現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在某發(fā)電有限公司輸煤程控系統(tǒng)的應(yīng)用

何俊松

（江蘇新海發(fā)電有限公司，江蘇連云港222012）

現(xiàn)場(chǎng)總線是連接控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)裝置的串行、數(shù)字式、多點(diǎn)、雙向通信網(wǎng)絡(luò)。自現(xiàn)場(chǎng)總線概念提出以來，全球各大知名自控和儀表公司開發(fā)了數(shù)十種現(xiàn)場(chǎng)總線。目前在全球范圍內(nèi)被廣泛認(rèn)可的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)有：PROFIBUS，F(xiàn)F，ControlNet，PROFINET，P-NET，CAN，HART等十大總線系統(tǒng)。

PROFIBUS總線是近年來國(guó)際上最為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線，也是目前數(shù)據(jù)傳輸率最快的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，它以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已成為最重要的和應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線具有 “開放的通信接口”，“透明”的通信協(xié)議，廣泛地應(yīng)用在制造自動(dòng)化和過程自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域。

PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為以下3個(gè)兼容版本：PROFIBUS-FMS（現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范），PROFIBUS-PA（過程自動(dòng)化），PROFIBUS-DP（分散型外圍設(shè)備）。PROFIBUS-FMS其設(shè)計(jì)旨在解決車間監(jiān)控級(jí)通信。通信的實(shí)時(shí)性要求低于現(xiàn)場(chǎng)層；PROFIBUS-PA是基于總線供電方式符合本質(zhì)安全要求的儀表總線，主要用于連接現(xiàn)場(chǎng)智能儀表，如壓力、溫度、液位、流量等變送器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)等；PROFIBUS-DP是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)通信連接，主要用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制系統(tǒng)與分布式I/O及其他現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備之間的通信各領(lǐng)域當(dāng)中。其中運(yùn)用最廣的是PROFIBUS-DP，江蘇新海發(fā)電有限公司輸煤改造采用的就是PROFIBUS-DP總線。

1 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用

采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)是典型的自動(dòng)化系統(tǒng)三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以分成現(xiàn)場(chǎng)控制層、監(jiān)控層和企業(yè)管理層3層?，F(xiàn)場(chǎng)控制層由現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、遠(yuǎn)程I/O和PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS是面向現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控層由高速工業(yè)以太網(wǎng)以及連接在總線上的擔(dān)任監(jiān)控任務(wù)的操作站、工程師站及網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等。企業(yè)管理層主要由SIS，MIS系統(tǒng)構(gòu)成。其主要目的是在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，將電廠各工藝段（例如DCS系統(tǒng)、輔機(jī)程控系統(tǒng)等）的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行匯總，從而集成企業(yè)的各種信息，實(shí)現(xiàn)與Internet的連接，完成管理、決策和商務(wù)應(yīng)用的各種功能。

由于輸煤程控系統(tǒng)設(shè)備的分散性，且根據(jù)江蘇新海發(fā)電有限公司的實(shí)際情況，決定采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線控制，增建4個(gè)遠(yuǎn)程通信箱，通過冗余的PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與主控制站連接，系統(tǒng)配置如圖1所示。

江蘇新海發(fā)電有限公司300 MW機(jī)組輸煤程控系統(tǒng)改造工程控制系統(tǒng)新建6號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站通信站、7號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站通信站、碎煤機(jī)室通信站、煤倉(cāng)間室通信站4個(gè)遠(yuǎn)程通信箱，如圖2所示，以及最后和未改造系統(tǒng)的程控對(duì)接，把未改造的老系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)從站接入新主站。新建18個(gè)耦合器控制箱，如圖3所示，每個(gè)耦合器控制箱控制1臺(tái)就地設(shè)備，比如9號(hào)甲除塵器耦合器箱就是9號(hào)甲除塵器的控制箱，新建6個(gè)皮帶電機(jī)馬達(dá)保護(hù)器箱，4個(gè)振打控制箱和2個(gè)電動(dòng)三通控制箱，全部掛接在PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中。自動(dòng)控制設(shè)備采用德國(guó)西門子公司S-400系列PLC產(chǎn)品，總線采用菲尼克斯PROFIBUS-DP總線，未改造的就地信號(hào)的采集和設(shè)備控制采用德國(guó)西門子的遠(yuǎn)程I/O結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)冗余CPU主機(jī)，如圖4所示，2臺(tái)操作員站上位機(jī)，1臺(tái)工程師站上位機(jī)。改造前的系統(tǒng)邏輯如圖5所示，改造后的系統(tǒng)邏輯如圖6所示。改造后的系統(tǒng)邏輯詳細(xì)明了，通信狀態(tài)一目了然。

6號(hào)遠(yuǎn)程通信箱位于8號(hào)皮帶尾部，主要連接8號(hào)甲乙皮帶除塵器耦合器箱和除鐵小室除鐵器控制箱。7號(hào)遠(yuǎn)程通信箱位于新建的7號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站樓，主要連接8號(hào)甲乙皮帶智能控制箱、9號(hào)甲乙皮帶除塵器耦合器箱。

碎煤機(jī)室通信箱位于新建的碎煤機(jī)樓，主要連接9號(hào)甲乙皮帶智能控制箱、碎煤機(jī)室甲乙滾軸篩耦合器箱、10號(hào)皮帶甲乙除塵器耦合器箱、碎煤機(jī)室除鐵器控制箱、取樣小室入爐煤機(jī)械取樣裝置耦合器箱、10號(hào)甲乙皮帶循環(huán)鏈碼校驗(yàn)裝置控制箱。

煤倉(cāng)間通信箱位于新建的煤倉(cāng)間樓，主要連接10號(hào)甲乙皮帶智能控制箱、煤倉(cāng)層甲乙電動(dòng)三通控制箱、煤倉(cāng)層甲乙除細(xì)木器耦合器箱、11號(hào)皮帶甲乙除塵器耦合器箱、4個(gè)振打器控制箱和煤倉(cāng)層除鐵器控制箱。

整個(gè)輸煤程控系統(tǒng)改造網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)絡(luò)為標(biāo)準(zhǔn)的10 M光纖以太網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)通信模塊為冗余配置，連接2臺(tái)冗余CPU主機(jī)、3臺(tái)上位機(jī)，2臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為8口（4個(gè)光纖口、4個(gè)RJ45口）Hirschmann工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，采用冗余配置，安裝在集控室CPU控制柜中，交換機(jī)除了聯(lián)接1臺(tái)工程師站、2臺(tái)操作員站和2臺(tái)西門子CPU主機(jī)外，余下的端口備用于系統(tǒng)擴(kuò)容或者掛接其他的以太網(wǎng)設(shè)備。

上位機(jī)系統(tǒng)由3臺(tái)上位機(jī)工作站及1臺(tái)網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)組成。工作站是整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控和管理中心，采用DELL公司計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)工作站。2臺(tái)運(yùn)行工作站作為生產(chǎn)過程中輸煤設(shè)備的啟停操作、運(yùn)行工況顯示、過程實(shí)時(shí)監(jiān)控使用。還有1臺(tái)管理用工作站（即工程師站）作為編程和生產(chǎn)運(yùn)行管理用。

上位機(jī)操作畫面、監(jiān)控軟件選用工業(yè)界占有率高的INTELLUTION公司的iFIX4.5軟件。下位機(jī)PLC編程軟件選用西門子S-7編程軟件，S-7編程軟件應(yīng)用廣泛，操作簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，具有硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、系統(tǒng)調(diào)試、項(xiàng)目管理等各種功能。

2 PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的組態(tài)說明

輸煤改造的PROFIBUS-DP總線共有41個(gè)站，分別是S7-400 PLC作為Master，其余均為Slave。有3個(gè)從站，地址11，12，13是老系統(tǒng)改接過來的，其中2個(gè)是300 MW輸煤層I/O站，1個(gè)是原6號(hào)I/O站（位置挪到6號(hào)遠(yuǎn)程通信箱小室）。還有7個(gè)采用 IM153-2 的站，地址分別是 14，15，16，17，18，19，20，IM-153-2對(duì)上是從站，對(duì)下是主站（如圖 6所示）；主站上應(yīng)用S7-400 PLC的CPU417-2DP，BUS終端器設(shè)定為ON。從站中BUS終端器設(shè)定為OFF，IM153-2的BUS終端器設(shè)定為OFF。IM153-2所連從站的最后一個(gè)BUS終端器設(shè)定為ON。終端器設(shè)定一定要正確，即BUS兩端為ON，中間接點(diǎn)為OFF。通信距離不要大于500 m。

PROFIBUS-DP的布線要嚴(yán)格按照說明來接線，通信電纜采用西門子公司的專用DP電纜。屏蔽層的接線采用單端接地，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線的抑制干擾技術(shù)，保證了系統(tǒng)通信的正?？煽窟\(yùn)行。

3 應(yīng)用特點(diǎn)與效果

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是基于底層控制網(wǎng)絡(luò)、開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）開放性好。PROFIBUS是一個(gè)完全開放的、與制造商無關(guān)的、無知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，全球有超過250家公司可以生產(chǎn)超過2 000種支持PROFIBUS的系統(tǒng)和設(shè)備。PROFIBUS的開放性保證了不同制造廠商的產(chǎn)品的互連。

（2）成本低。1條PROFIBUS-DP總線最多可以連接123個(gè)DP從站，1條DP通信線可連接N臺(tái)控制設(shè)備箱或儀表箱，這樣就可以節(jié)省很多控制電纜及電纜橋架等材料的使用，自然就減少了很多安裝費(fèi)用，縮短了工程工期，且易于維護(hù)，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。如圖6所示，1條DP總線可以連接好幾個(gè)設(shè)備控制箱，中間距離可以長(zhǎng)達(dá)近百米，I/O點(diǎn)越多，所省信號(hào)電纜等材料就越多。江蘇新海發(fā)電有限公司輸煤程控系統(tǒng)有近2 000個(gè)I/O點(diǎn)，單從電纜和電纜橋架等材料這一點(diǎn)就可以節(jié)省很多成本。

（3）安全性高。截止到目前，PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線安裝運(yùn)行節(jié)點(diǎn)數(shù)大大高于其他現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。PROFIBUS的可靠性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：PROFIBUS總線上的數(shù)據(jù)傳輸是完全基于數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，這樣可以大幅提高信號(hào)傳輸過程中的抗干擾能力；采用PROFIBUS總線直接連接現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備，可以減少大量接線點(diǎn)，減少了由于接線不牢或接線不規(guī)范引起的故障；PROFIBUS連接智能設(shè)備，減少了A/D轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，提高了自動(dòng)化系統(tǒng)的采集精度，為精確控制提供保障。比如皮帶機(jī)的控制，連接的是蘇州萬龍的智能保護(hù)箱，所有信號(hào)包括電流都是通過1根DP通信線傳到通信箱，通信箱再通過光纖傳到集控室的。同時(shí)PROFIBUS接頭可以保證總線上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備故障不影響系統(tǒng)通信。且支持冗余總線系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性非常高。

（4）施工簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。PROFIBUS上各設(shè)備的連接非常簡(jiǎn)單，并可以運(yùn)用專用剝線工具和PROFIBUS接頭，減少接線風(fēng)險(xiǎn)，連線設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少。組網(wǎng)一般把所有的PROFIBUS設(shè)備用電纜串連起來就可以了，不需要集線器，距離長(zhǎng)使用中繼。由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并且通過數(shù)字通信將相關(guān)信息送往集控室，用戶可以看到所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，便于分析故障的原因并快速排除，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，使得連線簡(jiǎn)單而減少了維護(hù)的工作量。

3 結(jié)束語

在輸煤環(huán)境較差的情況下，江蘇新海發(fā)電有限公司輸煤程控系統(tǒng)采用菲尼克斯的PROFIBUS-DP總線產(chǎn)品，集成最佳的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，減少控制電纜，提高可靠性，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)安裝、簡(jiǎn)化了設(shè)備的維護(hù)和檢修，降低了工程項(xiàng)目的建造和運(yùn)營(yíng)成本，有效地提高了經(jīng)濟(jì)效益。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷完善和電廠信息化要求的不斷提高，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)必將為電力行業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)提供越來越好的選擇，它將不斷地推動(dòng)電廠的節(jié)能降耗，推動(dòng)綠色電廠的建設(shè)。

[1]陽憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[2]鄔寬明.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用選編[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[3]羅紅福，胡 斌，鐘存福，等.PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線工程應(yīng)用實(shí)例解析[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.