现场总线技术及其在电力行业中的应用

一、引 言

　　我国因用电紧缺，急需一批先进的大型火电机组，但我过这方面技术落后，从国外引进。同时也引进了分散控制系统和PLC。FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。DCS系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。数据公路的媒体可以是：一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。通过数据公路的设计参数，基本上可以了解一个特定DCS系统的相对优点与弱点。为保证通信的完整，大部分DCS厂家都能提供冗余数据公路。为了保证系统的安全性，使用了复杂的通信规约和检错技术。所谓通信规约就是一组规则，用以保证所传输的数据被接收，并且被理解得和发送的数据一样。目前在DCS系统中一般使用两类通信手段，即同步的和异步的，同步通信依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收，异步网络采用没有时钟的报告系统。

　　二、现场总线技术

　　2.1 现场总线的概念

　　现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。

　　传统的4-20mA信号连接，信息量有限，严重制约了企业信息集成和企业综合自动化的实现。现场总线技术把孤立的现场级设备带进了企业信息网络中。

　　2.2 Profibus 技术介绍

　　PROFIBUS，是一种国际化。开放式。不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS传送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

　　PPROFIBUS是过程现场总线的缩写，于1989年正式成为现场总线的国际标准。目前在多种自动化的领域中占据主导地位，全世界的设备节点数已经超过2000万。它由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP（ Decentralized Periphery）。PROFIBUS－PA（Process Automation ）。PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message Specification ）。主要使用主-从方式，通常周期性地与传动装置进行数据交换rofibus是德国于90年代初制订的国家工业现场总线协议标准，代号DTN19245，目前是IEC 61158国际标准中的Type3部分。现在它成为不依赖于设备生产商、开放的、国际化的现场总线标准之一。广泛应用于制造自动化、流程工业自动化、楼宇、交通、电力等领域的自动化控制系统中。

　　PROFIBUS–DP：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代办24VDC或4－20mA信号传输。专为现场级分散IO节点设计；

　　PORFIBUS－PA：专为过程自动化设计，适合于本质安全的场合，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。

　　PROFIBUS－FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构。实时多主网络。为车间级通信任务提供了大量的通信服务。

　　PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

　　Profibus网络协议也是以ISO的OSI七层参考模型为基础，对第三层到第六层进行了简化。

　　TEC61158中Type3的第一部分定义了Profibus的物量层和链路层协议，其技术指标如下：

　　物理接口标准：EIA RS-485

　　网络接口：sub-D9 芯插头

　　网络拓扑：线性总线两端加终端电阻

　　存取方式：链路层采用混合介质存取方式，主站间按令牌环方式，主站和从站间按主从方式工作。

　　站点数：主从站最多127个，每段最多32站，段间采用中继器连接。

　　电缆：屏敝双绞线截面>0.22mm2，阻抗120Ω

　　传输波特率：9.6k——-l2M

　　传输距离：1200m以下，与传输波特率成反比，可用Repeater（中继器）增加传输距离。

　　TEC61158中Type3的第二部分定义了应用层协义，称为FMS。FMS提供强有力的通信功能。

　　TEC61158中Type3的第三部分定义了DP协议，用于传感器和执行器级的高速数据传输：其传输速率可达12Mbit/s，一般构成单主站系统，在SIMATIC中FMS和DP可混合工作。

　　TEC61158中Type3的第四部分为PA协议，用于安全性较高的场合，设备行规定义了设备自有的功能，设备描述语言及功能块允许对设备进行完全的内部操作。

　　IEC61158中Type3的第一部分分别与第二、第三、第四部分构成了Profibus的三个兼容部分，即：Profibus-FMS、Profibus-DP、Profibus-PA,分别应用于不同的场合。

　　图1为Profibus通讯协议的结构示意

　　PROFIBUS总线具有下面特点：

　　1.用一根串行的数字总线替代传统的并行24V信号和4～2OmA模拟信号

　　2.通过一根双芯屏蔽电缆连接中央控制器和现场设备

　　3.同样适用于防爆环境和有安全要求的应用：一个系统适合于不同的应用

　　4.数据和电源通过同一根电缆传输（PA）

　　5.对于所有的设备，只需要一个通用的组态和工程工具

　　6.连接不同厂商的设备

　　7.开放的、不依赖于厂商的现场总线，并符合IEC61158国际标准（Type3）

　　三、Profibus系统在循环流化床锅炉控制系统的应用方案

　　在下面的论述中，我们将以电厂循环流化床锅炉机组控制系统为例，介绍一下现场总线技术在电厂的应用。

　　电厂控制分成：过程控制系统和辅机控制系统

　　主机控制系统：

　　· 数据采集 （DAS）

　　· 模拟量控制 （MCS）

　　· 发电机-变压器组和厂用电源系统顺序控制 SCS（G/A）]

　　· 锅炉炉膛安全监控系统 （FSSS）

　　· 汽轮机电液控制系统 （DEH）

　　· 辅机控制系统：

　　· 输煤程控：

　　· 化学水处理：

　　· 除尘除灰：

　　· 脱硫系统：

　　近年来，循环流化床锅炉在国内外都得到了广泛的应用，其高效、节能、环保等优点是众所周知的

　　3.1 系统构成

　　控制系统选用了西门子公司的过程控制系统。采用西门子工控机，配有STEP7 V5.2 编程软件，WinCC6.0监控软件为上位机监控系统。

　　下位机监控系统组成：两套西门子PLC—CPU 417-2DP,四个ET2OOM工作站。以PROFI-BUS-DP和PROFIBUS-PA作为其现场总线，CP连接的以支持Profibus协议的PROFIBUS作为系统总线。

　　3.2 监控系统：

　　监控系统由一个操作员站和一个工程师站组成。操作员站主要完成与下位机的数据交换（数据采集），显示各种已组态好的系统流程画面、参数显示画面、控制画面、趋势曲线、报警画面，报表打印及控制参数设置等功能。使操作员可以及时的了解整个锅炉的运行情况，并采用有效的控制，以保证生产稳定运行。工程师站主要完成整个监控系统的运行组态，监控数据库组态及显示，各种显示及控制画面的组态，报警组态，事件纪录及显示和实事及历史趋势显示。

　　3.3 控制方案说明

　　在控制方案中床温及锅炉负荷采用模糊控制；锅炉液位、过热蒸汽温度，炉膛压力、料床高度、除氧压力、除氧器液位都采用了传统的PID调节回路。

　　在WINCC中建立模糊控制规则输入表。通过多变量模糊控制设计工具，并且在WinCC画面中编辑了脱硫配方的计算及锅炉效率，水、煤、气、电等参数累计及瞬时的显示。WINCC中建立模糊控制规则输入表建立连接，即可将模糊控制规则下载到PLC中去。规则控制表可根据锅炉的实际工作情况进行适时修改。

    由于西门子冗余系统采用了时间同步的专利技术，可以保证以最快的速度进行主从切换，而且其现场总线网络也采用了冗余的PROFIBUS技术，保证了系统的可靠性。对于仪表总线可采Y-LINK连接到Profibus PA仪表上。

　　系统过程控制级的硬件结构如图2所示。

　　在这个系统中，充分体现了西门子新一代过程控制系统的优势。使用的组态软件是西门子的STEP75.2，由于其友好的用户功能，标准化的PLC编程语言，结构化的编程思想，优良的测试功能，用户带来了很大的方便。利用其集成的标准PID控制软件包，能很好的实现传统的PID调节。将模糊控制与经典的PID控制器相结合，可以达到最优的控制目的。

　　对于系统的监视和控制，西门子的WlNCC 6.0，它是在PC基础上的全面开放的新一代的人机界面监控系统。WINCC提供成熟可靠的操作，无论简单、复杂任务，都能有效的组合，恰当的处理。

　　四、结束语

　　Profibus技术从2000年开始已成功应用于辅机程控中，特别是在四川厂安电厂辅机控制系统中，现场设备的控制全部采用了Profibus技术，得到了用户的高度评价。尤其是与传统集中控制比较，从系统设计、安装调试、维护及扩展上，现场总线技术的优势十分明显，为实现无人值守的自动化远程监控提供了技术装备基础。