高 飛

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

Profibus現(xiàn)場總線是國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的Type3部分，根據(jù)總線結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)任務(wù)的不同提供FMS、DP、PA三類行規(guī)：Profibus-FMS提供強(qiáng)有力的通信功能，最佳適用于車間級(jí)智能主站間通用的、面向?qū)ο蟮耐ㄐ?；Profibus-DP是專為自動(dòng)控制系統(tǒng)與設(shè)備級(jí)分散I/O之間通信設(shè)計(jì)的，其傳輸速率可達(dá)12 Mbit/s；Profibus-PA主要用于連接現(xiàn)場智能儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可使用在本質(zhì)安全的EEx(電氣防爆)區(qū)域[1]。Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠的主控和主要輔助控制系統(tǒng)已得到廣泛的應(yīng)用，使用最多的總線設(shè)備是基于DP和PA行規(guī)。

1 技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

火電廠輸煤系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是工藝設(shè)備種類多、空間位置分散、電壓等級(jí)高、設(shè)備接口多樣且大多不具備總線接口能力，設(shè)備運(yùn)行在粉塵濃度高、電磁強(qiáng)、溫濕度大的惡劣環(huán)境中。近年來，國內(nèi)雖有不少電廠的輸煤控制系統(tǒng)采用了Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)，但受限于輸煤系統(tǒng)的現(xiàn)場環(huán)境和設(shè)備狀況，普遍采取遠(yuǎn)程IO站+現(xiàn)場總線的混合技術(shù)方案[2]，即將少數(shù)集中布置在各輸煤電氣MCC(馬達(dá)控制中心)間的具有DP接口智能測控裝置的輸煤電動(dòng)機(jī)以現(xiàn)場總線接入控制系統(tǒng)，除此以外大多數(shù)分散在現(xiàn)場的各設(shè)備按常規(guī)硬接線方式接入到各區(qū)域遠(yuǎn)程IO站中，受安裝位置、機(jī)柜尺寸、防護(hù)等限制，遠(yuǎn)程IO站常要求安裝在各區(qū)域的MCC間，離控制對(duì)象仍有相當(dāng)長的距離，無法做到輸煤控制系統(tǒng)徹底分散控制，難以提升控制系統(tǒng)性能和最大程度節(jié)省電纜投資。為此，針對(duì)輸煤工藝設(shè)備的分布情況和現(xiàn)場環(huán)境特點(diǎn)，提出技術(shù)全分布式Profibus現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)理念，在常規(guī)總線的基礎(chǔ)上將遠(yuǎn)程IO站替換為一個(gè)個(gè)獨(dú)立防護(hù)等級(jí)高總線IO模塊安裝在不具備DP接口就地設(shè)備附近，最終實(shí)現(xiàn)輸煤系統(tǒng)所有控制設(shè)備采用不同的方式就近分布接入總線網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)與常規(guī)總線技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 全分布式Profibus總線將輸煤常規(guī)總線技術(shù)的分散與集中相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)演進(jìn)為全分布、全分散的體系結(jié)構(gòu)，消除了常規(guī)總線系統(tǒng)中60%左右控制設(shè)備的總線覆蓋盲區(qū)，從根本上做到了輸煤系統(tǒng)所有設(shè)備總線應(yīng)用全覆蓋。

(2) 現(xiàn)場智能IO組件對(duì)現(xiàn)場信號(hào)的前移處理，避免了過程IO信號(hào)在輸煤復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境下的長距離傳輸，增強(qiáng)了信號(hào)的抗干擾能力，確保了信號(hào)傳遞的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

(3) 據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測算資料，全分布式系統(tǒng)中所有設(shè)備就近接入總線的方式較常規(guī)總線技術(shù)可減少約80%的過程IO電纜和約40%的橋架、槽盒、穿線管等相關(guān)安裝材料使用量，既節(jié)省了投資，又減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。

(4) 使控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的延展性和靈活性，輸煤系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備的增減和調(diào)整可在現(xiàn)場局部網(wǎng)段內(nèi)完成，不再受限于常規(guī)總線系統(tǒng)的遠(yuǎn)程IO柜數(shù)量、安裝空間、IO點(diǎn)數(shù)量等剛性限制。

(5) 現(xiàn)場智能IO組件為系統(tǒng)深度故障診斷提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐和接口支持，將常規(guī)總線技術(shù)診斷層級(jí)由模塊通道級(jí)延伸到現(xiàn)場設(shè)備級(jí)，實(shí)時(shí)在線提供更多設(shè)備狀態(tài)和故障診斷信息，便于早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護(hù)停工時(shí)間。

2 全分布式Profibus現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)

2.1 輸煤系統(tǒng)設(shè)備總線接入方式

全分布式Profibus現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)本質(zhì)要求將不同類型設(shè)備以最合適的方式就近接入現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中。圖1為輸煤系統(tǒng)設(shè)備接入的總線的4種情況。

圖1 輸煤系統(tǒng)設(shè)備總線接入方式示意

(1) 具備具有DP接口的回路的綜合保護(hù)裝置或馬達(dá)保護(hù)器的輸煤電氣設(shè)備包括皮帶機(jī)、電動(dòng)三通、犁煤器、輸煤電氣系統(tǒng)斷路器等直接接入Profibus現(xiàn)場總線。

(2) 輸煤系統(tǒng)如除塵器、除鐵器、葉輪給煤機(jī)的控制柜都由設(shè)備廠家配套提供，一般不具備與總線通信的能力，在每個(gè)廠家的控制箱內(nèi)或旁邊安裝現(xiàn)場總線IO模塊，將設(shè)備的控制信號(hào)通過較短的電纜(2 m內(nèi))接到總線IO模塊繼而接入現(xiàn)場總線網(wǎng)段。

(3) 除了廠家控制箱外，輸煤系統(tǒng)皮帶沿線安裝有大量的皮帶保護(hù)裝置如拉繩、跑偏、速度等，因成本和技術(shù)制約，目前國內(nèi)沒有直接支持Profibus總線的保護(hù)設(shè)備，設(shè)計(jì)理念是在皮帶沿線30～50 m間隔布置現(xiàn)場總線IO模塊，實(shí)現(xiàn)皮帶保護(hù)設(shè)備的就近接入。

(4) 輸煤系統(tǒng)還有一些過程儀表如煤場噴淋的壓力表、原煤倉雷達(dá)料位計(jì)等可通過DP/PA耦合器或HART(可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議)/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)接入DP總線。

2.2 Profibus總線冗余功能設(shè)計(jì)

輸煤控制系統(tǒng)作為電廠重要輔助控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的控制器，總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信介質(zhì)等關(guān)鍵部件應(yīng)冗余配置[3]，當(dāng)某一部分設(shè)備出現(xiàn)錯(cuò)誤不能正常工作后，備份的設(shè)備能夠快速切換至主工作方式，以維持整個(gè)系統(tǒng)的順利運(yùn)行而不至于因局部設(shè)備的出錯(cuò)而影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，Profibus總線要實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面的冗余：主站冗余、從站冗余和介質(zhì)冗余。

(1) Profibus主站(主要是1類主站)要選用具有總線接口的冗余控制器或主控單元配置冗余總線通信模塊。

(2) Profibus從站要根據(jù)現(xiàn)場總線設(shè)備的端口情況采用不同冗余方法，具有2個(gè)獨(dú)立DP接口Profibus從站設(shè)備(電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及MCC馬達(dá)保護(hù)器等)要求配置成系統(tǒng)冗余(SR)的工作模式，主備DP端口總線地址相同，只有單一DP接口的從站設(shè)備(現(xiàn)場總線IO模塊、過程儀表以及部分廠家的控制器等)應(yīng)采用通過DP或PA耦合器、Profibus-DP冗余交換機(jī)(PRS)接入冗余總線。

(3) Profibus主站與從站連接的主干網(wǎng)應(yīng)配置2條通信網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，有光纖通信應(yīng)用場合下應(yīng)采用具有支持快速恢復(fù)和環(huán)形組網(wǎng)的Profibus-DP光電轉(zhuǎn)換器組成光纖網(wǎng)絡(luò)冗余環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.3 網(wǎng)段規(guī)劃和設(shè)計(jì)

網(wǎng)段劃分設(shè)計(jì)目的是確定現(xiàn)場總線主控制單元的數(shù)量、每個(gè)控制單元所含Profibus網(wǎng)絡(luò)數(shù)量，以及每條總線網(wǎng)絡(luò)上連接DP或PA設(shè)備的數(shù)量。Profibus總線采用RS485令牌環(huán)網(wǎng)技術(shù) ,網(wǎng)段的劃分理論上只需滿足Profibus技術(shù)規(guī)范即可[4]，但在實(shí)際應(yīng)用中特別在輸煤系統(tǒng)的工作環(huán)境下一定要結(jié)合現(xiàn)場總線的設(shè)備類型、安裝位置、工藝關(guān)系、檢修維護(hù)需求把系統(tǒng)的總線劃分成若干個(gè)網(wǎng)段,合理的網(wǎng)段劃分是輸煤總線設(shè)計(jì)工作最重要的環(huán)節(jié)，決定了總線網(wǎng)絡(luò)性能和工藝設(shè)備安全運(yùn)行。輸煤控制系統(tǒng)Profibus網(wǎng)段劃分應(yīng)遵循以下原則：

(1) 冗余分散原則。工藝上冗余配置或并列運(yùn)行的儀表或設(shè)備應(yīng)接入不同的網(wǎng)段上確保任一條總線故障時(shí)，只影響工藝系統(tǒng)局部運(yùn)行，不會(huì)造成整個(gè)工藝系統(tǒng)停運(yùn)，輸煤皮帶A/B側(cè)設(shè)備如皮帶機(jī)、MCC/除塵除鐵輔助設(shè)備、煤倉間1號(hào)/2號(hào)爐的犁煤器等需連接在不同的網(wǎng)段上。

(2) 工藝和控制邏輯相關(guān)性原則。同一工藝區(qū)內(nèi)的相關(guān)Profibus就地設(shè)備盡可能分配到同一網(wǎng)段上，控制邏輯相關(guān)的儀表和控制對(duì)象原則上掛接在同一個(gè)總線網(wǎng)段上，輸煤系統(tǒng)應(yīng)把皮帶保護(hù)設(shè)備避免跨網(wǎng)段通信造成數(shù)據(jù)延時(shí)，最大程度保證控制實(shí)時(shí)性。

(3) 性能保證原則。根據(jù)設(shè)備的布置地點(diǎn)、現(xiàn)場電磁環(huán)境、電纜走向等決定接入設(shè)備節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，每個(gè)網(wǎng)段上掛接的現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)量不超過總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大數(shù)量的40%，對(duì)于存在強(qiáng)電磁干擾的區(qū)域如MCC和皮帶沿線每個(gè)DP或PA網(wǎng)段的總線節(jié)點(diǎn)不宜超過10個(gè)。

(4) 通信速率匹配原則。Profibus-DP網(wǎng)段的通信速率設(shè)定值必須小于該支路上所有設(shè)備中支持的最小通信速率，并滿足表1中EIA RS485限定的要求，超過部分可通過中繼器進(jìn)行擴(kuò)展和隔離，以最大程度減少設(shè)備的電氣干擾和保證總線的技術(shù)性能，輸煤系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)網(wǎng)段的總線傳輸速率應(yīng)設(shè)置成不大于500 kbit/s以保證復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)可靠傳輸。

表1 波特率與網(wǎng)段電纜總長度的對(duì)照表

2.4 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指網(wǎng)段之間以及網(wǎng)段內(nèi)各種總線設(shè)備的物理連接方式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和波特率一起決定了Profibus總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實(shí)時(shí)性，也直接決定了總線的現(xiàn)場施工工藝。圖2為輸煤系統(tǒng)Profibus總線網(wǎng)絡(luò)常用的總線型、光纖環(huán)型、菊花鏈型、PA樹型拓?fù)湫问健?/p>

圖2 輸煤Profibus網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要配置不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，必須在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備支持的總線類型和網(wǎng)絡(luò)可靠性要求設(shè)計(jì)合適的結(jié)構(gòu)搭建網(wǎng)絡(luò)，否則一旦網(wǎng)絡(luò)電纜敷設(shè)及連接工作完畢，再次更改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將異常困難。Profibus-DP雙絞線通信介質(zhì)網(wǎng)段中的各節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量采用菊花鏈型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在無法實(shí)現(xiàn)菊花鏈型的場合如抽屜式MCC可通過T形分支線接入DP干線，但應(yīng)注意由于T形支線改變了總線的阻抗特性會(huì)引起傳輸信號(hào)發(fā)射干擾，單網(wǎng)段分支電纜總長度應(yīng)嚴(yán)格遵循Profibus協(xié)議規(guī)定，見表2。

表2 波特率與網(wǎng)段分支電纜總長度的對(duì)照表

Profibus-PA的傳輸速率為31.25 kbit/s，屬于低速(H1)網(wǎng)段，因此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有多種形式，可以實(shí)現(xiàn)樹型、總線型或其他組合型結(jié)構(gòu)，就地PA設(shè)備和PA分配器之間采用線性連接，PA分配器之間采用總線型連接，所有連接在現(xiàn)場總線上的設(shè)備通過現(xiàn)場分配器進(jìn)行并行切換[5]。

2.5 Profibus總線I/O模塊的選型

布置的設(shè)備附近的現(xiàn)場I/O模塊應(yīng)有緊湊堅(jiān)固的外殼，具備IP67的防護(hù)等級(jí)，能保證在現(xiàn)場惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，模塊支持熱插拔功能，具有組診斷、組保護(hù)功能(各輸入點(diǎn)有診斷傳送回主站CPU，以便任一輸入點(diǎn)故障時(shí)都能得到快速確認(rèn))，I/O模塊集成有PB-DP通信功能，利用接插件可直接掛上PB-DP鏈路，而無需外加通信模塊。目前各大自動(dòng)化廠商均能提供成熟的總線IO模塊，輸煤控制系統(tǒng)應(yīng)用較多的是西門子ECO、菲尼克斯FLM和圖爾克FLDP系列。

2.6 現(xiàn)場總線控制程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)對(duì)Profibus現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)據(jù)交換的方式有2種，DPV0周期性循環(huán)交換和DPV1非周期性循環(huán)輪詢。DPV0周期性循環(huán)交換是Profibus控制主站按照設(shè)定的掃描周期快速地與從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，適用于從站設(shè)備與控制相關(guān)的主要狀態(tài)參數(shù)和故障匯總信息交互，保證控制的實(shí)時(shí)性；DPV1非周期性循環(huán)輪詢類似于循環(huán)的數(shù)據(jù)通信，但使用較低的優(yōu)先權(quán)，Profibus控制主站控制器可不定時(shí)按固定的順序向從站發(fā)送查詢或在收到從站的診斷中斷后執(zhí)行查詢，一般用于從站參數(shù)設(shè)置、故障診斷和報(bào)警處理。

輸煤控制系統(tǒng)結(jié)合了上述2種方式進(jìn)行相應(yīng)的硬件組態(tài)和軟件設(shè)計(jì)。

2.6.1 DPV0周期性循環(huán)交換程序設(shè)計(jì)

導(dǎo)入現(xiàn)場總線設(shè)備廠家提供的GSD文件組態(tài)接口，并按照接口數(shù)據(jù)格式要求定義總線設(shè)備到控制系統(tǒng)的內(nèi)存地址映射關(guān)系，內(nèi)存地址應(yīng)包括控制設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)(遠(yuǎn)方、運(yùn)行、停止、故障、電流)、控制信號(hào)(啟動(dòng)、停止、復(fù)位、參數(shù)設(shè)定等)，根據(jù)從站設(shè)備定義的循環(huán)數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能塊解析映射地址的信號(hào)并開發(fā)設(shè)備控制邏輯。

2.6.2 DPV1非周期性循環(huán)輪詢程序設(shè)計(jì)

復(fù)雜的Profibus總線系統(tǒng)在運(yùn)行過程中難免會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)故障，如何準(zhǔn)確快速提供故障信息并分析故障原因是總線應(yīng)用的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，應(yīng)充分利用控制系統(tǒng)組態(tài)平臺(tái)提供診斷功能塊，深入研究總線模塊診斷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，基于從站DPV1非周期性功能開發(fā)分層級(jí)DP網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)，并把診斷信息及時(shí)發(fā)布在運(yùn)行監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)站級(jí)、模塊級(jí)、通道級(jí)、設(shè)備級(jí)的故障診斷和快速定位。

3 工程應(yīng)用

某發(fā)電廠一期2臺(tái)660 MW超超臨界輸煤控制系統(tǒng)采用了全分布式Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)，程控系統(tǒng)選用西門子S7-414H雙機(jī)熱備系統(tǒng)作為Profibus主站控制器，西門子ET200 ECO模塊作為現(xiàn)場總線IO模塊，徹底取消了常規(guī)的遠(yuǎn)程I/O站，PLC的組態(tài)平臺(tái)為STEP7。根據(jù)輸煤工藝設(shè)備和MCC柜的分布情況，在輸煤綜合樓設(shè)置Profibus主站，在翻車機(jī)室、2號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站、筒倉、4號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站、碎煤機(jī)室、煤倉間6個(gè)區(qū)域設(shè)置Profibus分站，各站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)單元通過冗余光纖接入輸煤Profibus主站，并根據(jù)工藝設(shè)備特點(diǎn)又將每個(gè)區(qū)域劃分成若干個(gè)網(wǎng)段，每個(gè)網(wǎng)段設(shè)置有中繼單元和有源終端電阻，用以擴(kuò)展和隔離總線設(shè)備，匹配總線電纜阻抗。該項(xiàng)目共設(shè)計(jì)有31個(gè)網(wǎng)段、260個(gè)總線節(jié)點(diǎn)、現(xiàn)場總線IO模塊、PA料位計(jì)智能馬達(dá)保護(hù)器等總線設(shè)備直接接入或經(jīng)DP/DP耦合裝置(Y-LINK)分網(wǎng)段接入各區(qū)域分站的冗余網(wǎng)絡(luò)(見表3)。

表3 輸煤控制系統(tǒng)總線網(wǎng)段統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語

全分布式輸煤控制系統(tǒng)Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)解決了輸煤設(shè)備全總線接入、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與規(guī)劃、從站設(shè)備故障診斷與分析等關(guān)鍵問題，提升了輸煤系統(tǒng)總線應(yīng)用的深度和廣度，提高了輸煤控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，有效節(jié)省了電纜、橋架等安裝材料和施工成本，總線提供的大量設(shè)備附加信息，有助于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備智能管理和預(yù)測維護(hù)，為電廠全面數(shù)字化生產(chǎn)和管理奠定了基礎(chǔ)。