融入现场总线技术的DCS在火电厂的应用研究

全数字化控制是火电厂过程控制系统的发展方向,而采用全数字式信号的现场总线技术则是实现数字化电厂的基础。新型控制系统以DCS为主体，采用智能化仪表和现场总线技术相结合的方式，实现现设备层的数字化，提高系统的开放性和易扩展性。

现场总线是用于现场智能设备与自动化控制系统之间的开放、全数字式、双向、多站点的通讯系统。现场总线存在多种国际标准，国际电工协会在2000年发布的现场总线标准IEC61158第1版中通过了8种现场总线的国际标准，在2007年发布的IEC61158第4版中，定义了20种现场总线国际标准 (表 1)。

2006年10月16日，中国国家标准化管理委员会审查通过了由全国工业过程测量和控制标准技术委员会(TC124)组织相关单位共同定制的 GB/T20540-2006((IEC-61158TYPE3-Profibus规范》，至此Profibus成为中国首个现场总线国家标准.以现场总线技术为基础的控制系统被称为现场总线控制系统(FCS)。

1.FCS165控制系统

FCS165控制系统是国产新型自动化控制系统，以DCS为主体，融人了Profibus现场总线技术。华能秦岭电厂超临界2X660MW空冷机组和辅机控制系统均由 FCS165控制系统构成。该控制系统包括DCS和Profibus现场总线2个部分，可采用3种组合模式：DCS与Profibus现场总线合并在1个控制站内、单独采用DCS及单独采用Profibus。这3种模式均能够满足电厂不同控制系统的要求。

在单元机组控制系统设计中，将A?F制粉、B氢油水等其它系统设计为DCS与Profibus合并模式;对于炉膛安全监控系统(FSSS)的公用部分、给水泵汽轮机电液控制系统(MEH)、数字式电液控制系统(DEH)、电气控制系统、公用控制系统(电气及汽轮机公用部分)等采用单独DCS模式。辅机FCS165控制系统主要采用单独Profibus模式，并配合采用DCS与Profibus合并模式。为了获得最大的Profibus节点的使用率，未设计单独采用DCS模式。

采用DCS与Profibus合并模式的FCS165控制系统具有3层设备、2层网络，即3+2结构。对于DCS，位于上层的设备有操作员站、工程师站、历史站等.中间层为分布式控制中心(专用控制器FCP01),底层为各种常规模拟量及开关量模件单元。DCS的上层网络是控制中心与人机界面之间的管理网络，为以太网;DCS的下层网络为I/O模件与控制器之间的控制网络，为CAN网络。对于Profibus现场总线，上层设备与DCS上层设备相同，中间层设备除了专用控制器FCP01外，还包括Profibus-DP通讯主站FPB01,底层为支持Profibus协议的现场总线智能设备(变送器、执行器和各种分布式I/O设备等)。Profibus现场总线的上层网络与DCS上层网络相同，为以太网;Profibus现场总线的下层网络是现场总线智能设备与通讯主站之间的控制网络，为Profibus网络。FCS165控制系统DCS与Profibus3+2结构及其对比见图1、表2.

2设计和施工技术

(1)冗余通讯主站Profibus现场总线通讯主站与控制器通过并行总线交换数据，采用1：1冗余配置。根据实际需要1个控制站可以配置1?3对冗余通汛主站。

(2)冗余DP网络对于具备冗余通讯接口的Profibus-DP从站(电动阀、电动机控制保护单元等)，设计冗余Profibus-DP网络采用2种方式:

1)1对冗余通讯主站串行连接2个冗余Profibus-DP从站(快速冗余方式)，该方式为站节点冗余，通讯网络不冗余;

2)2对冗余通讯主站分别连接2个冗余Profibus-DP从站，设计为主站4冗余方式，可达到通讯线路和站节点的综合冗余。可根据设备对机组运行的重要性选用以上2种冗余设计。

(3)从站兼容性测试为了提高现场总线设备投运的成功率，必须对选用的从站设备在使用前进行兼容性测试。将设备挂接到总线网络上，并与FCS165 的通讯主站进行通信测试，完成逻辑组态，根据在线测试周期和非周期数据的传输和接收情况，确定设备是否满足使用要求，以保证现场对控制系统调试的成功率。

(4)网段上从站数量Profibus-DP从站输人/输出的数据量取决于设备类型，通信协议允许1个Profibus-DP从站的输人/输出数据量最大为244Byte;实验室验证1个网段上包括主、从设备带有中继器最多站点数为67个，不带有中继器最多站点数小于32个。实际设计中1个网段配置的 Profibus-DP和Profibus-PA从站不超过20台.

(5>从站地址分配在组态过程中，按照1个网段下站节点地址不重复的原则，分配各站节点地址。126个站节点地址通常分配为：“0”代表维护系统用设备;“1?3”代表主站;“4?125”代表从站;“126”预留给将要接人总线的新设备。在安装前必须按照设计地址正确设置每台从站，以避免在默认地址状态下上电时造成从站地址冲突，尤其应避免与 Pro-fibus-PA从站的地址冲突。

(6)从站组态从站必须与组态中的模块保持一致。在使用二类主站对一类主站和从站进行组态时，对于一些需要就地设置参数的从站，在组态软件中选择从站对应的模块后必须确认就地从站选择的模块与组态软件选择的模块相同。

(7)Profibus-DP电缆连接采用DB9欧式插针连接器与Profibus-DP电缆连接时，必须在接线槽内将A导线和B导线位置放置正确，且一定要在槽内留有足够的导线长度，使槽内的V型接线柱与导线完全接触;1条总线的每个末端连接器都必须使用incoming端连接 Profibus-DP 电缆;直接采用压线端子与Profibus-DP电缆连接时必须保证A导线和B导线与设备端子一一对应;由于设备上的A导线与B导线接线端子紧密相邻,因此不能使导线裸露在电缆保护层外的铜线头过长，否则易导致短路。

(8)Profibus-PA电缆连接采用Profibus- PA接线盒连接时，主干路的A导线和B导线必须和Profibus-DP/PA耦合器上的P—和P+端保持一致，分支的A导线和B导线一定要与主干路保持一致，并且决不能将A导线或B导线与地线S端连接;将1条总线中间段的Profibus-PA接线盒终端电阻跳线置于off位置，将最末端的 Profibus-PA接线盒终端电阻跳线置于on位置。[!--empirenews.page--]

(9)降低电磁干扰接地和屏蔽有多种方式，选用适当的方式可减少电磁干扰。如果长距离或跨建筑物传输数据，则应采用光缆。为减少电磁干扰，Profibus-DP或PA电缆与动力线应保持足够的间距，对于动力线电压 25?400V其最小间距不小于10cnu对于动力线电压大于400V,其最小间距不小于20cm;对于更髙电压间距不小于50cm。在EMG电动阀内部具有1个跳线，用于选择屏蔽层是否接地，对于Profibus-DP总线多点接地的要求，必须将该跳线置于屏蔽层与地Close位置，这样才能保证良好接地。

(10)通信协议转换现场部分设备采用Mod-bus通信方式，为了实现全厂统一的Profibus节点，采用了 Modbus转换Profibus的转换模块(总线桥)，并将其接入FCS165控制系统。在使用中除了要设置总线桥的Profibus节点地址外，还必须设置Modbus从站的波特率、奇偶校验位、状态监测、从站地址、起始地址等参数。

3结论

目前，现场总线技术在火电机组控制系统中的应用存在2种方式：(1)控制网络完全采用FCS，将智能设备以现场总线方式接人总线通讯模件中，其它常规模拟量及开关量设备先接人现场总线远程i/o设备，再通过现场总线远程I/O设备接人总线通讯模件中，控制器直接访问总线通讯模件即可实现与智能设备的数据交换，又可控制常规设备,该方式下常规模拟量及开关量设备的数据交换必须经过现场总线远程I/O及总线通讯模件的两级转换。(2)控制网络采用DCS 与FCS兼容方式(DCS扩展方式)，即在支持现场总线的DCS中使用现场总线技术。将智能设备以现场总线方式接入DCS的总线通讯模件中，控制器再通过访问总线通讯模件实现与现场总线智能设备的数据交换，其它常规模拟量及开关量设备直接与DCSI/O模件连接，该方式下总线通讯模件与DCSI/O模件相对于控制器具有相同功能。

现阶段国内火电机组重要现场设备仍大多采用常规模拟量及开关量设备，在一定时期内采用DCS扩展方式具有一定的优势。FCS165控制系统在华能秦岭电厂全厂一体化控制的应用表明，DCS扩展方式在火电机组控制系统中的应用可行且有效。