PROFIBUS现场总线在超临界机组上的应用

盖玉利

（国网能源宁夏鸳鸯湖电厂，宁夏 宁东 750410）

0 引言

现场总线在工业领域的应用已经有十多年的历史，但在火电厂主机控制应用不多，目前还处起步阶段［1］。PROFIBUS为制造领域独立的总线标准，广泛应用与制造工业、过程自动化和建筑自动化领域，为国际标准的现场总线。国网能源宁夏鸳鸯湖电厂一期工程建设规模为2台660 MW超临界、直接空冷凝汽式汽轮发电机组。DCS系统采用ABB公司最新推出的、基于现场总线技术、具有强大的过程控制功能的Industrial IT System 800xA系统。项目采用了现场总线控制方案，PROFIBUS现场总线控制范围覆盖锅炉、汽机、烟气脱硫及电气马达控制（MCC）等领域。

1 PROFIBUS现场总线控制范围

火电机组主机采用现场总线控制目前还处在试点、探索阶段，担心当总线故障时将会给机组安全运行带来影响。因此，目前很多项目对现场总线的应用范围还是考虑在辅助系统、非主要设备上进行应用。控制功能方面，主要考虑非主要、单操的设备或辅助系统的设备启、停或开、关操作控制。鸳鸯湖项目在这些方面进行一些突破性应用设计，纳入现场总线控制的设备、工艺系统不仅局限于辅助系统或次要的单操设备。一些带保护、联锁控制的设备也采用了现场总线设备进行控制，最终纳入现场总线控制的系统有：锅炉疏水放气系统；锅炉风烟系统；锅炉制粉系统；汽机抽汽系统；汽机辅汽、轴封系统；汽机凝结水系统；脱硫系统。

控制功能有单操设备，也有涉及保护联锁的设备，如抽汽电动门、轴封供汽门等均涉及保护联锁。除了热控方面的设备外，对电气MCC控制的强电设备，也把一些相应的设备采用现场总线进行控制，如锅炉疏水泵、凝结水输送泵等，现场总线直接接入电气的MCC进行控制。

2 800xA的PROFIBUS现场总线网络结构

ABB的800xA系统支持多种现场总线网络拓扑结构：总线型、带分支的总线型、树型、星型、环形等。同时支持光纤连接，采用光纤的网络拓扑结构有总线型、树型、星型、环形等。另外，还支持光纤、与双绞线组合的混合连接。图1为鸳鸯湖项目中使用的一种典型网络拓扑结构。

图1 800xA典型PROFIBUS现场总线网络结构

在鸳鸯湖项目中，根据工艺系统及现场设备分布情况及控制特点，设计了多种网络拓扑结构，总线型、星型和环形均有。为防止干扰，延伸总线传输距离，现场总线设备均按工艺系统结合控制功能原则接入现场总线就地柜，然后就地控制柜采用冗余光缆接到电子间到的PROFIBUS-DP主站。总线型和星型用的最多，如抽汽电动门控制、轴封控制、脱硫、锅炉疏水泵控制等。在公用系统中，采用环形光缆网络结构。

3 系统配置

3.1 硬件配置

800xA系统现场总线设计是全方位、完全冗余的，从控制使用的控制器、通信处理模件、传输线路，均是冗余的。对现场不具备冗余的设备，如阀门、泵等，800xA系统提供冗余与非冗余的转换模件，系统的这个设计特点为现场设备提供了最大冗余接入条件。PROFIBUS现场总线使用的通信速率在大于500 kb/s时，传输距离协议要求最好不超过300 m。在应用中为提高传输距离，最大程度的降低干扰，提高通信可靠性，对这些距离远的设备采用现场就地控制柜方案。把一些距离比较远、数量相对集中的设备，在现场设置就地控制柜，就地控制柜和电子间控制器之间采用了光缆连接，把这些设备接入系统。800xA系统提供各种方案的光缆接入方案，冗余、非冗余、线性、星型、环形网络结构均支持。800xA系统全方位的现场总线设计策略大大提高系统的可靠性，为现场总线的应用创造了良好条件。根据冗余设计原则，鸳鸯湖项目的PROFIBUS现场总线硬件配置如下：

PROFIBUS-DP通信处理模件：CI854（冗余）

电子间←→就地柜：冗余光缆连接

光电转换装置：赫斯曼的OZD G11或G12（冗余），OZD G11用于树型连接，OZD G12用于环形光缆连接。

对非冗余现场DP设备，在就地柜安装RLM01转换装置。

DP接头：使用Profitech公司的金属、快速连接头，接头带通信诊断功能。

网段终端采用有源终端电阻，安装在现场就地柜。

网段终端电阻采用有源终端电阻，安装在现场就地控制柜，这样在现场某些节点故障时，不致因为设备的更换造成网络中断，大大方便了系统检查及维护。

3.2 现场设备

现场设备主要指现场使用的仪表及控制设备，如测量的各种仪表、变送器，控制设备主要指阀门、马达、泵、风机、电气开关等。鸳鸯湖项目现场设备没有PA协议的测量仪表，都是控制设备，均为PROFIBUS-DP协议的设备。

德国EMG的阀门主要用在抽汽系统上，功能比较强大和完善，支持子站冗余和线路冗余功能。ABB的马达保护器为M102-P，主要用于400 V马达泵的控制，就地柜安装在400 V马达控制中心（MCC）。国产的电动门主要用在汽机辅汽、轴封及脱硫等系统上，恒春的阀门支持线路冗余功能，应用效果比兰阀的电动门方便、可靠。兰阀的电动门实际上用的是MODBUS协议，供货商提供了一个MODBUS转换为PROFIBUS-DP协议的模块。尽管这个项目设备比较复杂，厂商比较多，但这些设备都成功的接入800xA系统。

4 系统组态

800xA系统提供一体化的现场总线组态软件。在应用时，PROFIBUS现场总线组态非常方便，现场设备的组态简单到类似一个普通I/O模块，用户只需把PROFIBUS现场总线设备（如阀门或泵等）看作一个包含输入、输出信号的常规I/O模件即可，其它的与常规硬接线I/O信号组态没任何区别。组态分硬件组态和软件组态，在组态之前，需把检查系统是否有将使用的现场总线设备的设备库。若没有，则需要到ABB的Solution Bank网站去下载，然后导入800xA系统即可。

4.1 硬件组态

硬件组态的内容主要包括添加主站、添加子站和参数设置。添加PROFIBUS-DP主站，确认主站是否冗余，设置主站地址，冗余方式，通信速率等。通信速率一般采用500 kb/s，其它参数可以采用缺省设置（图2），系统会根据接入设备数量自动相关通信时间参数。

添加子站，子站不需要设置通信速率等参数，这些由主站确定。设置子站地址，子站地址要求与实际设备设置的地址一致。设备及厂商不同，其子站地址设置方法也往往不同。有使用硬件拨码设置地址（如EMG的电动门），也有使用供货商提供的设置工具或软件设置地址 （软地址），如ABB的M102-P马达控制器，随机配有相应的软件、数据线。可在现场采用便携式笔记本电脑进行设置。恒春的阀门则使用其提供的遥控器进行设置。子站的其它参数设置根据厂商提供的说明书进行设置，如阀门可以设置为调节门，也可以设置为开关门。子站地址需注意其数值进制，有些厂商的为十六进制地址，而800xA系统上设置的均为十进制地址，需注意匹配。

添加子站的数据表，该表定义了各子地址对应的信号及信号类型。

图2 PROFIBUS-DP主站参数设置

4.2 软件组态

PROFIBUS现场总线的软件组态与常规硬接线信号组态一样，选择与硬件组态中信号表对应的I/O类型，输入信号名称（一般采用KKS码）及描述，然后把该信号分配到硬件组态中相应的PROFIBUS子站设备即可。在做软件组态时，有不少设备的信号不能直接引用，需进行解码（输入）或编码（输出）。如恒春和兰阀的阀门，其设备状态和输出指令是一个状态字和控制字，阀门的开关状态需根据该状态字的值进行判断（即解码），而不是可以直接引用的布尔量。表1为恒春阀门状态字的格式及意义。

表1 恒春阀门状态字的格式及意义

5 在线调试与诊断

在线调试与诊断功能对通信的调试、故障诊断、通信判断、问题处理及运行维护非常重要，800xA提供功能强大的在线调试和诊断功能，在工程师站可以对PROFIBUS的通信状态进行诊断和监视，然后根据诊断信息可以快速处理通信问题。

在组态下装后，在线方式下可以对PROFIBUSDP主站、从站及通信状态进行诊断和监视，故障以文字、信息、符号及颜色等多种方式进行显示。如节点找不到，将显示“Slave doesn’t exist”，同时该子站前显示红色三角框。

800xA还提供网页 （Web）方式的诊断功能，CI854/CI854A的PROFIBUS接口提供Web接口功能，主要用于调试、通信检查、故障诊断等。Web接口可以使用标准的Web浏览器如微软的Internet Explorer打开，在地址栏输入CI854所在控制器的IP地址就可以启动Web接口。如果一切正确，系统将弹出登录窗口，输入用户名和密码，即可进入Web接口。Web接口窗口分2部分，左边为菜单，显示可以使用的各种功能，右边为内容，即每个功能对应的系统信息。一些功能只是一些简单的、可察看的信息。一些功能需要额外的输入才能操作，这些特定的输入信息在窗口右半部的顶部输入，窗口底部还可以设置读数据、数据更新的时间。800xA系统PROFIBUS现场总线Web接口提供的功能主要有：设定地址、节点接入列表、循环时间察看、一般状态察看、主站参数设置、从站诊断、从站组态、从站I/O、固件信息、硬件信息、读取切换、内存故障、调试、服务文件、修改密码等。

6 结语

鸳鸯湖项目是ABB公司800xA系统在国内大型火电机组上首次应用，也是PROFIBUS现场总线在大型火电机组的应用。项目选用了4个厂商的PROFIBUS-DP现场总线设备，这些设备都成功的接入了DCS系统，取得了很好的应用效果。现场总线控制在火力发电厂主机系统的应用还处在探索阶段，目前对涉及保护、联锁的及电气马达控制 （MCC）等设备采用现场总线仍比较谨慎。而这些在本项目中都进行了应用，取得良好效果。800xA系统现场总线的全方位冗余设计功能，先进的设计理念为现场总线在电厂中的应用提供了可靠保障。系统从2010年12月30日1号机完成168 h运行，到目前一直运行稳定，为现场总线在电厂DCS中的应用提供了宝贵经验。