現場總線技術在華能太原東山燃機熱電有限責任公司分析儀表中的應用

張曉超

摘 要：本文闡述了總線技術的原理、總線分析儀表安裝調試以及總線在OVATION系統中的組態配置、Profibus轉換板卡的應用等。介紹了總線技術在華能太原東山燃機熱電有限責任公司分析儀表中的應用，通過總線控制系統的成功應用，為相關應用提供了成熟的技術標準、施工規范及維護經驗。

關鍵詞：現場總線控制系統；Profibus-DP；分析儀表應用

中圖分類號： TH7 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）17-186-3

1 簡介

1.1 現場總線

現場總線是一個數字化的、串行、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡系統，是用于工廠/車間儀表和控制設備的局域網。利用現場總線技術，把就地儀表、控制器、上位機連接成網絡系統，實現雙向數據傳輸和信息交換，對就地儀表和系統進行實時監測、診斷。

本工程分析儀表在線監測系統采用的是Profibus-DP現場總線協議，其數據傳輸速率9.6Kbps～12Mbps。

1.2 網絡結構

本工程分析儀表采用艾默生Ovation現場總線控制系統，網絡由電子間機柜、就地通訊柜、通訊介質、就地儀表組成。電子間機柜包括：控制器，Profibus通訊主站，光電轉換器等。就地通訊柜包括：光電轉換器、有源終端電阻等。

我廠采用艾默生OVATION 通信主站，Profibus通信主站即控制器下的DP卡件，完成和總線網絡中從站的數據交換，并將采集的數據傳回DCS系統的控制器中。1塊DP卡件由兩個接口，可連接兩個不同的網段。連接冗余口總線設備時，設備的冗余接口可接入不同的兩塊主站卡中的通信接口進行交叉冗余，連接單口總線設備時可直接接入1塊主站卡中的1個通信接口，主站卡可實現對從站設備的控制和管理功能，一般每對控制器可掛32塊DP卡件。

1.3 組態

我廠控制系統為艾默生OVATION3.5.0系統，Profibus現場總線設備的組態應用軟件為Ovation Developer Studio。

組態的配置步驟：控制器內添加新的設備編號→插入一個Profibus I/O模塊→為每個總線模塊指定模塊記錄點名→指定每個總線端口的點名→在Developer Studio里訪問Profibus模塊配置窗口→配置Profibus從設備→配置點名，根據廠家提供資料，增加模擬量、數字量或者打包點，一般每種不同型號設備都有不同的配置點。

最后，下裝控制器，進行調試測試，調試測試完成后，該儀表組態成功，正式投入使用。

1.4 總線測試

總線測試的目的是檢測總線網段的通斷、信號是否合格；現場總線與設備是否正常；是不是會影響未來設備的運行等。

總線測試工具使用PROFIBUS TROUBLESHOOTING TOOKLIT，軟件使用PROFITRACE FOR PROFICORE ULTRA V292.

下圖為我廠部分總線測試截圖，電壓值在3V以上且穩定為正常，如果在3V以下，在日后的設備運行中如果有信號干擾，就會影響儀表信號傳輸的穩定性和準確性，如圖1所示：

1.5 硬件部分

現場總線的硬件包括：Profibus接口，通訊介質，Profibus插頭，中繼器，光電轉換器以及有源終端電阻等，但是也有特殊情況，如：部分儀表為硬接線儀表，若實現現場總線技術，則需添加PROFIBUS轉換板卡。

1塊DP卡件由兩個接口（Profibus接口），可連接兩個不同的網段。PROFIBUS網絡支持RS485的電纜和光纖兩種通訊介質。標準PROFIBUS DP電纜一般都是A類電纜，為屏蔽雙絞電纜，其中數據線有兩根：A-綠色和B-紅色，電纜的外部包裹著編織網和鋁箔兩層屏蔽，最外面是紫色的外皮。光纖的傳輸距離比較遠，抗電磁干擾性、耐腐蝕也很好，尺寸小，重量輕，耐腐蝕，便于敷設等。但是光纖彎曲半徑不能過小，光纖連接處及終端不容易處理等等。按光在光纖中的傳輸模式不同，光纖可分為單模光纖和多模光纖。

PROFIBUS插頭即九針頭，用于連接PROFIBUS電纜和PROFIBUS的站點。九針頭上，有一個進線孔（In）和一個出線孔（Out），分別連接至前一個站和后一個站。每個九針頭都內置終端電阻，按照情況接入（On）和切除（Off）。一般，在卡件和通信箱內為On，就地設備處為Off。九針頭分為帶可編程口和不可編程口，一般每個網段的卡件處和就地儀表處插頭要使用帶編程口的，便于診斷及維護。分析儀表就地端不使用九針頭，可在總線測試工具加上可編程九針頭測試就地儀表回路的信號情況。

PROFIBUS轉換板卡應用簡單，透明通信，數據完整，時時傳輸。

PROFIBUS-DP從站，波特率自適應，最大波特率 12Mbps；支持 IM0 設備維護功能。

從左到右依次二進制為 bit 7-0 ： 如站地址為 19（0x13），需要撥為 0001 0011，如圖2：

接線方式：把標準電纜的綠線接入端子左側，紅線接入端子右側（Profibus-In 端子 和Profibus-Out 端子都遵循此規則），在 DP 板卡作總線的終端時，只接Profibus-In 端子（入線），同時把終端電阻開關撥到On 位置，如圖3：

圖3 Profibus轉換板卡接線圖

2 現場總線在華能太原東山燃機熱電廠分析儀表的應用

2.1 華能太原東山燃機熱電廠分析儀表現狀

我廠分析儀表在線監測系統儀表共計96個測點，分布于鍋爐補給水系統、原水預處理系統、酸堿系統、余熱鍋爐、汽機等。

鍋爐補給水系統共計測點15個，儀表14臺，其中1臺硅表是美國HACH雙通道測量儀表測量混床出水質； 8臺ABB導電度儀分別測量反滲透裝置和混床水質；1臺ABB氧化還原電位儀表（ORP）儀表測量反滲透水質，此儀表為ABB400系列儀表，有測量氧化還原電位和PH兩種測量方式；7臺ABBPH計分別測量熱網＼輔機噴淋泵入口和反滲透裝置水質；1臺梅特勒PH計為后期改造新增PH計，此表計與其他品牌表計不同于記錄模塊在電極內部，而其他表計的記錄模塊多在變送器內。

原水預處理系統共計測點2個，儀表2臺，兩臺ABBPH計分別測量機械加速澄清池、化學補水泵水質。

酸堿系統4臺ABB儀表分別測量酸堿濃度與酸堿廢水PH質量。

兩臺余熱鍋爐共計測點68個，儀表62臺，其中4臺硅表是美國HACH雙通道測量儀表分別測量中壓汽包爐水、高壓汽包爐水、高壓過熱蒸汽、再熱器水質；2臺SWAN溶氧表分別測量低壓省煤器、低壓汽包爐水水質；2臺奧立龍磷表為雙通道測量儀表分別測量中、高壓汽包爐水水質；6臺奧立龍PH表分別測量省煤器及爐水水質；1臺奧立龍聯氨表測量低壓省煤器水質；3臺奧立龍鈉表測量過熱蒸汽、再熱器水質；14臺奧立龍陽電導表分別測量省煤器、爐水、飽和蒸汽、過熱蒸汽、再熱器水質；2臺奧立龍比電導表分別測量中、高壓汽包爐水水質；陽電導表與比電導表是同一種品牌型號的儀表，區別于陽電導表要經過氫離子交換柱（其中填充變色樹脂），而比電導表不需要。

汽機共計測點7個，儀表7臺，其中1臺SWAN溶氧表、奧立龍3臺陽電導表、1臺比電導表、2臺PH表分別測量汽機凝結水、冷卻水及熱網加熱器水質。

我廠共有2個控制室、3個電子間控制分析儀表，其中水網控制室控制鍋爐補給水系統、酸堿系統（水網控制室機柜）、原水預處理系統（水務區電子間）。主機電子間控制余熱鍋爐、汽機儀表（汽水取樣電子間）。

鍋爐補給水系統14臺儀表、酸堿系統4臺儀表分別位于化學水處理車間、酸堿中和池內，分布于水網控制室約200米內；原水預處理系統2臺儀表分別位于水務區室外、綜合水泵房，距離水務區電子間各約50米，距離水網控制室分別約50米，150米； #1余熱鍋爐31臺儀表位于#1余熱鍋爐10米高溫采樣間處，距離汽水取樣電子間約100米，距離主機電子間約270米；#2余熱鍋爐31臺儀表位于#2余熱鍋爐10米高溫采樣間處，距離汽水取樣電子間約10米，距離主機電子間約170米；#3汽機7臺儀表位于#3汽機0米空壓機處，距離汽水取樣電子間約170米，距離主機電子間約200米。

分析儀表自調試后，各項性能指標良好，確保了化學水質良好的監視與維護。

2.2 華能太原東山燃機熱電廠分析儀表總線方案

華能太原東山燃機熱電有限責任公司分析儀表在線監測系統采用的是Profibus-DP現場總線協議，其數據傳輸速率9.6Kbps～12Mbps。

2.2.1 電纜敷設

華能太原東山燃機熱電有限責任公司原水預處理系統為節省電纜敷設，將電子件設計于水務區；汽水取樣電子件放置于#2余熱鍋爐，1#爐通過光纖敷設，因而節約電纜費用。汽水取樣系統的奧立龍儀表需用PROFIBUS轉換板卡，共計69個，分析儀表敷設DP電纜約450米，光纖約700米。其中鍋爐補給水系統14臺儀表由水網控制室機柜內1號、2號控制器控制；酸堿系統4臺儀表由水網控制室機柜內3號控制器控制；原水預處理系統2臺儀表由水務區電子間機柜內5號控制器控制；2臺余熱鍋爐62臺儀表、汽機7臺儀表由汽水取樣電子間機柜6號控制器控制。

在敷設電纜的過程中，動力電纜會干擾DP電纜，所以敷設DP電纜時，要與其他電纜分開敷設，避免平行。如果不可避免時，其中間須有分隔板，并至少保持20厘米的間隔，如有雷擊的可能時應至少保持50厘米的間距。若需交叉時，應直角交叉。有抗干擾要求的線路應采用符合有關規范要求的屏蔽電纜，在電纜轉角處轉彎時應保持最小可允許的電纜彎曲半徑，簡單彎曲的彎曲半徑應大于電纜外徑的10倍，多個連續彎曲的彎曲半徑應大于電纜外徑的20倍。電纜不可拉扯、曲折、打結，其最大拉伸力為100N，電纜敷設完畢需要給電纜槽盒增加蓋板，蓋板要嚴密。

冗余的通信電纜宜在分開的電纜橋架上敷設，站與站之間通信電纜應為一條電纜，不可兩條接在一起，如果儀表暫時未安裝而無法接線，要使用專用連接器臨時接通，而不應簡單地扭接。也可不截斷通信電纜，留有余地后直接連接下一個總線設備。

對于跨建筑的通信介質宜使用鎧裝光纜。鎧裝光纜應遵循最小彎曲半徑、可允許拉伸力等要求，不應擠壓、扭曲光纜，敷設應符合有關規范要求。帶連接頭的DP通信電纜的敷設應使用保護套管將連接頭進行保護以避免其損壞，未連接的光纜插頭和插座應用保護罩進行防護。牽引通信電纜經過有夾角的橋架時，應使用滑輪裝置，有橋架等鋒利的邊緣處，要有防護措施。

機柜、接線盒內無屏蔽的電纜不應與電源線纏繞，沒有屏蔽的露出接線部分應盡量短，宜控制在5cm以內。總線電纜進入機柜時將電纜保護層剝去適當長度露出屏蔽層，注意不要破壞其屏蔽層，使用專用EMC電纜卡將其固定在機柜入口，確保其屏蔽層與入口銅排可靠連接。通信電纜在機柜內布線時，應遠離干擾源，應避免與高電壓、大電流的電纜在同一線槽內走線，不宜在柜內形成“環”，應避免將變頻器等干擾源包圍在“環”內。

2.2.2 分析儀表現場總線技術的應用

現場總線技術實現了設備的智能化、數字化，與4-20mA模擬信號相比，現場總線技術提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統的結構簡化，設備與連線減少，現場儀表內部功能加強：減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性；可組態設備實時狀態和診斷顯示、報警等，快速發現設備故障位置、原因，快速維修，節省人力和提高系統可用性。

此外，由于它的設備標準化和功能模塊化，因而還具有設計簡單，易于重構等優點。由于現場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除。縮短了維護停工時間，同時由于系統結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量，實現真正的數字化電廠。

3 結語

華能太原東山燃機電廠工程在部分儀表中進行了現場總線技術的積極學習與發現，累積了很多工作經驗，根據應用經驗和實際效果，我們將在未來的工作中繼續學習推廣，從而為實現華能東山燃機熱電有限責任公司的分析儀表全面數字化生產繼續努力。

參 考 文 獻

[1] 繆學勤.20種類型現場總線進入IEC61158第四版國際標準.

[2] 西安熱工院·電站自動化及信息技術——現場總線技術的應用.