PROFIBUS总线在1 000 MW火力发电机组中的应用

罗栋

摘 要：根据PROFIBUS总线技术在福建石狮鸿山热电厂二期工程2×1 000 MW机组中应用的实际情况，从技术规范、应用优势和存在的问题等多方面进行了分析和总结，并讨论了PROFIBUS总线技术在电力行业中的发展前景。

关键词：PROFIBUS总线；报文；热电厂；模拟信号

中图分类号：TP273+.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.19.145

随着工业和通信业的不断发展，工业化与信息化在不断融合。近年来，我国工业智能化的程度在不断加深。在这一时代背景下，现场总线技术应运而生，并在2003年确立的国际标准中定义了10种类型。国际电工委员会（International Electro technical Commission，简称为IEC）将现场总线定义为：安装在制造或过程区域的现场装置，以数字通信代替4～20 mA的模拟信号和普通开关量信号，可实现现场设备之间、现场设备与室内控制装置之间的双向、串行、多点数字通信技术。现场总线技术与DCS的结合提高了机组的控制水平。

与其他现场总线相比，PROFIBUS总线的优势在于其以国际标准EN50170为保证，具有高效性和普遍性，因此，在各行业领域应用广泛。PROFIBUS总线支持多种传输方式，最常见的有主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统。主站具有总线控制权，可主动发送信息；从站不具备总线控制权，只有在收到信息后才能确认和反馈。鸿山热电厂二期工程充分发挥了PROFIBUS总线的优势，提高了电厂监控的自动化水平。

1 PROFIBUS总线的特点

1.1 PROFIBUS总线的系统架构

如图1所示，鸿山热电厂二期工程采用的PROFIBUS总线的系统架构分为局域网、主机柜和现场总线柜。将工程师站、操作员站等加入局域网后，其他

计算机系统或网络可通过该局

域网与这些工作站进行信息共享

和交换。工作站通过交换机与主

机柜互连，主机柜与现场总线柜

通过控制网互连。每个现场总线

柜最多可连接124个现场设备，

现场总线柜和现场设备通过DP/PA

电缆互连。交换机、控制网、DP/PA网均为1∶1冗余。

1.2 PROFIBUS网络的特点

鸿山热电厂二期工程采用的PROFIBUS网络使用RS485串口通讯，为半双工工作模式，支持光纤通讯方式。每个PROFIBUS网络理论上最多可连接128个物理站点（0～127），其中，包括主站、从站和中继设备。在配置物理站点时，0作为PG地址，1和2作为主站地址，127作为广播地址，这些地址是固定不变的；3～126作为从站可用的地址，一共124个。除主站和从站外，每个中继设备占用1个从站的物理站点，但没有站号。PROFIBUS网络的通讯速度与距离有关。在PROFIBUS网络中，现场设备的配置中不仅要考虑工艺、位置、距离，还要兼顾仪表的重要性。重要设备禁止放在同一链路中，

甚至可单独放在1条链路中，以防因该链路故障而导致多个重要设备同时失效，从而降低风险，提高系统的可靠性。此外，为了降低通讯电缆对通讯能力的影响，电缆长度不宜过长，更不能形成环状。为了降低变频器对通讯能力的影响，在安装变频器及其出线时，应改善其EMC特性，比如对通讯电缆和动力电缆使用屏蔽电缆接地等。

1.3 PROFIBUS的硬件特点

鸿山热电厂二期工程2×1 000 MW机组采用PROFIBUS现场总线，其硬件包括总线机柜、通讯介质、PROFIBUS插头、有源终端电阻、DP中继器和DP/PA电缆等。

PROFIBUS网络支持RS485的电缆和光纤两种通讯介质。PROFIBUS插头用于连接PROFIBUS电缆与PROFIBUS的站点。在每个PROFIBUS插头上都内置了终端电阻，可根据需要接入或切除。当一个物理网段终结时，对应的终端电阻选择“接入”，其他均选择“切除”。

终端电阻用于消除通讯电缆中的信号反射，即阻抗不连续或阻抗不匹配导致的信号反射。阻抗不连续会导致总线电缆末端的阻抗过小，甚至短路或阻抗过大（断线）；阻抗不匹配是指数据收发器的阻抗与总线电缆之间的阻抗不匹配。为了防止总线上的网线与总线电缆之间发生阻抗不连续或阻抗不匹配，应在每个物理网段的两个终端站点接入终端电阻。

1.4 DP中继器和DP/PA电缆

当物理网段的现场总线设备数量超出上限时，或网络通讯距离超出其能力范围时，应使用中继器扩展物理网段。每个DP中继器占用1个从站的物理站点。

DP电缆用于分布式连接设备（电动执行机构、气动执行机构和变频器等）。在鸿山热电厂二期工程的实际应用中，DP电缆连接的均为现场供电的设备；PA电缆用于过程控制（压力变送器），在鸿山热电厂二期工程的实际应用中，PA电缆连接的是总线供电的测点或设备。

2 PROFIBUS总线的应用分析

在鸿山热电厂二期工程2×1 000 MW机组中，总线设备和测点遍布各分系统，且部分是顺序控制系统和模拟量控制系统中的重要设备和测点，充分显示了PROFIBUS总线通讯高速、稳定性好的优点。但在调试过程中发现了一些问题。

2.1 总线设备故障导致的频繁网络切换

在实际调试过程中，有多种情况会导致DP网络故障，最常见的原因是DP的A网与B网的频繁切换导致的网络故障。DP的网络切换是指当主网发生链路故障时，自动切换到备用网络。

网络链路故障有多种原因，最常见的是现场总线设备故障。总线设备故障的判断标准是是否存在设备自检故障或总线通讯故障。当现场总线设备发生故障时，如果通过自检设备可确定故障原因，则发送的报文可被解析；如果通过设备自检无法确定故障原因，则出现乱发数据包的现象，且这些数据包的报文无法被解析，进而导致A网链路异常，切换到B网。同理，当B网链路发生故障时，会切换到A网。

一般情况下，DP网络切换时，依旧可解析该网段中现场总线设备的工作情况，仍然可维持PROFIBUS网络的正常工作；但在极端情况下，DP网络的A网和B网的严重堵塞会导致A网和B网全部瘫痪，进而使该网段中的现场设备全部失效并变为离线状态。尝试多种解决办法后发现，最简明、有效的方法是根据现场总线设备发送数据包的情况判断：当同一设备连续发送3个无法被解析的数据包时，则判定此设备故障，并隔离该设备。

此外，现场总线的DP电缆安装错误也会引发故障。DP总线电缆中有3根线，分别为正端、负端和屏蔽线，三者之间应彼此不通。如果其中任意两根线接通，则会导致其所在的DP网络链路异常。在此情况下，需要工作人员到现场对各设备进行逐个断电，当故障设备断电后（该设备在网段中被隔离），DP网络的链路异常会消失。

2.2 总线设备与PROFIBUS网络的兼容性

有多种情况涉及到现场总线设备与现场总线的兼容性问题：①不同厂商的现场总线设备对故障原因的自检能力不相同。部分厂商的设备可完成自检并发送可被解析的报文，这种情况是最理想的；部分厂商的设备可完成自检，但无法在发送的报文中解析故障原因，需要工作人员前往现场确认，这种情况不会影响DP网络的正常工作；部分厂商设备无法自检故障原因，且会乱发送无法被解析的报文，进而引发DP网络故障，这种情况是应极力避免的。②不同厂商的现场总线设备应对功能变动的能力不同。比如，根据实际情况，增加显示开关门开度百分比的功能。这对于现场总线的工作站而言，在修改系统设置方面较为简单，但关键在于现场总线设备发回的gsd文件中的报文是否能反馈该功能，以及该报文是否可被解析。部分厂商的设备临时增加该功能时需要多次调试，甚至出现必须换现场总线设备的情况。

3 PROFIBUS总线的发展前景

在实际应用中，PROFIBUS总线仍有许多不足之处。比如，因网路堵塞或通信节点断开而导致的网络通讯故障；不同厂商提供的现场设备和总线的兼容性不同；设备发出无法被解析的报文时，会影响故障的判断等。虽然在项目开始之初，会由设备厂商提供设备的类型、型号，且厂商会将设备样品送到DCS厂家总部测试，生成兼容性报告，但这也说明现场总线设备与现场总线的兼容性仍有待加强和提高。

虽然具有以上缺点，但是PROFIBUS总线的应用实现了分布式控制，即可同时传送多个过程变量、仪表标识符诊断信息，从而使其成为电力系统自动化和现场设备智能化的可行方案。与硬接线相比，PROFIBUS总线具备高速、低成本的特点，大大降低了工程费、组装费和硬件费，且便于控制、维护和调整。比如，在机组调试过程中，使用PROFIBUS总线后，即使现场设备需要更改，也无需增加或更换卡件、电缆，只需根据新要求在工程师站修改设备定义，再修改现场总线设备的报文内容即可，从而节省了人力、物力和时间。基于上述优点，PROFIBUS总线的应用将更加普及，技术也将更加成熟。

参考文献

[1]金湘力.现场总线技术在系统自动化中的应用[J].山西电力，2009（6）：10-12.

[2]钟日钢，刘小娟，胡鼎雄，等.多种通信技术在大型垃圾焚烧发电厂中的应用[J].热力发电，2014（12）：123-125.

〔编辑：张思楠〕

Application of PROFIBUS Bus in 1000 MW Thermal Power Generating Units

Luo Dong

Abstract： According to the actual situation of the application of Profibus Technology in the second phase project of Fujian Shishi Hongshan Thermal Power plant 2 * 1 000 MW units， this paper from the technical specifications， the application advantages and existing problems in many aspects were analysis and summary， and PROFIBUS bus technology in the electric power industry development prospects are discussed.

Key words： PROFIBUS bus； message； power plant； analog signal

文章编号：2095-6835（2015）19-0147-01