Profibus總線技術在智能燃料集中管控系統中的應用

楊華鑫，劉 剛，駱 杰，高 飛

（1.貴州黔西發電廠，貴州 黔西 551514；2.上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240）

0 引言

為改善燃料管理效能，提高入廠驗收作業效率，消除人為干擾因素，近年來越來越多電廠綜合運用泛在感知、自動控制、工業物聯網等技術等構建燃料集中管控系統[1]，通過網絡通信或總線技術與現場層設備進行連接，實現燃煤接卸輸送和摻配、儲存、計量、質量檢測、樣品管理等作業設備的遠程狀態監視、自動控制與反饋、自動診斷與報警、自動采集與數據管理等功能。

Profibus總線技術是國際現場總線標準IEC61158的Type3部分，是一種高速低成本通訊網絡，用于設備級控制系統與分散式I/O的通訊，廣泛應用于各行業工業控制[2]。

受限于缺乏統一規劃設計和不同設備廠商的控制系統的技術水平，目前國內的燃料管控系統幾乎沒有單獨設置主控單元而是借助服務器以終端服務方式對現場設備實施調度控制，采制化流水控制實質上由設備自帶控制系統完成，容易形成一個個分散獨立的控制孤島，給管控系統接口對接、數據的實時獲取、后期運維造成極大的障礙。結合筆者所在電廠的燃料智能檢測項目和Profibus總線技術特點，探索基于燃料集中管控系統的Profibus總線應用技術。

1 Profibus總體設計原則

參照機組DCS集中控制的理念，在管控中心部署燃料集中管控系統，同時按照多分散、小集中的原則在各設備附近設置IO控制站就近接入控制信號，在保留部分常規硬接線接入外，充分運用Profibus現場總線技術，減少現場布線，提高控制精度，獲取豐富狀態信息，提升燃料智能檢測設備故障診斷和預測性維護能力。

電廠的燃料智能檢測系統共有IO點數約為1500點，分別在采樣鋼結構平臺及新建采制化樓管控中心機房設置兩對西門子S7-1500H冗余主控單元，同時在自動化驗工作室、動力風機室、采樣控制室等區域設置5個現場IO總線單元，將樣桶封裝與轉運、樣品氣動輸送、機器人制樣設備、機器人化驗工作站等設備信號，通過現場總線技術就近接入燃煤集中管控系統，圖1為燃料集中管控系統Profibus現場總線構架。

圖1 燃料集中管控系統Profibus現場總線構架Fig.1 Profibus field bus architecture of the fuel centralized management and control system

2 Profibus總線規劃設計

2.1 總線接入規劃

Profibus總線接入規劃關鍵思路是應根據不同類型的采制智能設備的技術特點采取針對性的接入方案，最大程度提高總線接入設備的覆蓋范圍，壓縮常規電纜的用量，提升系統集成度。

1）對于采制現場諸如縮分器皮帶機、斗提機、采樣頭、縮分裝置等數量眾多的馬達類設備，建議配置具有DP總線接口的驅動變頻器或馬達保護器直接接入到Profibus總線中。

2）在大量RFID使用場景的煤樣封裝和流轉環節，優先選用支持Profibus-DP接口高速讀寫組件，以直接接入方式集成到主控單元的Profibus總線網絡，以提高讀寫效率和準確性。對于只能提供Modbus、Modbus Tcp/ip或其他接口的RFID終端，則以網關接入到總線網絡。

3）樣品封裝機、智能存查樣柜、全自動制樣、化驗工作站內的伺服機構、步進電機、機械臂等智能組件以CAN open總線接口為主，目前電廠主流集中管控系統都不具備直接接入的能力，需在現場完成CAN open區域組網后，通過PB-B-CAN open總線橋接入到Profibus總線中。

4）對于具有低速RS485接口的汽車識別系統中的RFID識別、語音播報、LED電子屏幕、攔車器等設備，通過DP/ RS485耦合器或RS485/Profibus-DP網關接入DP總線。

5）部分由設備廠家配套控制柜的輔助工藝設備如空壓機、除塵風機、化驗室廢氣排放裝置等大多選用的常規的PLC控制，一般都沒有Profibus通訊接口，無法直接接入到總線網絡，應在相應的設備控制柜內設置現場總線IO模塊，通過短距離過渡的電纜（5m內）接到總線IO模塊，繼而接入Profibus現場總線網段。

2.2 總線冗余及可靠性設計

燃料集中管控系統的控制器、總線網絡設備、通訊介質等關鍵部件應冗余配置[3]，任何網絡組件發生故障時，冗余的部件應能在系統控制器典型掃描周期內監測到并能無擾接管故障部件的功能，避免對控制器與網段上其它設備之間的通訊造成影響，同時提供在線診斷和故障定位信息，維持燃料集中管控系統正常運行。

1）現場總線控制系統的網絡介質、DP通訊接口包括Master主站模塊、Slave從站模塊、網關設備（如Y-LINK、DP/PA耦合器、PB-B-CAN網關等）、鏈路設備（如DP光電轉換器、中繼器、終端電阻等）都應冗余配置或具備兩個獨立的通訊端口。

2）Profibus-DP的1類主站均應配置為系統冗余（SR）的工作模式，主備DP端口具有相同的邏輯總線地址并能相互監視對方端口的工作狀態，如圖2所示。

圖2 Profibus-DP SR冗余原理圖Fig.2 Profibus-DP SR redundancy schematic diagram

3）只有單一DP接口或不具備DP接口的從站設備（伺服機構、第三方控制器、現場IO模塊等）應采用Y-LINK、DP交換機（DPS）或CAN網關等組件耦合接入到DP總線冗余控制單元。

4）燃料集中管控系統的所有DP組件和平臺軟件應能對總線工作狀態進行連續故障檢測，在線提供網絡負荷、斷線、短路、非法級聯、令牌輪轉時間TTR、站延遲時間TSDR等診斷信息。在出現故障時，診斷信息應能明確標識出故障組件和網絡定位。

2.3 總線網段規劃設計

Profibus總線采用RS485令牌環網技術，支持菊花型、星型、環型、混合型的拓撲結構。網段的劃分就是結合采制化設備的安裝位置、工藝關系、維護便利與否，并按照EN 50170、GB/T20540等相關標準將總線合理劃分成若干個網段，確定網段的拓撲結構、網段主控單元及其級聯分控單元的數量，分控單元下每條總線網絡上連接DP站點的數量，尋求組網成本和性能的均衡點。其核心是要保證網絡的基本性能，從而保障設備的長期安全可靠運行。

1）工藝上并列運行或冗余設置的設備，其總線接入裝置應連接到不同的網段上，在單個網段故障時不會造成整個采制化作業全線停運。電廠的燃料智能檢測系統的采樣前端共有6臺汽車采樣機，按照此原則設計了3個獨立網段，將6套樣桶封裝機、3套樣桶滾筒輸送機、3套樣桶提升機接入到不同的網段上。

2） 同一控制回路中或存在控制邏輯關聯的設備或儀表原則上分配在同一個總線網段上，避免跨網段通訊造成數據延時，影響控制實時性和聯鎖保護的可靠性。通常而言，單臺采樣機的縮分裝置、樣桶封裝、樣桶滾筒輸送、樣桶提升等設備，需接入到同一總線網段上。

3）采用銅質雙絞線作為通訊介質的網段中的各機電設備節點，應采用菊花鏈型拓撲結構。電氣抽屜柜內的馬達保護器、綜合保護裝置可采用端子T型連接方式，但網段內T型分支線總長度不能長于20m（500 kBit/s的典型速率下），避免T型分支阻抗的變化對網段整體阻抗特性產生偏移。超過限定距離或強電磁干擾場合下，應采用光纖環網拓撲結構，DP光纖轉換器應支持快速恢復功能，環路中斷后，自愈時間不高于50ms。

4）根據采制化現場總線設備的工藝控制要求、安裝位置、電磁環境，確定單個網段下掛DP從站的數量。在不通過RS485中繼器擴展情況下，原則上單個網段不得超過Profibus標準規定的最大數量的50%，其中化驗區域單網段最大可接入16個從站設備，自動制樣區域單網段、采樣前端單網段最大可接入12個從站設備。

5）PROFIBUS網段主站模塊的通訊速率設定值應滿足表1中 RS485速率限制，工程實踐表明燃料集中控制燃料的總線傳輸速率設定為500kbps即可滿足要求。

表1 波特率與網段電纜總長度的對照表Table 1 Comparison table of baud rate and total length of network segment cable

6）每個現場總線網段應合理配置網絡正常工作必須的終端器，Profibus網段的末端設備應配置有源終端器，確保網段上的設備在線熱插拔時不影響網絡的正常運行，有源終端器應裝設在現場總線就地機柜內。

2.4 Profibus抗干擾設計

受電廠燃煤接卸及質量檢測作業現場條件限制，電纜通道無法嚴格按照電壓等級分開設置。一方面，Profibus總線電纜往往和動力電纜或控制電纜混合走線，存在較大的空間電容耦合干擾；另一方面，智能檢測裝置多為機電一體化設備，廣泛采用變頻器、IGBT、控制變壓器等電氣元器件，在啟動和運行期間產生大量的高頻諧波、尖峰脈沖和浪涌電壓，并通過空間輻射疊加到總線數字信號中，容易造成通訊波形畸變，影響通訊穩定性，嚴重時導致通訊中斷，因此必須進行針對性的抗干擾措施。

1）在采樣封裝、自動制樣、電氣MCC室等電磁環境復雜的區域，建議選用光纜作為Profibus總線傳輸介質，跨建筑傳輸時必須采用光纜，并配置赫斯曼OZD或西門子的OLM光纖收發器。光纜傳輸系統具有良好抗EMC兼容性能，可有效解決各種類型的電磁干擾，維持傳輸速率和抗干擾的平衡性。

2）嚴格按照DLT 1556-2016《火力發電廠 PROFIBUS現場總線技術規程要求》進行Profibus-DP網絡的多點等電位接地設計，等電位點應位于各總線終端設備的機柜內，材質選用30×3銅排或鍍鋅扁鐵，Profibus總線設備的接地端、電纜金屬槽盒、穿線管、電纜支吊架、電纜屏蔽層等都需要與等電位系統直接連接，各總線節點間等電位間宜采用截面積不少于6 mm2多股銅芯電纜連接。

3）Profibus總線電纜橋架必須選用封閉金屬槽盒，應單獨走向或敷設在多層電纜橋架的最上層。在制樣間、煤質化驗室等局部區域，受空間限制，可以與動力電纜和控制電纜短距離共用槽盒，但之間必須用金屬隔板隔開。電纜溝中或機柜內部的電纜走向設計應避免與動力電纜長距離平行布線，在不可避免需要平行敷設時，其間距不應小于20cm，避免容性耦合干擾。

4）選用符合EN50170標準的A類屏蔽雙絞Profibus專用電纜，其阻抗在135Ω和165Ω之間，電容小于30pF/m，電阻不大于110Ω/Km。在燃料集中管控1500Kbit/s高速數據交換應用場景下，其平衡傳輸能力可達200m。

5）Profibus總線網段內的各個總線節點應設計有源終端電阻，維持網段分支線纜與干線間的阻抗匹配性，保證良好傳輸質量。終端電阻需設置在自動制樣系統、化驗工作站、樣瓶灌裝、氣送輸送等設備的控制柜內，并應采用單路DC24V供電，避免網段內設備控制柜斷電，造成阻抗匹配功能失效。

圖3 模塊虛擬槽位圖Fig.3 Module virtual slot map

圖4 映射字節狀態圖Fig.4 Mapping byte state diagram

2.5 Profibus總線控制單元選型設計

目前，電廠中廣泛應用的艾默生OVATION DCS、和利時Hollias-MACS、西門子SIMATIC S7 PLC等自動化系統，都能提供完備的主站、從站模塊和相關的總線控制單元。特別是西門子S7-1500系列PLC在此基礎上，集成了運動控制模塊、RFID模塊、CAN模塊，非常適合智能采制化設備中的伺服電機、編碼器、掃碼槍、射頻識別等組件的全總線無縫接入，大大降低系統集成的技術難度。在CAN open協議設備接入Profibus總線方面[4]，鼎實公司的PB-B-CANopen總線橋支持24條CAN指令并發，實現對多個CAN設備狀態聯網監控。總線I/O模塊要求能在燃料采制現場強電磁、高粉塵、溫濕度大的惡劣環境下長期穩定工作，設備現場安裝時防護等級不低于IP67，控制柜內安裝時防護等級不低于IP20。

表2 映射字節狀態位說明Table 2 Mapping byte status bit description

圖5 模塊診斷字節說明Fig.5 Module diagnosis byte description

圖6 網段的診斷狀態畫面Fig.6 Diagnosis status screen of network segment

3 總線故障診斷程序設計與實現

由上可知，燃料集中管控的Profibus總線系統具有網段拓撲結構復雜、節點接入方式多樣、運行環境惡劣等特點，運行中不可避免出現故障。在實際工程應用中，應在對診斷數據深入研究的基礎上，基于管控平臺運用總線廠商提供的DPV1非周期性診斷功能塊開發總線診斷功能子模塊，并在燃料管控中心以圖形化顯示底層網絡拓撲和診斷信息，提升系統自診斷能力[5]。以電廠的燃料集中管控S7-1500H總線系統為例，介紹如何開發非周期性循環程序，實施對圖3中DP/DP耦合裝置（Y-LINK）及下掛的#3地址的ET200 ECO模塊的診斷。

1） 按照分層級設計的要求，首先利用支持DPV1的STEP7系統功能塊SFC59“RD_REC”對Y-LINK進行診斷評估，總覽節點失效或故障信息，其下掛的ET200 ECO模塊發生故障時都觸發診斷中斷并置位Y-LINK診斷數據表的對應字節。根據西門子Y-LINK診斷文檔，此模塊虛擬成Y-LINK下的#1和#2插槽，插槽診斷總覽信息映射到Y-LINK診斷字節7的bit0和bit1，相關的槽位、映射字節和狀態位見圖3、圖4和表2。

2）根據上述的診斷總覽運用STEP7系統功能塊SFC13“DP NRM_DG”讀取從站診斷數據，根據圖5所示的診斷狀態字確定故障從站的詳細診斷信息（插槽或模塊編號、模塊狀態、通道編號、通道故障等取決于具體的模塊）。

3）把上述診斷結果在預設的畫面或表格中呈現，并通過報警提醒運行人員關注，圖6為工作站上DP總線節點診斷畫面局部截圖。

4 結語

基于燃料集中管控系統的Profibus總線應用技術探索了不同類型采制設備的總線接入、網絡設計與規劃、從站設備故障診斷與分析等關鍵問題，該技術的應用可增強燃料集中管控系統延展性和靈活性，提升管控平臺的自動化水平，支撐燃料智能檢測系統深度融入智能電廠的數字化網絡，同時節約了大量常規電纜、穿線管、電纜橋架使用量及安裝成本。此外，結合總線設備提供的大量附加信息，可進一步實現采制化智能設備狀態檢修、巡檢管理、預測維護等功能。