馬可心，李建軍，姚 遠(yuǎn)，郝 欣

(1.國(guó)家電投集團(tuán)東北電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110181；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微處理器技術(shù)得到很大發(fā)展，基于控制架構(gòu)的分析屬于集中式控制系統(tǒng)。隨著技術(shù)不斷革新，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化儀表技術(shù)、過(guò)程控制技術(shù)，都已得到較大發(fā)展，并推動(dòng)控制領(lǐng)域又發(fā)生了一次新的技術(shù)變革。這次變革主要是產(chǎn)生了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，使傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能與結(jié)構(gòu)有了巨大飛躍。

現(xiàn)場(chǎng)總線是通過(guò)雙向串行、多節(jié)點(diǎn)、數(shù)字式通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)自動(dòng)化控制設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行連接的一項(xiàng)技術(shù)，也被稱為現(xiàn)場(chǎng)底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)[1]。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都運(yùn)用了微處理器和數(shù)字化元件以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部操作，提高了設(shè)備的性價(jià)比，因此需要對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行數(shù)字通信?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)成為目前熱點(diǎn)技術(shù)之一，在自動(dòng)化領(lǐng)域也被稱為計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)[2]，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以對(duì)智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字通信，還可以在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與高級(jí)控制系統(tǒng)之間進(jìn)行信息文件傳遞。

現(xiàn)場(chǎng)總線突破了傳統(tǒng)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”式模擬信號(hào)、數(shù)字-模擬信號(hào)控制的限制，集自動(dòng)控制技術(shù)、智能儀表、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等于一體，是一種用于自動(dòng)化系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接的多分支、雙向、數(shù)字式、互聯(lián)、全分散的通信網(wǎng)絡(luò)，其以智能儀表作為基礎(chǔ)，將分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連為一體，并結(jié)合控制器與監(jiān)視器構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)[3]。

不同廠商的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，可以通過(guò)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集中在同一套現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS中，使其具有互操作性與互換性[4]。相比于傳統(tǒng)的DCS，F(xiàn)CS將控制功能進(jìn)行下放，將控制計(jì)算、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出等控制功能附于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表之上，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將現(xiàn)場(chǎng)儀表采集的數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)上傳到控制室的控制設(shè)備中，并由控制設(shè)備對(duì)儀表運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和上傳數(shù)據(jù)保存，同時(shí)部分現(xiàn)場(chǎng)儀表無(wú)法完成的高級(jí)功能也可由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)[5]。

本文研究將PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線與DCS無(wú)縫融合共同應(yīng)用于火電機(jī)組化學(xué)水車間的現(xiàn)場(chǎng)控制。

1 PROFIBUS控制特點(diǎn)

a.開(kāi)放性。遵循統(tǒng)一的公開(kāi)化通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，讓不同廠商的設(shè)備通過(guò)FCS進(jìn)行信息互換，使用戶可以將來(lái)自不同廠商的設(shè)備集成最合適的控制系統(tǒng)[6]。

b.互操作性?；ゲ僮餍灾覆煌瑥S商的控制設(shè)備可以在性能相同的情況下進(jìn)行互換，不僅可以互相通信，還能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的控制策略，組成統(tǒng)一組態(tài)。

c.靈活網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。面臨不同的現(xiàn)場(chǎng)情況，F(xiàn)CS可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性，構(gòu)成最適宜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如星型、樹(shù)型、層次化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、總線型等[7]。

d.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備改變了傳統(tǒng)DCS分散與集中相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，借助其智能化特點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)化控制，構(gòu)成一種控制功能分散、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、可靠性較高的分布式控制系統(tǒng)，即使上層網(wǎng)絡(luò)被斷開(kāi)或無(wú)法正常運(yùn)作，底層設(shè)備仍正常使用，具有較高的智能性。

e.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的高度智能化。傳統(tǒng)DCS的控制站較為集中，由輸入、輸出、CPU等單元組成，負(fù)荷較重。FCS將控制功能分散于各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集處理、設(shè)備校驗(yàn)診斷、PID運(yùn)算控制等自動(dòng)控制的部分功能；此外，系統(tǒng)操作員還可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并遠(yuǎn)程對(duì)其進(jìn)行故障診斷和參數(shù)調(diào)整。

f.對(duì)環(huán)境的高度適應(yīng)性?，F(xiàn)場(chǎng)總線可以使用光纜、無(wú)線、同軸電纜和雙絞線等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。雙絞線是較為廉價(jià)的數(shù)據(jù)通信線，可以使用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行電量供應(yīng)，較為安全。

2 化學(xué)水車間PROFIBUS應(yīng)用設(shè)計(jì)方案

某電廠2×350 MW機(jī)組建設(shè)工程DCS系統(tǒng)采用北京國(guó)電智深技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱為國(guó)電智深)的EDPF-NT+系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制單元DPU控制柜包括所有的I/O控制模塊，其中EDPF-PB模塊為PROFIBUS總線I/O采集模塊，PROFIBUS所有高級(jí)運(yùn)算功能均在DPU中實(shí)現(xiàn)，并與其他非總線控制設(shè)備同步計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線與非總線混合控制的無(wú)縫結(jié)合。

2.1 PROFIBUS軟件構(gòu)成

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線包括PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA 3種通信協(xié)議。

a.FMS(field message specification)用于車間級(jí)通信，其主要是可編程控制器之間的通信。作為第1個(gè)PROFIBUS通信協(xié)議，F(xiàn)MS可以看作為PROFIBUS DP的先驅(qū)，在現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)中已不再使用。

b.DP(decentralized peripherals)用于總線主站與其所屬?gòu)恼驹O(shè)備之間進(jìn)行簡(jiǎn)單、快速、循環(huán)和時(shí)間確定性的過(guò)程數(shù)據(jù)交換。其特點(diǎn)是即插即用、高效廉潔，目前主要應(yīng)用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。

c.PA(process automation)以符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS-DP為基礎(chǔ)，增加PA總線的應(yīng)用行規(guī)以及相應(yīng)的通信技術(shù)。

2.2 設(shè)備類型

PA協(xié)議是從DP上發(fā)展來(lái)的，所以二者的基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一樣。下面以DP系統(tǒng)為例簡(jiǎn)單介紹總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型，每個(gè)DP系統(tǒng)由不同類型的設(shè)備組成，這些設(shè)備分為3類。

a.DP-1類主站設(shè)備是主從式系統(tǒng)中的中央控制器，其和從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，信息交換在報(bào)文周期內(nèi)循環(huán)，如DCS及PLC等都是典型的DPM1設(shè)備。這類設(shè)備對(duì)于總線訪問(wèn)具有主動(dòng)權(quán)，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)定值在固定時(shí)間進(jìn)行讀取。

b.DP-2類主站設(shè)備是工程設(shè)計(jì)、組態(tài)或操作設(shè)備，主要對(duì)組態(tài)系統(tǒng)中的連接設(shè)備、請(qǐng)求設(shè)備狀況、評(píng)估測(cè)量值和參數(shù)等進(jìn)行維護(hù)和診斷。DPM2有主動(dòng)的總線訪問(wèn)權(quán)，而且不必固定地連接在總線系統(tǒng)中，典型設(shè)備如診斷工具ProfiTrace2等。

c.DP從站設(shè)備是I/O 設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、HMI、閥門(mén)、變送器等外圍設(shè)備。從站沒(méi)有總線控制權(quán)，僅對(duì)接收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向其發(fā)送信息。

參數(shù)化、組態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸是DP主站與所屬?gòu)恼具M(jìn)行數(shù)據(jù)通信的3個(gè)階段，在參數(shù)化、組態(tài)階段，即進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸之前，會(huì)進(jìn)行組態(tài)設(shè)備與實(shí)際設(shè)備的匹配。在此過(guò)程之中，會(huì)對(duì)設(shè)備類型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與格式、I/O數(shù)量進(jìn)行檢驗(yàn)，從而保證參數(shù)化正常，增強(qiáng)其可靠性。

在總線網(wǎng)絡(luò)中，所有設(shè)備都被連接在一個(gè)總線結(jié)構(gòu)里，一個(gè)總線網(wǎng)段內(nèi)最多可以連接32個(gè)主站或從站。如果需要配置大于32個(gè)站或需要擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，則必須使用中繼器(Repeater)來(lái)連接各個(gè)總線網(wǎng)段。根據(jù)PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)，任意2個(gè)站之間最多允許連接4個(gè)中繼器，而且每個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)最多允許126個(gè)主站或從站。

2.3 PB模件配置方案

國(guó)電智深的PB卡在DCS系統(tǒng)中主要將PROFIBUS協(xié)議數(shù)據(jù)和UDP 協(xié)議數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)發(fā)。在工程應(yīng)用中參考配置步驟如下。

a.確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。

b.配置控制器的IP地址。

c.安裝PB卡DTM，使用軟件fdtCONTAINER.exe配置PB卡的IP地址。

d.配置控制器的eio文件，建立控制器與PB卡的通信。

e.使用軟件fdtCONTAINER.exe，通過(guò)PB卡DTM為PB卡配置從站信息和端口信息，建立PB卡與從站設(shè)備的通信。

f.組態(tài)PB卡和從站設(shè)備，建立設(shè)備與算法模塊的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

g.根據(jù)實(shí)際需求建點(diǎn)、做監(jiān)控畫(huà)面。

PB卡管理軟件“fdtCONTAINER.exe”用于對(duì)PB卡進(jìn)行配置和管理，在組態(tài)過(guò)程中需要頻繁使用該軟件修改PB卡配置，使其符合現(xiàn)場(chǎng)總線的通信要求。

2.4 化學(xué)水車間DP/PA總線設(shè)計(jì)方案

化學(xué)水車間的鍋爐補(bǔ)給水、原水再生、工業(yè)廢水及多水合一等4個(gè)系統(tǒng)采用PROFIBUS控制方式，所有控制單元均采用冗余PB卡及冗余總線方式設(shè)計(jì)，保證當(dāng)就地傳輸設(shè)備或控制設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)造成就地被控對(duì)象失控。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備配置情況，PROFIBUS-DP采用冗余DP總線配置方案，即冗余的PB卡和DP，其中所有電動(dòng)機(jī)保護(hù)設(shè)備均采用雙路DP總線配置，保證所有電動(dòng)機(jī)控制安全可靠。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表等設(shè)備，PROFIBUS-PA采用DP/PA耦合器+PA分支器的方式接入PROFIBUS總線。DP/PA耦合器是1臺(tái)多功能的集成化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP到PROFIBUS-PA的雙向轉(zhuǎn)換，通過(guò)硬件撥碼實(shí)現(xiàn)不同速率轉(zhuǎn)換，支持自動(dòng)識(shí)別速率。PA分支器可以將現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，如現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表、傳感器、執(zhí)行器等通過(guò)分支電纜連接到現(xiàn)場(chǎng)總線的主干線上。

3 總線敷設(shè)原則

a.動(dòng)力電纜與總線電纜分線槽布線，如無(wú)法分線槽布線需要將2類電纜盡量遠(yuǎn)離，中間增加隔板密封，最好加蓋板封閉；平行敷設(shè)間距不應(yīng)小于20 cm，交叉時(shí)需要直角交叉，防止空間電容耦合干擾。

b.當(dāng)總線電纜穿過(guò)復(fù)雜電磁環(huán)境時(shí)，使用金屬套管進(jìn)行保護(hù)。

c.總線電纜與動(dòng)力電纜在進(jìn)入機(jī)柜后要避免長(zhǎng)距離平行布線，否則應(yīng)采取保護(hù)措施。

d.總線電纜必須完整，不應(yīng)出現(xiàn)斷點(diǎn)，如果總線電纜長(zhǎng)度不夠，則應(yīng)重新敷設(shè)；電纜敷設(shè)不要太緊，否則會(huì)引起應(yīng)力。

e.DP電纜敷設(shè)遵循最短路徑敷設(shè)原則。

f.PA電纜采用單點(diǎn)接地，不在就地儀表處接地，就地儀表的屏蔽線剪掉包好。

g.建議每2個(gè)站之間的長(zhǎng)度不要小于1 m，因?yàn)榫嚯x太近會(huì)引起信號(hào)反射。

h.通信電纜過(guò)長(zhǎng)時(shí)不要形成環(huán)狀，容易產(chǎn)生干擾。

i.總線電纜外屏蔽層較薄，敷設(shè)時(shí)要保護(hù)，避免接觸橋架鋒利邊緣。牽引PROFIBUS電纜要以適宜的拉力和彎曲半徑經(jīng)過(guò)有夾角的橋架，以避免對(duì)電纜造成損失。

j.DP電纜在插頭內(nèi)接線時(shí)，需將屏蔽層剝開(kāi)，將屏蔽層壓在插頭的金屬部分外。為了避免屏蔽層剝開(kāi)后引起干擾，剝開(kāi)部分不要太長(zhǎng)，使其暴露在空間的部分較少。

k.一般使用接入等電勢(shì)連接系統(tǒng)的方法，當(dāng)PROFIBUS站直接接入PROFIBUS電纜時(shí)，連接DP電纜屏蔽層與設(shè)備屏蔽端子或屏蔽電纜卡的方法較為可靠。

l.布線時(shí)通信電纜應(yīng)當(dāng)離干擾源較遠(yuǎn)，在機(jī)柜內(nèi)盡量與高電壓、大電流的電纜在不同的線槽走線。同時(shí)避免在機(jī)柜內(nèi)成環(huán)，特別是將變頻器等干擾源環(huán)繞其中。

4 存在問(wèn)題分析

4.1 主站無(wú)法與設(shè)備建立正常的通信連接

a.物理層連接有誤,主要原因?yàn)殡娎|或光纜斷路、光纜連接錯(cuò)誤(將光纖收發(fā)器的T端接到PB卡的R端，將光纖收發(fā)器的R端接到PB卡的T端)、電纜的A/B線短路或接反、通信距離超過(guò)允許范圍。

b.設(shè)備通信地址設(shè)置錯(cuò)誤，將網(wǎng)段中間的設(shè)備設(shè)置成終端，導(dǎo)致后續(xù)設(shè)備斷路。

4.2 設(shè)備與主站通信正常但無(wú)法遠(yuǎn)控

檢查就地設(shè)備通信參數(shù)未正確設(shè)置，很多執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要設(shè)置成總線型才可操作；確保DCS組態(tài)正確。

4.3 設(shè)備通信不穩(wěn)定

a.通信電纜和動(dòng)力電纜的距離過(guò)近。解決方法：將通信電纜和動(dòng)力電纜之間的距離擴(kuò)大到20 cm以上，最好可以分線槽敷設(shè)。

b.總線網(wǎng)段終端未安裝終端電阻或終端電阻未上電。解決方法：檢查終端電阻是否安裝，是否與網(wǎng)段設(shè)備接通，供電是否正常。

c．設(shè)備未接地或總線電纜的屏蔽層未正常接入設(shè)備。解決方法：檢查設(shè)備接地和電纜屏蔽是否正常接入。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)電智深的現(xiàn)場(chǎng)總線在化學(xué)水車間控制的成功應(yīng)用表明了PROFIBUS在火電機(jī)組控制完全可行，在方案實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備與DPU的通信是調(diào)試的基礎(chǔ)和重點(diǎn)，智能儀表的配置及可靠性設(shè)計(jì)是影響現(xiàn)場(chǎng)總線成敗的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)DCS控制相比，調(diào)試工作量更大，DPU配置數(shù)量、電纜用量及機(jī)柜數(shù)量均大幅降低，在保證控制可靠性的前提下，顯著減少了資金成本和設(shè)備維護(hù)的工作量。