現場總線及PROFIBUS總線技術在電廠的應用

周洪

【摘 要】概述現場總線特點及現狀，對比PROFIBUS現場總線和其它總線，闡述電廠過程控制及基于PROFIBUS現場總線自動化系統構成。

【關鍵詞】現場總線技術；FROFIBUS總線；電廠應用

1 現場總線技術的特點及現狀

單片機技術的發展導致了現場儀表和裝置的數字化革命，也使得現場儀表和裝置之間的數字通訊成為可能。數字化、智能化的現場儀表和裝置（如傳感器、執行器等）不僅替代了4～20mA模擬系統，更主要的是可以在現場設備中實現控制功能和設備管理功能，而且有了數字通訊，在控制室可以獲得現場設備的諸多信息，如診斷、量程、組態和標識等。

現場總線技術的出發點就是要為用戶提供開發性、具有可互操作性、可互換性和統一標準的測量和控制產品，克服傳統DCS和PLC等含有專利性技術的控制系統所帶來的封閉性問題，擇優選擇不同公司的產品，集成最佳的生產過程控制系統，降低工程項目的建造和運營成本，提高企業的競爭力。

2 基于PROFIBUS現場總線與其它現場總線比較

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

FF總線功能強大，支持本安裝系統，實時性好， 總線供電，但如果主設備失效將使整個網絡癱瘓，總線雖然性能突出，成本卻較高，協議也復雜，主要應用于流程控制領域。CAN總線簡單可靠，抗干擾性強，成本低，非常適合用作傳感器/執行器總線，但它的速度慢，傳輸距離也有限，不能滿足有嚴格實時性要求的場合，其主要應用于汽車檢測和控制。HART總線目前廣泛采用的模擬系統上，技術上也充分考慮連續過程使用環境的需要，其技術本身還在不斷完善與更新，如需提高傳輸率，與以上總線技術相比，PROFIBUS在以下幾方面顯現了它的應用優勢。

1）由于PROF IBUS現場總線技術投運時間較長，因而它已應用到電力電子技術（如變頻器、執行機構、測量儀表）等領域中。

2）PROFIBUS 可遠距離高速度傳輸數據。PROF IBUS - DP /FMS通信介質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根據不同的應用對象可靈活選取不同規格的總線系統。如簡單的設備一級的高速數據傳送，可選用PROF IBUS-DP單主站系統，稍微復雜一些的設備級高速數據傳送可選用PROF I2 BUS -DP多主站系統，比較復雜一些的系統可以將PROFIBUS–DP與PROFIBUS- FMS混合選用，兩套系統可方便地在同一根電纜上同時操作，無需附加任何轉換裝置。

3 PROFIBUS應用發展趨勢分析

3.1 網絡兼容與標準統一

PROFIBUS與工業以太網技術的結合與安全技術的結合，將是自動化技術發展的主要趨勢，各種現場總線技術相互融合、合理搭配真正形成開放的互聯系統將是現場總線的未來的發展終極趨勢。

3.2 PROF IBUS產品開發

在近幾年內，國產現場總線技術產品應用主要是在現場設備及儀表領域，現國內經過認證的PROF IBUS產品越來越多，例如，國電肇慶電廠使用自主知識產權的PROF IBUS接口卡件和現場總線上位機軟件SDS或AMS， 及總線型執行機構構建出屬于自己的PROFIBUS現場總線控制系統框架。

4 電廠生產過程控制的特點

電廠的生產包含了以下幾個主要工藝過程：主機系統（鍋爐和汽輪機發電機組）、脫硫系統、水處理系統、除渣出灰系統、燃料系統、熱力系統、發配電系統。電力生產是一個極其復雜的工業過程，它涵蓋了工廠自動化和過程自動化。在傳統的電廠控制系統模式中，主機系統通常采用DCS作為主要的控制系統，其它輔助系統則采用“主輔一體化”或PLC為核心的控制系統。由于現場級設備主要采用傳統的模擬量和開關量信號，生產過程的監控只能到達I/O子系統。

在電力建設過程中，電力生產企業的信息化管理引起了廣泛的重視，構建輔助控制系統網絡、電廠實時監控系統（SIS）和電廠信息管理系統（MIS），而對于現場級的設備依然采用傳統的裝置和方式接入控制系統I/O子系統。這對于以預測性設備維護和設備管理為預期目標的信息化建設，無疑是“無源之水”。因此解決電廠“信息盲區”的根本出路是現場總線技術的應用和實施。

5 基于PROFIBUS現場總線的電廠自動化系統構成

電廠綜合自動化系統體系結構可分為三層，從低到高分別為現場控制層、監控層和管理層。基于現場總線的電廠綜合自動化系統結構。此系統體系結構分為三層，從低到高分別為現場控制層、運行層和管理層。

一般的現場總線的核心系統結構主要包括2個層次：

1）運行層

運行顯示層主要是通過顯示設備，將FCS 系統采集到的數據傳輸顯示到操作員站或者設備診斷控制站。一方面操作人員根據數據信息來進行組態，完成數據的統計，邏輯的更改等工作；另一方面，操作人員可以通過先進的總線設備管理系統SDS或AMS實現高效的電廠維護。該診斷系統對現場數字化智能設備提供的狀態信息、參數信息、KKS 信息、故障信息和報警信息進行分析，使電廠維護水平提高到狀態檢修階段，對設備進行預測檢修，從而降低電廠的停機時間， 提高經濟效益。顯示層的設備主要是工控機，LED 顯示器，模塊組件等。

2）控制層

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

總線數據與SIS/MIS 無縫銜接實時運行數據和設備的狀態信息數據通過自主研發的現場總線管理系統直接上傳至SIS /MIS系統，這樣現場儀表設備的故障信息、啟停信息及預警信息與MIS 系統的生產管理系統結合起來，實現預防性維護及狀態檢修的數據基礎。

6 結語

現場總線技術在電廠的應用能合理規劃、改善電廠的自動化和信息化架構，降低工程造價，提高電廠自動化和信息管理水平，投資方、建設方以及設計院，同設備供應商一起推動現場總線技術在電廠的應用，享受新技術帶來的效益和成果。

[責任編輯：楊玉潔]