规施工图不同的是，施工图根据设计总线仪表和设备的地理位置，估出每段电缆的长度。施工单位在敷设总线电缆时，要严格按照设计桥架和走向，并记录每条总线电缆的长度，如设计长度与实际长度偏差大时，要及时与设计院联系。 4.4总线设备对接地要求较高，处理不好会对通信稳定性造成影响。PROFIBUS电缆屏蔽层对数据电缆进行屏蔽，为了使屏蔽有效，必须将其与等电势连接系统相
12、连。我厂处理原则为：在锅炉区域，DP设备的屏蔽接地首选为直接接至电气二次地网的扁钢，其次为锅炉钢架；在汽机房，DP设备的屏蔽接地直接接至电气二次地网的扁钢。屏蔽电缆接至扁钢或锅炉钢架，必须保证良好接触。如果DP设备所在区域附近无扁钢或锅炉钢架等可靠接地点，接地电阻可能大于4欧姆时，要通知设计院和DCS公司，另外考虑此设备的接地连接。,4.应用现场总线实施过程的注意事项,4.5总线设备对现场布线和接线要求高。电缆敷设时禁止电缆打结，并要大于电缆规定弯曲半径，如果PROFIBUS电缆敷设完毕后，同一个桥架内还要敷设其它电缆，注意不要对先前敷设的电缆造成损坏，因此尽量最后敷设PROFIBUS电缆。总
13、线电缆现场布线时，为避免数据传输错误，与可能造成干扰的电缆间隔距离尽量远，最好布置与不同桥架，与1000V以上电源电缆并行时，距离至少30厘米。不允许无屏蔽的通讯线与电源线缠绕。尽量减少与可能造成干扰的电缆并行走线，必须与电源电缆交叉时尽量采用直角交叉。当总线电缆和电源电缆共用同一桥架桥时，要采用金属隔板在桥架中分隔。当电缆通过复杂电磁环境（如变频器等强干扰源）或离开桥架后须用金属套管保护。加强对施工人员的接线培训，编制总线接线工艺标准，过程监督检查接线质量。接线质量不高是总线系统运行的极大隐患。 4.6总线部分的逻辑组态由于需要详细的设备类型，要求主辅机设备供应商尽早提供配供的总线设备具体型
14、号，否则总线部分组态的现场工作量会很大。,5.应用现场总线的探讨,5.1众所周知，采用现场总线技术可以减少电缆和电缆桥架的用量，当需要增加现场总线设备时，也可就近连接在已有的现场总线网段上，既节省投资，又减少调试工作量。但是要充分考虑到现场总线智能化设备对于提高投资的影响，同时为了提高总线控制的可靠性，现场DP设备我厂均选为双冗余接口，这在一定程度上也增加了现场总线的布线。目前初步预计总线系统投资总额将超过常规系统。 但是从长远考虑，因为有了网络化的设备管理所带来的较低的维护及运行成本，以及智能化现场总线设备具有更多的故障自诊断能力，检修管理人员通过设备诊断和管理软件查询设备的运行情况，进行远
15、程诊断、维护和检查故障，以便早期分析故障原因并快速排除。大量基础资料为制定检修方案和计划提供数据，从而节约维修费用，降低生命周期成本。因此，应用现场总线所产生的节省费用，是对控制系统从设计、安装、调试、运行、维护、发展的整个生命周期来计算的。,5.应用现场总线的探讨,5.2现场总线产品的可选范围相对较少，辅机配套厂家对现场总线理解不够，供货方面发生偏差概率增加。,5.应用现场总线的探讨,5.3要加强施工单位、电厂工程技术人员的培训。工程技术人员要加强现场总线技术的学习，逐步形成现场总线控制技术的工程应用能力。运行和维护人员能通过信息管理和诊断软件，及时了解总线仪表和设备运行状况，通过诊断数据，提前预警设备故障。热控维护人员的劳动强度尽管有所降低，但技术要求大大提高，因此要学会总线专用工具和缺陷诊断工具的使用，要掌握总线接线工艺等，同时要熟悉多种软件的使用方法，要有一批学习能力强、能适应现场总线控制系统维护力量的同志。,6.结语,现场总线控制系统在电厂中应用的条件已经日趋成熟，这是企业管理数字化、信息化的必然要求，华能金陵电厂在1000MW机组控制系统中大范围应用现场总线技术进行了大胆尝试，我们将不断总结经验教训，更好的为工程服务。,6.结语,谢谢各位领导和专家！,
