現(xiàn)場總線及PROFIBUS總線技術(shù)在電廠的應(yīng)用

周洪

【摘 要】概述現(xiàn)場總線特點(diǎn)及現(xiàn)狀，對比PROFIBUS現(xiàn)場總線和其它總線，闡述電廠過程控制及基于PROFIBUS現(xiàn)場總線自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)場總線技術(shù)；FROFIBUS總線；電廠應(yīng)用

1 現(xiàn)場總線技術(shù)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀

單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了現(xiàn)場儀表和裝置的數(shù)字化革命，也使得現(xiàn)場儀表和裝置之間的數(shù)字通訊成為可能。數(shù)字化、智能化的現(xiàn)場儀表和裝置（如傳感器、執(zhí)行器等）不僅替代了4～20mA模擬系統(tǒng)，更主要的是可以在現(xiàn)場設(shè)備中實(shí)現(xiàn)控制功能和設(shè)備管理功能，而且有了數(shù)字通訊，在控制室可以獲得現(xiàn)場設(shè)備的諸多信息，如診斷、量程、組態(tài)和標(biāo)識等。

現(xiàn)場總線技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)就是要為用戶提供開發(fā)性、具有可互操作性、可互換性和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的測量和控制產(chǎn)品，克服傳統(tǒng)DCS和PLC等含有專利性技術(shù)的控制系統(tǒng)所帶來的封閉性問題，擇優(yōu)選擇不同公司的產(chǎn)品，集成最佳的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，降低工程項(xiàng)目的建造和運(yùn)營成本，提高企業(yè)的競爭力。

2 基于PROFIBUS現(xiàn)場總線與其它現(xiàn)場總線比較

PROFIBUS是過程現(xiàn)場總線（Process Field Bus）縮寫。1991年，PROFIBUS成為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245，1999年FORFIBUS成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的組成部分，2001年被批準(zhǔn)成為中華人民共和國工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中唯一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。目前除了過程現(xiàn)場總線PROF IBUS以外，較為流行的現(xiàn)場總線主要還有以下3種：基金現(xiàn)場總線FF， 控制局域網(wǎng)CAN， HART總線。

FF總線功能強(qiáng)大，支持本安裝系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性好， 總線供電，但如果主設(shè)備失效將使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，總線雖然性能突出，成本卻較高，協(xié)議也復(fù)雜，主要應(yīng)用于流程控制領(lǐng)域。CAN總線簡單可靠，抗干擾性強(qiáng)，成本低，非常適合用作傳感器/執(zhí)行器總線，但它的速度慢，傳輸距離也有限，不能滿足有嚴(yán)格實(shí)時(shí)性要求的場合，其主要應(yīng)用于汽車檢測和控制。HART總線目前廣泛采用的模擬系統(tǒng)上，技術(shù)上也充分考慮連續(xù)過程使用環(huán)境的需要，其技術(shù)本身還在不斷完善與更新，如需提高傳輸率，與以上總線技術(shù)相比，PROFIBUS在以下幾方面顯現(xiàn)了它的應(yīng)用優(yōu)勢。

1）由于PROF IBUS現(xiàn)場總線技術(shù)投運(yùn)時(shí)間較長，因而它已應(yīng)用到電力電子技術(shù)（如變頻器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測量儀表）等領(lǐng)域中。

2）PROFIBUS 可遠(yuǎn)距離高速度傳輸數(shù)據(jù)。PROF IBUS - DP /FMS通信介質(zhì)為屏蔽雙絞電纜或光纖，傳輸速率為9. 6 k～12M bit·s-1 ，傳輸距離為100～1 200 m，通過中繼器后傳輸距離還可增長 。

3）PROF IBUS根據(jù)不同的應(yīng)用對象可靈活選取不同規(guī)格的總線系統(tǒng)。如簡單的設(shè)備一級的高速數(shù)據(jù)傳送，可選用PROF IBUS-DP單主站系統(tǒng)，稍微復(fù)雜一些的設(shè)備級高速數(shù)據(jù)傳送可選用PROF I2 BUS -DP多主站系統(tǒng)，比較復(fù)雜一些的系統(tǒng)可以將PROFIBUS–DP與PROFIBUS- FMS混合選用，兩套系統(tǒng)可方便地在同一根電纜上同時(shí)操作，無需附加任何轉(zhuǎn)換裝置。

3 PROFIBUS應(yīng)用發(fā)展趨勢分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)兼容與標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一

PROFIBUS與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合與安全技術(shù)的結(jié)合，將是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的主要趨勢，各種現(xiàn)場總線技術(shù)相互融合、合理搭配真正形成開放的互聯(lián)系統(tǒng)將是現(xiàn)場總線的未來的發(fā)展終極趨勢。

3.2 PROF IBUS產(chǎn)品開發(fā)

在近幾年內(nèi)，國產(chǎn)現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用主要是在現(xiàn)場設(shè)備及儀表領(lǐng)域，現(xiàn)國內(nèi)經(jīng)過認(rèn)證的PROF IBUS產(chǎn)品越來越多，例如，國電肇慶電廠使用自主知識產(chǎn)權(quán)的PROF IBUS接口卡件和現(xiàn)場總線上位機(jī)軟件SDS或AMS， 及總線型執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)建出屬于自己的PROFIBUS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)框架。

4 電廠生產(chǎn)過程控制的特點(diǎn)

電廠的生產(chǎn)包含了以下幾個(gè)主要工藝過程：主機(jī)系統(tǒng)（鍋爐和汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組）、脫硫系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、除渣出灰系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、發(fā)配電系統(tǒng)。電力生產(chǎn)是一個(gè)極其復(fù)雜的工業(yè)過程，它涵蓋了工廠自動(dòng)化和過程自動(dòng)化。在傳統(tǒng)的電廠控制系統(tǒng)模式中，主機(jī)系統(tǒng)通常采用DCS作為主要的控制系統(tǒng)，其它輔助系統(tǒng)則采用“主輔一體化”或PLC為核心的控制系統(tǒng)。由于現(xiàn)場級設(shè)備主要采用傳統(tǒng)的模擬量和開關(guān)量信號，生產(chǎn)過程的監(jiān)控只能到達(dá)I/O子系統(tǒng)。

在電力建設(shè)過程中，電力生產(chǎn)企業(yè)的信息化管理引起了廣泛的重視，構(gòu)建輔助控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、電廠實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)（SIS）和電廠信息管理系統(tǒng)（MIS），而對于現(xiàn)場級的設(shè)備依然采用傳統(tǒng)的裝置和方式接入控制系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)。這對于以預(yù)測性設(shè)備維護(hù)和設(shè)備管理為預(yù)期目標(biāo)的信息化建設(shè)，無疑是“無源之水”。因此解決電廠“信息盲區(qū)”的根本出路是現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)施。

5 基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的電廠自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成

電廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)可分為三層，從低到高分別為現(xiàn)場控制層、監(jiān)控層和管理層。基于現(xiàn)場總線的電廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分為三層，從低到高分別為現(xiàn)場控制層、運(yùn)行層和管理層。

一般的現(xiàn)場總線的核心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括2個(gè)層次：

1）運(yùn)行層

運(yùn)行顯示層主要是通過顯示設(shè)備，將FCS 系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)傳輸顯示到操作員站或者設(shè)備診斷控制站。一方面操作人員根據(jù)數(shù)據(jù)信息來進(jìn)行組態(tài)，完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，邏輯的更改等工作；另一方面，操作人員可以通過先進(jìn)的總線設(shè)備管理系統(tǒng)SDS或AMS實(shí)現(xiàn)高效的電廠維護(hù)。該診斷系統(tǒng)對現(xiàn)場數(shù)字化智能設(shè)備提供的狀態(tài)信息、參數(shù)信息、KKS 信息、故障信息和報(bào)警信息進(jìn)行分析，使電廠維護(hù)水平提高到狀態(tài)檢修階段，對設(shè)備進(jìn)行預(yù)測檢修，從而降低電廠的停機(jī)時(shí)間， 提高經(jīng)濟(jì)效益。顯示層的設(shè)備主要是工控機(jī)，LED 顯示器，模塊組件等。

2）控制層

主要包括FCS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元DPU 和就地通訊單元，他們之間通過總線電纜或光纜連接。控制層的設(shè)備包括：DPU，總線卡件，控制柜，光電轉(zhuǎn)化器，DP/PA耦合器，終端電阻，DP 通訊頭等。

總線數(shù)據(jù)與SIS/MIS 無縫銜接實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)通過自主研發(fā)的現(xiàn)場總線管理系統(tǒng)直接上傳至SIS /MIS系統(tǒng)，這樣現(xiàn)場儀表設(shè)備的故障信息、啟停信息及預(yù)警信息與MIS 系統(tǒng)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)及狀態(tài)檢修的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠的應(yīng)用能合理規(guī)劃、改善電廠的自動(dòng)化和信息化架構(gòu)，降低工程造價(jià)，提高電廠自動(dòng)化和信息管理水平，投資方、建設(shè)方以及設(shè)計(jì)院，同設(shè)備供應(yīng)商一起推動(dòng)現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠的應(yīng)用，享受新技術(shù)帶來的效益和成果。

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