馬可心，李建軍，姚 遠，郝 欣

(1.國家電投集團東北電力有限公司，遼寧 沈陽 110181；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 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，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化儀表技術(shù)、過程控制技術(shù)，都已得到較大發(fā)展，并推動控制領(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)場總線是通過雙向串行、多節(jié)點、數(shù)字式通信網(wǎng)絡(luò)對自動化控制設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備進行連接的一項技術(shù)，也被稱為現(xiàn)場底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)[1]。由于現(xiàn)場設(shè)備都運用了微處理器和數(shù)字化元件以實現(xiàn)內(nèi)部操作，提高了設(shè)備的性價比，因此需要對這些設(shè)備進行數(shù)字通信?，F(xiàn)場總線技術(shù)成為目前熱點技術(shù)之一，在自動化領(lǐng)域也被稱為計算機局域網(wǎng)[2]，現(xiàn)場總線技術(shù)可以對智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備進行數(shù)字通信，還可以在現(xiàn)場設(shè)備與高級控制系統(tǒng)之間進行信息文件傳遞。

現(xiàn)場總線突破了傳統(tǒng)“點對點”式模擬信號、數(shù)字-模擬信號控制的限制，集自動控制技術(shù)、智能儀表、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機控制技術(shù)等于一體，是一種用于自動化系統(tǒng)與現(xiàn)場設(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)場總線控制系統(tǒng)[3]。

不同廠商的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，可以通過統(tǒng)一的國際標準集中在同一套現(xiàn)場總線控制系統(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將控制功能進行下放，將控制計算、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)場智能儀表之上，然后通過現(xiàn)場總線將現(xiàn)場儀表采集的數(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)備對儀表運行狀態(tài)進行監(jiān)視和上傳數(shù)據(jù)保存，同時部分現(xiàn)場儀表無法完成的高級功能也可由現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)[5]。

本文研究將PROFIBUS現(xiàn)場總線與DCS無縫融合共同應(yīng)用于火電機組化學(xué)水車間的現(xiàn)場控制。

1 PROFIBUS控制特點

a.開放性。遵循統(tǒng)一的公開化通信協(xié)議標準，讓不同廠商的設(shè)備通過FCS進行信息互換，使用戶可以將來自不同廠商的設(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行互換，不僅可以互相通信，還能實現(xiàn)統(tǒng)一的控制策略，組成統(tǒng)一組態(tài)。

c.靈活網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。面臨不同的現(xiàn)場情況，F(xiàn)CS可以根據(jù)現(xiàn)場的復(fù)雜性，構(gòu)成最適宜的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如星型、樹型、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)，借助其智能化特點進行自動化控制，構(gòu)成一種控制功能分散、結(jié)構(gòu)簡化、可靠性較高的分布式控制系統(tǒng)，即使上層網(wǎng)絡(luò)被斷開或無法正常運作，底層設(shè)備仍正常使用，具有較高的智能性。

e.現(xiàn)場設(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，負荷較重。FCS將控制功能分散于各個現(xiàn)場設(shè)備之中，現(xiàn)場設(shè)備可以執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集處理、設(shè)備校驗診斷、PID運算控制等自動控制的部分功能；此外，系統(tǒng)操作員還可進行遠程操作，對現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，并遠程對其進行故障診斷和參數(shù)調(diào)整。

f.對環(huán)境的高度適應(yīng)性?，F(xiàn)場總線可以使用光纜、無線、同軸電纜和雙絞線等方式進行數(shù)據(jù)通信，具有很強的抗干擾能力。雙絞線是較為廉價的數(shù)據(jù)通信線，可以使用現(xiàn)場設(shè)備進行電量供應(yīng)，較為安全。

2 化學(xué)水車間PROFIBUS應(yīng)用設(shè)計方案

某電廠2×350 MW機組建設(shè)工程DCS系統(tǒng)采用北京國電智深技術(shù)有限公司(以下簡稱為國電智深)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所有高級運算功能均在DPU中實現(xiàn)，并與其他非總線控制設(shè)備同步計算，實現(xiàn)了現(xiàn)場總線與非總線混合控制的無縫結(jié)合。

2.1 PROFIBUS軟件構(gòu)成

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

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

b.DP(decentralized peripherals)用于總線主站與其所屬從站設(shè)備之間進行簡單、快速、循環(huán)和時間確定性的過程數(shù)據(jù)交換。其特點是即插即用、高效廉潔，目前主要應(yīng)用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。

c.PA(process automation)以符合國際標準的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)為例簡單介紹總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型，每個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，其和從站進行數(shù)據(jù)交換，信息交換在報文周期內(nèi)循環(huán)，如DCS及PLC等都是典型的DPM1設(shè)備。這類設(shè)備對于總線訪問具有主動權(quán)，可以對現(xiàn)場設(shè)備的測量數(shù)據(jù)及執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)定值在固定時間進行讀取。

b.DP-2類主站設(shè)備是工程設(shè)計、組態(tài)或操作設(shè)備，主要對組態(tài)系統(tǒng)中的連接設(shè)備、請求設(shè)備狀況、評估測量值和參數(shù)等進行維護和診斷。DPM2有主動的總線訪問權(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)動器、HMI、閥門、變送器等外圍設(shè)備。從站沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給予確認或當(dāng)主站發(fā)出請求時向其發(fā)送信息。

參數(shù)化、組態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸是DP主站與所屬從站進行數(shù)據(jù)通信的3個階段，在參數(shù)化、組態(tài)階段，即進行實際數(shù)據(jù)傳輸之前，會進行組態(tài)設(shè)備與實際設(shè)備的匹配。在此過程之中，會對設(shè)備類型、數(shù)據(jù)長度與格式、I/O數(shù)量進行檢驗，從而保證參數(shù)化正常，增強其可靠性。

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

2.3 PB模件配置方案

國電智深的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)備與算法模塊的對應(yīng)關(guān)系。

g.根據(jù)實際需求建點、做監(jiān)控畫面。

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

2.4 化學(xué)水車間DP/PA總線設(shè)計方案

化學(xué)水車間的鍋爐補給水、原水再生、工業(yè)廢水及多水合一等4個系統(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，保證當(dāng)就地傳輸設(shè)備或控制設(shè)備出現(xiàn)故障時，不會造成就地被控對象失控。

根據(jù)現(xiàn)場智能設(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，其中所有電動機保護設(shè)備均采用雙路DP總線配置，保證所有電動機控制安全可靠。

對于現(xiàn)場智能儀表等設(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臺多功能的集成化設(shè)備，實現(xiàn)PROFIBUS-DP到PROFIBUS-PA的雙向轉(zhuǎn)換，通過硬件撥碼實現(xiàn)不同速率轉(zhuǎn)換，支持自動識別速率。PA分支器可以將現(xiàn)場總線設(shè)備，如現(xiàn)場測量儀表、傳感器、執(zhí)行器等通過分支電纜連接到現(xiàn)場總線的主干線上。

3 總線敷設(shè)原則

a.動力電纜與總線電纜分線槽布線，如無法分線槽布線需要將2類電纜盡量遠離，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)總線電纜穿過復(fù)雜電磁環(huán)境時，使用金屬套管進行保護。

c.總線電纜與動力電纜在進入機柜后要避免長距離平行布線，否則應(yīng)采取保護措施。

d.總線電纜必須完整，不應(yīng)出現(xiàn)斷點，如果總線電纜長度不夠，則應(yīng)重新敷設(shè)；電纜敷設(shè)不要太緊，否則會引起應(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個站之間的長度不要小于1 m，因為距離太近會引起信號反射。

h.通信電纜過長時不要形成環(huán)狀，容易產(chǎn)生干擾。

i.總線電纜外屏蔽層較薄，敷設(shè)時要保護，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)過有夾角的橋架，以避免對電纜造成損失。

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

k.一般使用接入等電勢連接系統(tǒng)的方法，當(dāng)PROFIBUS站直接接入PROFIBUS電纜時，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.布線時通信電纜應(yīng)當(dāng)離干擾源較遠，在機柜內(nèi)盡量與高電壓、大電流的電纜在不同的線槽走線。同時避免在機柜內(nèi)成環(huán)，特別是將變頻器等干擾源環(huán)繞其中。

4 存在問題分析

4.1 主站無法與設(shè)備建立正常的通信連接

a.物理層連接有誤,主要原因為電纜或光纜斷路、光纜連接錯誤(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、通信距離超過允許范圍。

b.設(shè)備通信地址設(shè)置錯誤，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法遠控

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.通信電纜和動力電纜的距離過近。解決方法：將通信電纜和動力電纜之間的距離擴大到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

國電智深的現(xiàn)場總線在化學(xué)水車間控制的成功應(yīng)用表明了PROFIBUS在火電機組控制完全可行，在方案實施過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場智能設(shè)備與DPU的通信是調(diào)試的基礎(chǔ)和重點，智能儀表的配置及可靠性設(shè)計是影響現(xiàn)場總線成敗的關(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)備維護的工作量。