NT6000系統(tǒng)Profibus現(xiàn)場總線分析

1、NT6000系統(tǒng)Profibus現(xiàn)場總線分析摘要： 隨著信息化進(jìn)程推進(jìn)，“智能制造”相關(guān)政策的強(qiáng)化、深化和推進(jìn)，電力 行業(yè)也加快了變革的腳步，相繼推出了智慧電廠等概念，推動(dòng)了現(xiàn)場總線在電力 行業(yè)的使用需求。集合 Profibus 技術(shù)規(guī)范，分析京能十堰 2X350MW 機(jī)組上使用 的 NT6000 系統(tǒng) Profibus 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和特點(diǎn)，制定現(xiàn)場安裝實(shí)施的規(guī)范。關(guān)鍵詞：NT6000 ， PROFIBUS-DP ， PROFIBUS-PA0 引言隨著信息科技的快速發(fā)展，德國率先提出了“工業(yè) 4.0”技術(shù)戰(zhàn)略來提升制造業(yè) 的智能化水平。工業(yè) 4.0 是信息系統(tǒng)將生產(chǎn)、制造、銷售等信息數(shù)據(jù)化，智慧化

2、， 最后達(dá)到最快速、有效的產(chǎn)品供應(yīng)。而工業(yè)4.0 的主題就包含智能工廠和智能生 產(chǎn)。這勢必也帶動(dòng)火力發(fā)電技術(shù)的革新,僅隨其后電力行業(yè)提出了“智慧電廠”專業(yè) 性概念，這就要求系統(tǒng)高度信息化、設(shè)備高度智能化。此背景下將會(huì)使現(xiàn)場總線 技術(shù)在電力行業(yè)進(jìn)一步得到推廣。全球電力行業(yè)的現(xiàn)場總線技術(shù)的先行者為德國Niederaussem （尼德豪森）1012MW 超超臨界機(jī)組，采用 Siemens Profibus 總線，設(shè)備狀態(tài)和信息全部通過 總線傳輸?shù)?DCS 系統(tǒng)中，是目前全球范圍智能化程度最高，采用總線技術(shù)最全面 裝機(jī)容量最大的機(jī)組。進(jìn)入21世紀(jì)后，華電萊城電廠（2 X300MW）、京能涿州熱 電（2

3、x350MW）、大唐虎山電廠（2x600MW）、華能金陵電廠（2x1030MW）等 上百家電廠，在不同系統(tǒng)范圍了使用了現(xiàn)場總線技術(shù)。京能十堰電廠采購國內(nèi)先進(jìn)的 NT6000-FCS 系統(tǒng)，具有獨(dú)特、完整的 Profibus 現(xiàn)場總線解決方案，具有AMS （智能設(shè)備管理系統(tǒng)）對現(xiàn)場智能設(shè)備進(jìn)行配置、 編輯和診斷等功能。1 現(xiàn)場總線在電力行業(yè)的設(shè)計(jì)原則現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)越加成熟，在各行 9 各業(yè)都得到大力推廣。但并不是所有 系統(tǒng)均適合現(xiàn)場總線的模式，在電力系統(tǒng)中就有很多子系統(tǒng)就將現(xiàn)場總線技術(shù)排 除在外。也有部分系統(tǒng)使用了硬接線+現(xiàn)場總線相結(jié)合的模式。不使用現(xiàn)場總線 技術(shù)的范圍如下：1、重要的輔機(jī)設(shè)備

4、，如：送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)等2、特別重要的輔機(jī)設(shè)備，如：交流潤滑油泵、直流油泵、燃油關(guān)斷閥等。3、要求時(shí)間分辨率小于1ms的事件順序記錄（SOE）4、鍋爐保護(hù)系統(tǒng)（MFT ）中的各重要信號（如：爐膛負(fù)壓、分離器水位等）5、汽機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）中各重要信號（如：汽機(jī)轉(zhuǎn)速、凝汽器真空等）6、汽機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH/MEH）7、參與重要回路調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)8、其他快速控制的系統(tǒng)（如電氣的開關(guān)、電源、發(fā)變組等）2NT6000 系統(tǒng) Profibus 分析 不同的現(xiàn)場總線重要區(qū)別是不一樣的“總線協(xié)議”，協(xié)議的本質(zhì)是“標(biāo)準(zhǔn)”。而 總線協(xié)議技術(shù)是一套由軟、硬件等組成的一套系統(tǒng)?？七h(yuǎn)NT

5、6000主要提供了 2 種兼容版本的 Profibus 系統(tǒng)： Profibus-DP 和 Profibus-PA。Profibus-PA 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)NT6000系統(tǒng)PA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)Profibus-PA采用復(fù)合IEC1158-2的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，這種技術(shù)可以直接給總線上從站設(shè)備進(jìn)行供電，同時(shí)以自由傳輸曼徹斯特編碼的TINE協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸。具有 獨(dú)特內(nèi)在時(shí)鐘信息，因而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)系統(tǒng)保持同步，如圖 1。在 OSI 模型中，PA協(xié)議第一層物理層為IEC1158-2，第二層鏈路層為IEC接口，無第3-7 層描述，在此基礎(chǔ)上增加了直接數(shù)據(jù)鏈接變換程序（DDLM）和PA設(shè)備的PNO 行規(guī)。1、盡可

6、能使用現(xiàn)場通訊箱，用光線代替PA電纜傳輸，降低了干擾風(fēng)險(xiǎn)和減少了電纜鋪 設(shè)。2、PA 主站下的數(shù)量也限制在16 臺(tái)以下。現(xiàn)場實(shí)施的均未超過12 臺(tái)。便于擴(kuò)展，限制 網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，風(fēng)險(xiǎn)分散。3、不建議使用中繼器，如需擴(kuò)展則增加PA網(wǎng)段來實(shí)現(xiàn)。4、干線的長度不超過1200米，直線長度盡量不超過30米，最長不超過60 米。 2.2Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)1.2.1 NT6000系統(tǒng)DP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)Profibus-DP使用RS485傳輸技術(shù)，是建立在半雙工、異步的出基礎(chǔ)上的點(diǎn)對點(diǎn)通訊，所 有信息的傳輸按HD=4（10101和00010從第一位開始依次有第一位、第三、第四、第五位不 同，則海明距

7、離為4）進(jìn)行。DP協(xié)議在OSI模型中，第一層物理層為RS485，第二層數(shù)據(jù)鏈接 層為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈（FDL），無第3-7層描述，在此基礎(chǔ)上增加了直接數(shù)據(jù)鏈接變換程序（DDLM）和DP設(shè)備的PNO行規(guī)。Profibus-DP分為冗余和非冗余方式，冗余方式又分為系統(tǒng)冗余（SR）和飛冗余（FR）。 主流的DCS系統(tǒng)通過Y-LINK實(shí)現(xiàn)冗余和非冗余網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換。NT6000系統(tǒng)支持SR冗余方式和 FR冗余，圖7,提供2類DP模件，實(shí)現(xiàn)3種方案：3、單卡工作： KM632A 雙通道實(shí)現(xiàn)非冗余通道。1塊KM632A帶有兩路Profibus DP接口，可以配置成獨(dú)立的接口模式，適用于具有單DP 的分析儀表、閥

8、島等設(shè)備。NT6000系統(tǒng)為1類主站，支持DP-V0/V1協(xié)議，采用了固定的Profibus-DP循環(huán)的結(jié)構(gòu)， 這樣就保留了一段時(shí)間用于非循環(huán)數(shù)據(jù)的通訊。這只允許一定數(shù)量的非循環(huán)報(bào)文文件，如果 此保留的時(shí)間未用完，則通過多次給自己發(fā)報(bào)文的辦法，直到達(dá)到固定總線循環(huán)時(shí)間為止。 這樣防止了非周期數(shù)據(jù)對通訊造成的干擾，保證周期數(shù)據(jù)的絕對安全。也確保所保留的固定 總線循環(huán)時(shí)間精確到微秒。數(shù)據(jù)的傳輸結(jié)構(gòu)，如圖8。屏蔽雙絞線內(nèi)2根Profibus數(shù)據(jù)線也稱為A線（綠）和B線 （紅）， A 線對應(yīng)于 RXD/TXD-N 信號， B 線則對應(yīng)于 RXD/TXD-P 信號，段的兩端各有一個(gè)終 端電阻。當(dāng)總線系統(tǒng)

9、運(yùn)行的傳輸速率大于1.5Mbps時(shí)，由于所連接站的電容性負(fù)載而引起導(dǎo) 線反射，因此NT6000使用附加有軸向電感的總線連接接頭。1.2.2 Profibus-DP 總線現(xiàn)場的使用京能十堰熱電 Profibus-DP 同樣涉及鍋爐、汽機(jī)、化水、脫硫、廢水零排等大部分系統(tǒng)， DP從站設(shè)備占全廠總線的52%，其中大部分為冗余（SR）DP。使用的介質(zhì)為光纜和RS485 A 類屏蔽雙絞線?，F(xiàn)場共計(jì)160多段DP冗余網(wǎng)段，40多段單DP網(wǎng)段。在設(shè)計(jì)初期對DP也進(jìn) 行了部分限制：圖 9 NT6000 系統(tǒng) DP 網(wǎng)絡(luò)1、必須使用可靠的有源終端電阻。2、一條DP總線設(shè)備從站數(shù)量不得超過16臺(tái)。3、傳輸速率定義

10、在500kbps，現(xiàn)場有個(gè)別網(wǎng)段設(shè)置速率較低來實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳輸。4、每個(gè)總線段的短截線允許的最大長度為6.6M,在實(shí)施過程中盡量避免短截線，否則會(huì) 引起線反射從而干擾報(bào)文通訊。5、只能通過增加網(wǎng)段或增加通訊柜方式來擴(kuò)展，禁止增加超過16 臺(tái)設(shè)備數(shù)量限制或增 加中繼器等設(shè)備。此處結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)，增加對于PA功率及DP循環(huán)時(shí)間的計(jì)算，選取負(fù)荷較重的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 或者網(wǎng)段。Profibus-DP總線實(shí)際令牌循環(huán)時(shí)間（TRR）的計(jì)算根據(jù)Profibus協(xié)議1, Profibus主站和從站建立通訊后，周期讀取從站數(shù)據(jù)并將輸出發(fā)送 給從站。循環(huán)時(shí)間直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能，根據(jù)協(xié)議可知，循環(huán)時(shí)間與站點(diǎn)數(shù)量呈近似線

11、性 的關(guān)系。DCS系統(tǒng)掃描周期有的采用200ms，某些場合采用100ms, DPU控制器和Profibus- DP 通訊模塊之間采用異步通訊方式，Profibus-DP的主站和從站的通訊周期需要小于DCS系 統(tǒng)的掃描周期。下面我們以T3通訊柜下面1301/2槽位的KM632C卡件為例計(jì)算其實(shí)際令牌循環(huán)時(shí)間。該 條總線現(xiàn)場配置的波特率為500kbps, 共帶了 13個(gè)從站，多數(shù)為閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，平均每個(gè) 從站10個(gè)字節(jié)輸入10字節(jié)輸出，頗具代表性。現(xiàn)場選用的從站模塊的最小輪詢時(shí)間（TMSI） 均小于1ms，根據(jù)文獻(xiàn)2TMSI在高波特率并且從站較少的情況下才會(huì)對TRR構(gòu)成影響，因此 該條總線無須考慮

12、TMSI的影響。為了防止多主站令牌輪轉(zhuǎn)帶來的時(shí)間擾動(dòng)，NT6000系統(tǒng)在 運(yùn)行的時(shí)候單主站工作，因此無需考慮令牌輪轉(zhuǎn)的問題。Profibus-DP總線時(shí)間的計(jì)算均以位 時(shí)間（Tbit）為單位，Profibus-DP每個(gè)字節(jié)11個(gè)位。為了簡化計(jì)算，下列分析過程中傳輸延 時(shí)時(shí)間TTD在1us左右忽略不計(jì)，空閑時(shí)間TID固定為33Tbit；以下計(jì)算中時(shí)間單位默認(rèn)為 位時(shí)間。根據(jù)文獻(xiàn)12，無周期診斷情況下實(shí)際令牌循環(huán)時(shí)間TRR=TPOLL+TGAP+TACY+TTK （1）其中TPOLL為從站輪詢時(shí)間，TGAP為GAP更新時(shí)間，TACY為非周期通訊時(shí)間，TTK為 令牌傳遞時(shí)間。無非周期通訊的情況下（1

13、）可簡化為 TRR=TPOLL+TGAP+TTK （2）TGAP和TTK采用文獻(xiàn)2中經(jīng)驗(yàn)值215和66。TPOLL時(shí)間由十三個(gè)從站的報(bào)文輪詢時(shí)間 （TMC）組成，由于從站的I0數(shù)據(jù)變化不大都在10個(gè)字節(jié)左右，假定TMC都相同。輪詢時(shí) 間公式可以簡化如下:TPOLL =13xTMC（3）忽略TTD后TMC公式如下TMC = TS/R + TSDR + TA/R + TID（4）其中TS/R和TA/R分別為發(fā)送和請求幀的傳輸時(shí)間，在本文中是SD2類型報(bào)文的傳輸時(shí)間, 由協(xié)議可知SD2幀數(shù)據(jù)交互報(bào)文中控制字節(jié)為9,因此請求幀平均長度為19字節(jié)，因此TS/R = TSDR =19x11=209TSDR

14、 一般設(shè)置為11 ,代入公式可以計(jì)算得到TMC=462，代入公式TP0LL=6006。TACY時(shí)間計(jì)算方法和TMC相同但是輸入輸出字節(jié)由上層協(xié)議指定，這里采用最大原始 報(bào)文長度 255 進(jìn)行計(jì)算TACY=255x11x2+TSDR + TID = 5654計(jì)算可得到無非周期通訊情況下TRR時(shí)間為6287Tbit，有非周期數(shù)據(jù)情況下TRR時(shí)間不超 過11941Tbit即23.88ms，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求并留有充分的余量。如果因?yàn)槟承┮馔馇闆r （需要擴(kuò)展遠(yuǎn)距離從站等），現(xiàn)場波特率需要降低到187.5Kbps,TRR仍然可以控制在63.68ms。Profibus-PA總線功率的計(jì)算由于PA速度較慢

15、，其時(shí)間特性往往不是關(guān)注的焦點(diǎn)。其令牌循環(huán)時(shí)間可以等效成 45.45Kbps 波特率的 DP 報(bào)文進(jìn)行分析，這里不再贅述。下面以 F1 通訊柜下 1401 槽位模塊分析其負(fù)載功率情況。 該總線帶了12臺(tái)從站，分別為10臺(tái)壓力變送器、2臺(tái)流量計(jì)。 經(jīng)過分析這些從站的總功率為3w.，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PA模塊最大功率6.5W，符合設(shè)計(jì)要求。3 現(xiàn)場實(shí)施保障確保NT6000系統(tǒng)所有Profibus總線相關(guān)設(shè)備的安裝都符合國際Profibus標(biāo)準(zhǔn)和NT6000 系統(tǒng)總線設(shè)備的規(guī)范，從而實(shí)現(xiàn)Profibus從站與主站之間高效、可靠、安全的通訊。避免 profibus 通訊故障導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)的時(shí)間。所有Profibu

16、s網(wǎng)絡(luò)安裝應(yīng)當(dāng)做到：Profibus網(wǎng)段的劃分必須得到SCIYON總線工程師、第 三方咨詢方（如果有）和業(yè)主方總線工程師單方認(rèn)證；必須遵循DLT 1556-2016火力發(fā)電廠 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)規(guī)程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；施工前，參建單位必須得到總線安裝的專業(yè)培訓(xùn)； 施工期間，不符合標(biāo)準(zhǔn)的總線施工不能被接受，必須及時(shí)更改。十堰電廠在安裝實(shí)施前出臺(tái)了一系列安裝指導(dǎo)原則：屏蔽多層接地PROFIBUS電纜在插頭內(nèi)部接線時(shí)，必須將屏蔽層剝開，壓在插頭內(nèi)屏蔽金屬片部分，金 屬片可以通過插頭連接到系統(tǒng)的屏蔽地上。為了保護(hù)DCS設(shè)備和DP通訊接口，因此對于所 有從站都要求接地處理，即“多點(diǎn)接地”。布線規(guī)則1） 電纜長度要求DP 電纜：此時(shí)如果有磁力線從環(huán)中穿過，根據(jù)“右手定律”，容易產(chǎn)生干擾電流。盡量剪斷接線。8）設(shè)備之間應(yīng)至少使用1m的profibus電纜 這是為了最小化設(shè)