PROFIBUS現(xiàn)場總線在寧海電廠中應(yīng)用

1、PROFIBUS現(xiàn)場總線在寧海電廠中應(yīng)用發(fā)表時間:2005-7-12一、引言 進入二十世紀(jì)九十年代以后，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCSFieldbus Control System)走向?qū)嵱没?，目前已成為自動化技術(shù)中的一個熱點。隨著電力建設(shè)的迅速開展，以及現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品的成熟，在新建和改造電站工程中引入現(xiàn)場總線技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品的呼聲越來越高。經(jīng)過數(shù)年的爭論和實踐，當(dāng)初“DCS必然被現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)完全代替而消亡”的斷論，逐漸被一種更理性和寬容的觀點所補正，現(xiàn)在一般認為：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)并不能在所有的地方都能發(fā)揮它的優(yōu)勢，尤其是在發(fā)電廠這樣一些測點和現(xiàn)場裝置密集、控制邏輯復(fù)雜的領(lǐng)域，一段時間內(nèi)將存在

2、著傳統(tǒng)DCS、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和現(xiàn)場總線等多種技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用局面。但是，推廣應(yīng)用現(xiàn)場總線系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備級的數(shù)字化是實現(xiàn)火電廠全面數(shù)字化的關(guān)鍵一步，國內(nèi)外已有一些電廠進行了應(yīng)用。本文以浙江國華寧海電廠一期工程為例，介紹現(xiàn)場總線技術(shù)在國產(chǎn)600MW機組上的應(yīng)用嘗試。二、PROFIBUS及在電廠的應(yīng)用2.1 PROFIBUS總線技術(shù) PROFIBUS是德國于90年代初制訂的國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，代號DTN19245，目前是IEC 61158國際標(biāo)準(zhǔn)中的Type3部分。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以ISO的OSI七層參考模型為基礎(chǔ)，對第三層到第六層進行了簡化。在TEC61158中Type3的第一部

3、分定義了PROFIBUS的物量層和鏈路層協(xié)議，物理接口采用EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)拓撲為線性總線兩端加終端電阻，采用sub-D9 芯網(wǎng)絡(luò)接口插頭。在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。主從站最多127個，每段最多32站，段間采用中繼器連接，最大傳輸距離1200m。 根據(jù)總線結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)任務(wù)的不同，PROFIBUS系列分為PROFIBUSDP、PROFIBUSPA 、PROFIBUSFMS三個兼容部分。分別在IEC61158中Type3的第二、第三、第四部分進行定義。其中第二部分定義了應(yīng)用層協(xié)義，稱為PROFIBUS-FMS，它提供強有力的通信功能。第

4、三部分定義了DP協(xié)議，用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速通信連接，專為自動控制系統(tǒng)與設(shè)備級分散I/O之間通信設(shè)計的，其傳輸速率可達12Mbit/s。第四部分為PA協(xié)議，用于安全性較高的場合。 PROFIBUS上連接著的每一總線設(shè)備在用戶接口中存在著GSD(設(shè)備性能描述文件)，用于描述設(shè)備所具有的不同性能特征，包括如I/O數(shù)量、診斷信息以及總線參數(shù)等，以達到即插即用。 與其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS經(jīng)實際應(yīng)用驗證具有普遍性。市場調(diào)查確認，在德國和歐洲市場中PROFIBUS占開放性工業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的市場份額超過40%。不久前PROFIBUS國際組織宣布，截止2003年底，

5、工廠和過程自動化應(yīng)用系統(tǒng)所安裝的PROFIBUS設(shè)備已經(jīng)歷史性地突破了一千萬套，比其它任何現(xiàn)場總線解決方案都高出許多。2.2 PROFIBUS在電廠的應(yīng)用 早在九十年代末，就有報道現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就已經(jīng)在美國、墨西哥、巴西等國家的電廠中得到應(yīng)用。西門子作為全球工業(yè)自動化領(lǐng)域的供貨商，在電站自動化設(shè)備方面一直致力于支持ROFIBUS現(xiàn)場總線協(xié)議的技術(shù)和設(shè)備的開發(fā)，其產(chǎn)品和解決方案幾乎應(yīng)用于所有工業(yè)行業(yè)當(dāng)作。其它眾多電力設(shè)備廠商也提供了對PROFIBUS的支持。在國內(nèi)，PROFIBUS技術(shù)從2000年開始已成功應(yīng)用于電站的輔機程控中，例如在四川廠安電廠輔機控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場設(shè)備的控制全部采用了PRO

6、FIBUS技術(shù)，得到了用戶的高度評價1。在連云港新海發(fā)電廠在200 MW 12號機組的DCS改造工程中，采用了南京西門子公司的DCS，增加 PROFIBUS-DP接口，直接控制現(xiàn)場設(shè)備，也并取得成功2。三、寧電工程分散控制系統(tǒng)3.1 系統(tǒng)概貌 浙江國華寧海發(fā)電廠一期工程建設(shè)四臺亞臨界600MW燃煤發(fā)電機組，三大主機由上海電氣集團提供。采用四機一控的集控方案，DCS采用南京西門子電站自動化有限公司的Teleperm-XP系統(tǒng)，該系統(tǒng)在國內(nèi)已有多套投入運行。如圖1所示，系統(tǒng)采用電廠總線、終端總線兩級總線結(jié)構(gòu)，通信介質(zhì)為光纖。分為3個信息級：(1) 自動控制級，自動控制單元AS620掛于電廠總線工業(yè)

7、以太網(wǎng)上，用以實現(xiàn)過程任務(wù)的控制；(2) 過程級，包括組控制和單獨控制,信息處理單元(PU)和信息服務(wù)單元（SU）位于電廠總線與終端總線之間，用以處理、協(xié)調(diào)和儲存來自底層的自動控制級及上層操作員級的信息；(3) 操作監(jiān)視級：操作員終端(OT)以及廠級信息系統(tǒng)接 口與終端總線相連。兩級總線網(wǎng)通過星型耦合器監(jiān)視模件中的開斷點，實現(xiàn)環(huán)形結(jié)構(gòu)。 AS620自動控制單元是T-XP與過程的界面。它被用來采集從現(xiàn)場儀表送出的模擬量及開關(guān)量過程信息。AS620根據(jù)這些信息做相應(yīng)的開閉環(huán)控制算法處理，再輸出操作指令到執(zhí)行機構(gòu)（電動機、閥門等）。它的核心是自動處理器AP。AP硬件的基礎(chǔ)在于強有力的SIMATIC中

8、央處理單元。3.2 總線通訊以及系統(tǒng)互連技術(shù) 總線系統(tǒng)分為各自冗余的SINEC HI FO工廠總線和終端總線，采用星形耦合器通過光纖電纜連接構(gòu)成虛擬環(huán)型結(jié)構(gòu)，其通訊速度為100Mbps。最大為1024個子站，單環(huán)光纜總長最大為4.3Km，可用率高、通訊速度快、容錯性好。 所有互連的T-XP組件使用統(tǒng)一的通訊機理和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并采用統(tǒng)一的時鐘，以保持同步。SIMATIC NET總線由電廠總線和終端總線組成，電廠總線用于AS620、OM650、ES680之間的通訊；終端總線用于PU/SU和OT之間的通訊。 T-XP有多種接口模塊用于內(nèi)部系統(tǒng)之間以及和外部系統(tǒng)的互連，其中，IM308-B/C接口模件用

9、于分布式I/O站ET200與AP之間相連。采用基于PROFIBUS-DP的SINEC L2 DP總線系統(tǒng)，一個PROFIBUS-DP總線鏈可以鏈接多達8個IM318-B/C 模塊。ET200站通過接口模件IM153/ IM318成為PROFIBUS總線系統(tǒng)的DP從站，多個接口模件可構(gòu)成冗余配置，形成與DCS的無縫鏈接。PROFIBUS總線可以是雙芯電纜或光纖。四、PROFIBUS-DP在寧海電廠的應(yīng)用 PROFIBUS總線技術(shù)在寧海電廠的應(yīng)用分為2種情況，一種是簡單地采用PROFIBUS總線通訊，通過T-XP系統(tǒng)的PROFIBUS接口模件，將遠程I/O站或者其它系統(tǒng)無縫納入DCS；由于就地設(shè)備

10、未能完全實現(xiàn)數(shù)字化，這樣的系統(tǒng)只能稱為數(shù)字化DCS的一種形式。另外一種方式是在外圍或者相對獨立的系統(tǒng)中實現(xiàn)到設(shè)備級的現(xiàn)場總線控制。下面分別以DEH和閉式循環(huán)水系統(tǒng)為例進行分析。4.1 采用PROFIBUS-DP總線的系統(tǒng)互連 本工程汽輪機組采用了由西門子公司提供的純電調(diào)和高壓抗燃油液壓伺服系統(tǒng)組成的數(shù)字式電液控制系統(tǒng)，主機型號為AS417H。由于汽輪機控制的快速性，DEH需要10ms左右的控制周期，而PROFIBUS-DP適合于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速通信連接，能滿足快速控制的需要。DEH與DCS的連接如圖2所示。 DEH控制系統(tǒng)I/O接口是AddFEM模塊，其它信號采集

11、采用其它遠程I/O站掛在PROFIBUS總線上。AddFEM模塊是專用于汽輪機控制的數(shù)據(jù)采集處理模塊，屬于西門子Add7系列，采用專門設(shè)計，信號采集周期快達1ms，以適應(yīng)汽輪機控制中對各種信號的快速采集與處理，其總線地址通過面板上的發(fā)光二極管設(shè)置。整個汽機控制回路周期為6ms。 為了提高可靠性，主機AS417的CPU、PROFIBUS總線和AddFEM模塊都采用雙冗余，2個AP通過機柜總線通訊。所有進入控制和保護系統(tǒng)的重要模擬量(轉(zhuǎn)速、功率、壓力等)三重冗余，重要開關(guān)量三重或雙重冗余。冗余信號分別進入不同的AddFEM模塊，2個AP并行地進行處理，但是只有主AP輸出控制信號。4.2 閉式循環(huán)水

12、的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)4.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 閉式水系統(tǒng)就地設(shè)備分布廣，就地的控制相對又簡單，適于發(fā)揮現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)點，為此我們在閉式水系統(tǒng)控制中采用了現(xiàn)場總線方案，如圖3所示。單元機組開閉式水系統(tǒng)約有34個現(xiàn)場總線設(shè)備（智能電動執(zhí)行機構(gòu)），分成兩個不同區(qū)域。 為了提高安全性可靠性，總線光纖、作為總線上的第一類DP主站的AP和相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換裝置也都采用了冗余結(jié)構(gòu)。AP以及其接口模塊IM308C和2臺光電轉(zhuǎn)換裝置置于電子室DCS的機柜中，就地另外有總線I/O柜，內(nèi)含2臺光電轉(zhuǎn)換裝置，置于汽機房零米層。4.2.2 執(zhí)行機構(gòu) 電動執(zhí)行機構(gòu)采用原裝進口德國歐瑪公司的產(chǎn)品一體化智能型產(chǎn)品AUMA MATIC

13、，帶有雙通道PROFIBUS-DP冗余總線接口，作為DP從站掛在總線上。開關(guān)型電動執(zhí)行機構(gòu)可以接受開、關(guān)、停數(shù)字量控制信號。本體配置手輪和手自動切換機構(gòu)以及開、關(guān)按鈕，并有相應(yīng)的位置指示燈，以實現(xiàn)就地操作。4.2.3 系統(tǒng)組態(tài)與運行 DP主站的AP中的IM308C模件具有用于通信的CPU和存儲單元FLASHROM（快速可擦寫可編程只讀存儲器），PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖及相應(yīng)的用戶通信程序可灌入該模件的FLASHROM中。當(dāng)IM308C啟動時，將運行于FLASHROM中的用戶程序建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過對AUMA電動門芯片上地址（設(shè)備編號）的辨認建立網(wǎng)絡(luò)連接，而后根據(jù)電動門廠家提供的GSD(設(shè)

14、備性能描述文件)中讀 取的參數(shù)，最終識別出該設(shè)備，從而讀取來自執(zhí)行機構(gòu)的信息，并發(fā)送命令至該設(shè)備。每臺AUMA作為總線上的單獨從站，其總線地址通過設(shè)備上的LED(發(fā)光二極管)分別輸入。在就地AUMA的面板上，可以設(shè)置與閥門有關(guān)的參數(shù)。一部分與控制相關(guān)的參數(shù)存儲在AP中，并可以通過工程師站修改，即直接通過現(xiàn)場總線修改閥門參數(shù)。 通過現(xiàn)場總線與DCS的通信，執(zhí)行機構(gòu)的開/關(guān)反饋、設(shè)備故障等一些情況就可得以基本反應(yīng)，操作員在集控室中，遠方對執(zhí)行機構(gòu)進行手動控制。執(zhí)行機構(gòu)的閉環(huán)運算功能以及與其它設(shè)備間連鎖等開環(huán)運算功能，在主站AP中以10（？）ms為周期進行運算，運算結(jié)果作為數(shù)字量直接傳至AUMA中的

15、PROFIBUS-DP接口，對電動執(zhí)行機構(gòu)進行控制。五、應(yīng)用體會 現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)在新建和改造電廠中的得到大量應(yīng)用，但是在新建國產(chǎn)600MW大型電站工程中的一定規(guī)模的運用還未見報道，寧電工程在這方面邁出創(chuàng)新的一步。通過工程實施，我們有如下體會供借鑒： (1) 現(xiàn)場總線的安全性問題一直受到關(guān)注。采用現(xiàn)場總線后，取消了大量的控制電纜，現(xiàn)場總線的保護措施可以提高，降低了故障率，所以現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)不采用冗余方式是可以接受的。但是，總線上的某個節(jié)點機故障而封鎖總線時，將影響總線大部分設(shè)備的工作。由于對可靠性和安全性的要求，我們采用了AP和雙總線的冗余配置，這在一定程度上抵消了現(xiàn)場總線節(jié)省布線的優(yōu)點，增加了

16、工程造價。今后結(jié)合電廠的實際情況，采取什么樣的冗余方案，值得探討。 (2) 由于原DCS冗余控制器的所有功能都分散到各個現(xiàn)場智能儀表中，危險已經(jīng)完全分散，一個現(xiàn)場智能儀表的故障只影響到本身或相關(guān)的少量智能設(shè)備，其影響范圍遠低于DCS冗余控制器故障的波及面，就地智能儀表的功能塊設(shè)計可保證故障時相關(guān)智能設(shè)備置于安全位，因此每個現(xiàn)場智能儀表CPU不冗余是完全可行的。 (3) 現(xiàn)場總線系統(tǒng)有一個重要特征，就是信息處理現(xiàn)場化。主要含意就是在智能現(xiàn)場裝置中植入控制模塊，使其具備控制器功能。但是目前用于電站的具有這樣功能的智能執(zhí)行機構(gòu)的可選品種很少，限制了現(xiàn)場總線系統(tǒng)在電站工程中進一步的應(yīng)用。進一步地，如何用智能現(xiàn)場裝置來實現(xiàn)復(fù)雜的功能組級及協(xié)調(diào)級控制，還需要研究和實踐的探討。 (4) 以智能化現(xiàn)場儀表為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，若能把管理自動化和遠程診斷功能納入系統(tǒng)，更能發(fā)揮現(xiàn)場總線系統(tǒng)降低運行維護費用的優(yōu)勢。但是