劉舟，陳子靜

(南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，南京 210000 )

基于maxDNA系統(tǒng)的PROFIBUS現場總線在電廠化學水處理系統(tǒng)的應用

劉舟，陳子靜

(南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，南京 210000 )

本著建設數字化電廠的宗旨，華電國際電力股份有限公司奉節(jié)發(fā)電廠在600 MW超臨界機組化學水處理系統(tǒng)實現現場總線。將PROFIBUS現場總線技術與maxDNA集散控制系統(tǒng)相結合，針對該電廠化學水處理系統(tǒng)的特點和控制要求進行了合理的硬件配置及控制算法設計。研究結果表明，該系統(tǒng)能夠滿足現場控制要求，運行安全可靠，證實了該系統(tǒng)在電廠運用的可行性。

現場總線；PROFIBUS；maxDNA；化學水處理系統(tǒng)

0 引言

目前我國火電機組的生產規(guī)模正逐漸擴大，現場工藝也趨于復雜化，但我國大部分電廠仍然采用傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)(DCS)，即現場設備與控制器之間采用硬接線方式，控制信號多為常規(guī)的模擬量信號，這必然會導致控制器獲取現場設備的信息量有限，難以獲得如設備參數、故障及故障記錄等數據，同時還會造成大量的I/O電纜及敷設施工，并增加現場設備的維護難度。

現場總線是雙向、串行多節(jié)點、開放的數字通信系統(tǒng)，以數字通信替代傳統(tǒng)的4～20 mA模擬信號及開關量信號傳輸，不僅可從現場設備獲取大量的信息，而且能夠大大減少電纜的使用，節(jié)約成本。本著數字化建廠的原則，華電國際電力股份有限公司奉節(jié)發(fā)電廠(以下簡稱奉節(jié)電廠)率先在化學水處理系統(tǒng)采用基于maxDNA系統(tǒng)的PROFIBUS現場總線。

1 maxDNA現場總線控制系統(tǒng)簡介

1.1 PROFIBUS現場總線概述

現場總線是安裝在現場智能設備和控制系統(tǒng)之間的一種串行、數字化、多點通信的數據總線，以單個分散的、數字化、智能化的測量控制設備作為網絡節(jié)點，通過總線相連，從而實現信息傳遞，完成現場設備控制、監(jiān)測、遠程參數化等功能[1]。

目前主流的現場總線技術有FF，CAN，Lonworks，DeviceNet，PROFIBUS，Hart，CC-Link，WorldFIP 和Interbus等，而其中PROFIBUS在全球范圍應用最為廣泛，是一種國際化、開放式、不依賴設備生產商的現場總線標準。與其他現場總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS的最大優(yōu)點在于有穩(wěn)定的國際標準EN 50170作保證，并在實際應用中證明其具有普遍性，目前已廣泛應用于加工制造、過程控制和自動化等領域[2]。

PROFIBUS是過程現場總線的縮寫，在1989年正式成為現場總線的國際標準，其協議結構以ISO 7498國際標準為基礎，以開放式系統(tǒng)互聯網作為參考模型，并具體規(guī)定了現場總線的技術和功能特性，可實現控制器從現場底層到車間的網絡化[3]。其通信速率最高可達12 Mb/s，具有成本低、組態(tài)方便、互操作性強、互換性高等優(yōu)點。

1.2 maxDNA現場總線控制系統(tǒng)

maxDNA控制系統(tǒng)源于美國利諾(Leeds &Northrup)公司，是美卓自動化向全球電力行業(yè)和其他重要過程應用提供的大型DCS，maxDNA控制系統(tǒng)經過90多年的技術研究及工程累積，目前已為全球1 000多個工廠提供了一致的、可靠的服務，并取得了眾多成功業(yè)績。

在眾多的現場總線解決方案中，maxDNA控制系統(tǒng)支持PROFIBUS現場總線技術協議[4]。 PROFIBUS由3部分組成，即 PROFIBUS DP，PROFIBUS PA和PROFIBUS FMS：PROFIBUS DP主要用于分布式控制系統(tǒng)的高速數據傳輸，其通信速率最高可達12.00 Mb/s，是最快的離散數據總線；PROFIBUS PA采用IEC 61158-2中規(guī)定的通信規(guī)程，主要用于對安全性要求較高的場合及由總線供電的站點，其通信速率固定，為31.25 kb/s；PROFIBUS FMS主要用于完成中等速率的周期性或非周期性通信任務，但由于PROFIBUS DP的廣泛運用，PROFIBUS FMS現已基本不使用[5]。

maxDNA控制系統(tǒng)提供4種maxPAC PROFIBUS模塊，分別可連接1～4個PROFIBUS DP網絡，PROFIBUS DP接口通過DP轉PA網關可支持PA協議。maxPAC PROFIBUS模塊與現場設備之間的網絡架構如圖1所示：1個PROFIBUS DP接口最多可帶31個從站，其最大傳輸速率為12.00 Mb/s，電纜長度為100 m，通過中繼器可使從站的數量擴展到126個，總線的物理長度可達1 200 m，但相應的傳輸速率會降低到93.75 kb/s，為保證總線具有500.00 kb/s的傳輸速率，總線的物理長度應限制在400 m以內。PA分段通過網關與DP段相連接，PA分段的傳輸速率為31.25 kb/s，總線物理長度最大可達1 900 m。

圖1 maxPAC PROFIBUS連接方式

2 化學水處理系統(tǒng)的現場總線實現

2.1 項目概述

奉節(jié)電廠2×600 MW 新建工程是重慶市重點項目之一，屬于國家“節(jié)能減排、上大壓小”項目。機組鍋爐為東方鍋爐(集團)股份有限公司設計和制造的600 MW 超臨界“W”型火焰直流鍋爐。

2.2 現場總線系統(tǒng)結構

奉節(jié)電廠化學水處理系統(tǒng)主要由鍋爐補給水處理、廢水處理、精處理、汽水取樣、凈水站等分系統(tǒng)組成，在鍋爐補給水處理系統(tǒng)中采用現場總線，其他部分仍采用傳統(tǒng)DCS。鍋爐補給水處理系統(tǒng)主要由2臺盤式過濾器、2套超濾裝置、2套反滲透裝置、2套離子交換機裝置及一些輔助設備構成，根據項目設計要求，通過現場總線控制的閥島有13套，共帶有98個氣動門、2個蝶閥以及69個模擬量變送器，設備統(tǒng)計情況見表1。

在前期進行總線設計規(guī)劃時，根據奉節(jié)電廠現場化學水處理補給水系統(tǒng)的具體工藝要求，在考慮設備運行安全性和工程施工經濟性的基礎上，對每條總線上設備的選擇和總線電纜的施工順序進行了最優(yōu)的配置，得到的總線配置方案如下。

表1 總線設備統(tǒng)計

奉節(jié)電廠化學水處理系統(tǒng)現場總線共配置了3塊maxPAC PROFIBUS卡件(以下簡稱IOP404)，分別命名為Y0CRA0162，Y0CRA0164及Y0CRA0167。

Y0CRA0162接出4條現場總線，命名為A1～A4。A1和A2為PA總線，各帶有12個變送器。A3和A4為DP總線：A3帶有5個變送器、2個蝶閥和2套反滲透閥島，每套反滲透閥島各帶有2個氣動門；A4帶有3個變送器、1套盤式過濾器閥島和2套超濾閥島，盤式過濾器閥島帶有2個氣動門，每套超濾閥島各帶有6個氣動門。圖2為Y0CRA0162卡件的總線配置圖，圖中每臺設備下方文字分別表示了該設備的KKS 編碼、中文描述、具體安裝高程、設備型號及總線地址。

Y0CRA0164接出4條現場總線，命名為B1～B4。B1和B2為PA總線，各帶有8個變送器。B3和B4為DP總線：B3帶有2個變送器和2套陽床閥島，每套陽床閥島各帶有10個氣動門；B4帶有2個變送器和2套陰床閥島，每套陰床閥島各帶有10個氣動門。

Y0CRA0167接出3條現場總線，命名為C1，C3及C4。C1為PA總線，帶有12個變送器。C3和C4為DP總線：C3帶有4個變送器和2套混床閥島，每套混床閥島各帶有12個氣動門；C4帶有5個變送器、1套再生系統(tǒng)閥島和1套中和系統(tǒng)閥島，再生系統(tǒng)閥島帶有8個氣動門，中和系統(tǒng)閥島帶有8個氣動門。

通過maxDNA自帶的專用軟件即可將現場總線網絡結構圖及相應的配置文件下裝至現場總線卡(FBM)中，并通過辨認現場智能設備上的地址建立網絡連接，根據總線設備廠家提供的設備數據庫文件(GSD)中讀取的參數，最終識別出該設備，通過讀取和發(fā)送報文，從而讀取來自設備的信息，并發(fā)送命令至該設備。

圖2 總線設備配置圖

2.3 現場總線調試方法

基于 maxDNA系統(tǒng)的PROFIBUS 現場總線調試方法如下。

2.3.1 組態(tài)及下裝總線配置文件

maxDNA控制系統(tǒng)自帶專門用于總線組態(tài)的軟件Sycon，根據總線網絡配置圖，可在Sycon軟件中搭建出每條總線的網絡圖，圖3為Y0CRA0164總線卡上第3條總線的配置圖。可根據GSD文件對總線上的設備進行參數配置，配置內容主要包括總線波特率、設備型號、設備通信地址、設備描述、隸屬的主站、組態(tài)所需Module等參數，每個從站都有一個配置文件，現場總線將根據設備所對應的配置文件與就地智能設備進行通信，圖4為#2陽床鈉表參數配置結果。

圖3 總線網絡配置

圖4 陽床鈉表參數配置

在Sycon中完成組態(tài)配置文件后，即可通過maxDNA自帶的軟件PBdownload將該組態(tài)下載至FBM中。當卡件上電正常后，PBdownload軟件會自動掃描全部控制器下的全部FBM模件，每個總線主站都需要單獨下載，下載后.pb組態(tài)將存儲在FBM模件FLASH中。

2.3.2 功能塊編制

利用maxDNA控制系統(tǒng)自帶的軟件maxDPUTOOLS可進行組態(tài)，現場總線所涉及的功能塊主要有3種：表示maxPAC PROFIBUS卡件的FB功能塊、表示每條現場總線主站的P_PB_MASTER功能塊以及表示每個從站設備的功能塊。由于從站設備的類型較多，無法編譯適合所有設備的功能塊，因此不同設備需要編譯不同的功能塊，如圖5所示。功能塊編譯完，即可對現場總線設備進行組態(tài)，并利用maxDPUTOOLS將組態(tài)下載到控制器中。

2.4 現場總線投運效果

在完成項目前期總線組態(tài)配置及總線功能塊編寫后，即可通過南自美卓控制系統(tǒng)有限公司自主研發(fā)的總線通信調試軟件PBTool查看每條總線的通信狀態(tài)，但為了現場運行及檢修人員操作方便，現使用maxDNA系統(tǒng)自帶的畫面軟件maxVUE編輯PROFIBUS總線通信狀態(tài)畫面，如圖6所示。圖6顯示了Y0CRA0162總線模塊上4條總線的通信狀態(tài)，總線上從站顯示的顏色為粉紅色時表示通信正常，淺綠色表示通信異常，并且在畫面上單擊各個從站可以看到從站與主站之間通信狀態(tài)的相關信息。A1總線上各個從站的具體參數，如從站通信狀態(tài)、地址、變送器數據、變送器狀態(tài)碼等，可點擊圖6中單個設備查看。當通信出現異常時可在畫面上及時反映出來，便于現場熱工維護人員及時處理問題。另外，當總線出現通信正常但設備數據異常的情況時，則可使用 maxDNA系統(tǒng)自帶的LinkSpy 軟件抓包讀取從站與主站間的交換報文來排查故障。

圖5 現場總線功能塊組態(tài)

圖6 總線通信畫面

奉節(jié)電廠化學水處理系統(tǒng)現場總線自2016年6月17日投運至今，系統(tǒng)運行一直穩(wěn)定可靠。

3 結束語

奉節(jié)電廠600 MW 機組率先在化學水處理系統(tǒng)運用基于maxDNA系統(tǒng)的PROFIBUS現場總線，自該系統(tǒng)投運以來，不僅能夠滿足現場控制要求，運行安全可靠，而且能夠獲得更全面的設備信息，提高了化學水系統(tǒng)的自動化水平，并具有更高的可靠性和可維護性，從而證實了該系統(tǒng)在電廠運行的可行性，具有重要的實際應用價值。

[1]侯維巖,費敏銳.PROFIBUS協議分析系統(tǒng)應用[M].北京：清華大學出版社,2006.

[2]陳月婷,何芳.PROFIBUS現場總線技 術及發(fā)展分析[J].濟南大學學報(自然科 學版),2007,21(3):226-230.

[3]阮焱林,鄭秋玲,張云.PROFIBUS現場總線技術綜述[J].可編程控制器與工廠自動化，2011(8):39-41,72.

[4]南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司.maxDNA系統(tǒng)手冊[Z].

[5]馮冬芹,王酉,謝磊.工業(yè)自動化網絡[M].北京：中國電力出版社,2011.

(本文責編：劉芳)

2016-12-19；

2017-01-04

TP 273+.5；TM 621.8

A

1674-1951(2017)02-0008-04

劉舟(1987—)，男，江蘇南京人，助理工程師，從事電廠熱控方面的研究(E-mail:13815873248@163.com)。