現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其在電力行業(yè)中的應(yīng)用

一、引 言

　　我國(guó)因用電緊缺，急需一批先進(jìn)的大型火電機(jī)組，但我過(guò)這方面技術(shù)落后，從國(guó)外引進(jìn)。同時(shí)也引進(jìn)了分散控制系統(tǒng)和PLC。FCS是由DCS與PLC發(fā)展而來(lái)，F(xiàn)CS不僅具備DCS與PLC的特點(diǎn)，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS與新型的PLC，都有向?qū)Ψ娇繑n的趨勢(shì)。新型的DCS已有很強(qiáng)的順序控制功能；而新型的PLC，在處理閉環(huán)控制方面也不差，并且兩者都能組成大型網(wǎng)絡(luò)，DCS與PLC的適用范圍，已有很大的交叉。DCS系統(tǒng)的關(guān)鍵是通信。也可以說(shuō)數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò)，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計(jì)就決定了總體的靈活性和安全性。數(shù)據(jù)公路的媒體可以是：一對(duì)絞線、同軸電纜或光纖電纜。通過(guò)數(shù)據(jù)公路的設(shè)計(jì)參數(shù)，基本上可以了解一個(gè)特定DCS系統(tǒng)的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)與弱點(diǎn)。為保證通信的完整，大部分DCS廠家都能提供冗余數(shù)據(jù)公路。為了保證系統(tǒng)的安全性，使用了復(fù)雜的通信規(guī)約和檢錯(cuò)技術(shù)。所謂通信規(guī)約就是一組規(guī)則，用以保證所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被接收，并且被理解得和發(fā)送的數(shù)據(jù)一樣。目前在DCS系統(tǒng)中一般使用兩類(lèi)通信手段，即同步的和異步的，同步通信依靠一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，異步網(wǎng)絡(luò)采用沒(méi)有時(shí)鐘的報(bào)告系統(tǒng)。

　　二、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

　　2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的概念

　　現(xiàn)場(chǎng)總線是指以工廠內(nèi)的測(cè)量和控制機(jī)器間的數(shù)字通訊為主的網(wǎng)絡(luò)，也稱(chēng)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。也就是將傳感器、各種操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的通訊進(jìn)行特化的網(wǎng)絡(luò)。原來(lái)這些機(jī)器間的主體配線是ON/OFF、接點(diǎn)信號(hào)和模擬信號(hào)，通過(guò)通訊的數(shù)字化，使時(shí)間分割、多重化、多點(diǎn)化成為可能，從而實(shí)現(xiàn)高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡(jiǎn)便化、節(jié)省配線（配線的共享）。

　　傳統(tǒng)的4-20mA信號(hào)連接，信息量有限，嚴(yán)重制約了企業(yè)信息集成和企業(yè)綜合自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)把孤立的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備帶進(jìn)了企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)中。

　　2.2 Profibus 技術(shù)介紹

　　PROFIBUS，是一種國(guó)際化。開(kāi)放式。不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS傳送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車(chē)間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車(chē)間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

　　PPROFIBUS是過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線的縮寫(xiě)，于1989年正式成為現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。目前在多種自動(dòng)化的領(lǐng)域中占據(jù)主導(dǎo)地位，全世界的設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)已經(jīng)超過(guò)2000萬(wàn)。它由三個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS－DP（ Decentralized Periphery）。PROFIBUS－PA（Process Automation ）。PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message Specification ）。主要使用主-從方式，通常周期性地與傳動(dòng)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換rofibus是德國(guó)于90年代初制訂的國(guó)家工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，代號(hào)DTN19245，目前是IEC 61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的Type3部分?，F(xiàn)在它成為不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商、開(kāi)放的、國(guó)際化的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一。廣泛應(yīng)用于制造自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化、樓宇、交通、電力等領(lǐng)域的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。

　　PROFIBUS–DP：是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代辦24VDC或4－20mA信號(hào)傳輸。專(zhuān)為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)分散IO節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；

　　PORFIBUS－PA：專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，適合于本質(zhì)安全的場(chǎng)合，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。

　　PROFIBUS－FMS：用于車(chē)間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)。實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。為車(chē)間級(jí)通信任務(wù)提供了大量的通信服務(wù)。

　　PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車(chē)間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車(chē)間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

　　Profibus網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也是以ISO的OSI七層參考模型為基礎(chǔ)，對(duì)第三層到第六層進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

　　TEC61158中Type3的第一部分定義了Profibus的物量層和鏈路層協(xié)議，其技術(shù)指標(biāo)如下：

　　物理接口標(biāo)準(zhǔn)：EIA RS-485

　　網(wǎng)絡(luò)接口：sub-D9 芯插頭

　　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌壕€性總線兩端加終端電阻

　　存取方式：鏈路層采用混合介質(zhì)存取方式，主站間按令牌環(huán)方式，主站和從站間按主從方式工作。

　　站點(diǎn)數(shù)：主從站最多127個(gè)，每段最多32站，段間采用中繼器連接。

　　電纜：屏敝雙絞線截面>0.22mm2，阻抗120Ω

　　傳輸波特率：9.6k——-l2M

　　傳輸距離：1200m以下，與傳輸波特率成反比，可用Repeater（中繼器）增加傳輸距離。

　　TEC61158中Type3的第二部分定義了應(yīng)用層協(xié)義，稱(chēng)為FMS。FMS提供強(qiáng)有力的通信功能。

　　TEC61158中Type3的第三部分定義了DP協(xié)議，用于傳感器和執(zhí)行器級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸：其傳輸速率可達(dá)12Mbit/s，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)，在SIMATIC中FMS和DP可混合工作。

　　TEC61158中Type3的第四部分為PA協(xié)議，用于安全性較高的場(chǎng)合，設(shè)備行規(guī)定義了設(shè)備自有的功能，設(shè)備描述語(yǔ)言及功能塊允許對(duì)設(shè)備進(jìn)行完全的內(nèi)部操作。

　　IEC61158中Type3的第一部分分別與第二、第三、第四部分構(gòu)成了Profibus的三個(gè)兼容部分，即：Profibus-FMS、Profibus-DP、Profibus-PA,分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。

　　圖1為Profibus通訊協(xié)議的結(jié)構(gòu)示意

　　PROFIBUS總線具有下面特點(diǎn)：

　　1.用一根串行的數(shù)字總線替代傳統(tǒng)的并行24V信號(hào)和4～2OmA模擬信號(hào)

　　2.通過(guò)一根雙芯屏蔽電纜連接中央控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

　　3.同樣適用于防爆環(huán)境和有安全要求的應(yīng)用：一個(gè)系統(tǒng)適合于不同的應(yīng)用

　　4.數(shù)據(jù)和電源通過(guò)同一根電纜傳輸（PA）

　　5.對(duì)于所有的設(shè)備，只需要一個(gè)通用的組態(tài)和工程工具

　　6.連接不同廠商的設(shè)備

　　7.開(kāi)放的、不依賴于廠商的現(xiàn)場(chǎng)總線，并符合IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（Type3）

　　三、Profibus系統(tǒng)在循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)的應(yīng)用方案

　　在下面的論述中，我們將以電廠循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組控制系統(tǒng)為例，介紹一下現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電廠的應(yīng)用。

　　電廠控制分成：過(guò)程控制系統(tǒng)和輔機(jī)控制系統(tǒng)

　　主機(jī)控制系統(tǒng)：

　　· 數(shù)據(jù)采集 （DAS）

　　· 模擬量控制 （MCS）

　　· 發(fā)電機(jī)-變壓器組和廠用電源系統(tǒng)順序控制 SCS（G/A）]

　　· 鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng) （FSSS）

　　· 汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng) （DEH）

　　· 輔機(jī)控制系統(tǒng)：

　　· 輸煤程控：

　　· 化學(xué)水處理：

　　· 除塵除灰：

　　· 脫硫系統(tǒng)：

　　近年來(lái)，循環(huán)流化床鍋爐在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用，其高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)是眾所周知的

　　3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　控制系統(tǒng)選用了西門(mén)子公司的過(guò)程控制系統(tǒng)。采用西門(mén)子工控機(jī)，配有STEP7 V5.2 編程軟件，WinCC6.0監(jiān)控軟件為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

　　下位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成：兩套西門(mén)子PLC—CPU 417-2DP,四個(gè)ET2OOM工作站。以PROFI-BUS-DP和PROFIBUS-PA作為其現(xiàn)場(chǎng)總線，CP連接的以支持Profibus協(xié)議的PROFIBUS作為系統(tǒng)總線。

　　3.2 監(jiān)控系統(tǒng)：

　　監(jiān)控系統(tǒng)由一個(gè)操作員站和一個(gè)工程師站組成。操作員站主要完成與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換（數(shù)據(jù)采集），顯示各種已組態(tài)好的系統(tǒng)流程畫(huà)面、參數(shù)顯示畫(huà)面、控制畫(huà)面、趨勢(shì)曲線、報(bào)警畫(huà)面，報(bào)表打印及控制參數(shù)設(shè)置等功能。使操作員可以及時(shí)的了解整個(gè)鍋爐的運(yùn)行情況，并采用有效的控制，以保證生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。工程師站主要完成整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行組態(tài)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)及顯示，各種顯示及控制畫(huà)面的組態(tài)，報(bào)警組態(tài)，事件紀(jì)錄及顯示和實(shí)事及歷史趨勢(shì)顯示。

　　3.3 控制方案說(shuō)明

　　在控制方案中床溫及鍋爐負(fù)荷采用模糊控制；鍋爐液位、過(guò)熱蒸汽溫度，爐膛壓力、料床高度、除氧壓力、除氧器液位都采用了傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)回路。

　　在WINCC中建立模糊控制規(guī)則輸入表。通過(guò)多變量模糊控制設(shè)計(jì)工具，并且在WinCC畫(huà)面中編輯了脫硫配方的計(jì)算及鍋爐效率，水、煤、氣、電等參數(shù)累計(jì)及瞬時(shí)的顯示。WINCC中建立模糊控制規(guī)則輸入表建立連接，即可將模糊控制規(guī)則下載到PLC中去。規(guī)則控制表可根據(jù)鍋爐的實(shí)際工作情況進(jìn)行適時(shí)修改。

    由于西門(mén)子冗余系統(tǒng)采用了時(shí)間同步的專(zhuān)利技術(shù)，可以保證以最快的速度進(jìn)行主從切換，而且其現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)也采用了冗余的PROFIBUS技術(shù)，保證了系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于儀表總線可采Y-LINK連接到Profibus PA儀表上。

　　系統(tǒng)過(guò)程控制級(jí)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　在這個(gè)系統(tǒng)中，充分體現(xiàn)了西門(mén)子新一代過(guò)程控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。使用的組態(tài)軟件是西門(mén)子的STEP75.2，由于其友好的用戶功能，標(biāo)準(zhǔn)化的PLC編程語(yǔ)言，結(jié)構(gòu)化的編程思想，優(yōu)良的測(cè)試功能，用戶帶來(lái)了很大的方便。利用其集成的標(biāo)準(zhǔn)PID控制軟件包，能很好的實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)。將模糊控制與經(jīng)典的PID控制器相結(jié)合，可以達(dá)到最優(yōu)的控制目的。

　　對(duì)于系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，西門(mén)子的WlNCC 6.0，它是在PC基礎(chǔ)上的全面開(kāi)放的新一代的人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)。WINCC提供成熟可靠的操作，無(wú)論簡(jiǎn)單、復(fù)雜任務(wù)，都能有效的組合，恰當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　Profibus技術(shù)從2000年開(kāi)始已成功應(yīng)用于輔機(jī)程控中，特別是在四川廠安電廠輔機(jī)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制全部采用了Profibus技術(shù)，得到了用戶的高度評(píng)價(jià)。尤其是與傳統(tǒng)集中控制比較，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試、維護(hù)及擴(kuò)展上，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)十分明顯，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了技術(shù)裝備基礎(chǔ)。