现场总线技术在华能太原东山燃机热电有限责任公司分析仪表中的应用

张晓超

摘 要：本文阐述了总线技术的原理、总线分析仪表安装调试以及总线在OVATION系统中的组态配置、Profibus转换板卡的应用等。介绍了总线技术在华能太原东山燃机热电有限责任公司分析仪表中的应用，通过总线控制系统的成功应用，为相关应用提供了成熟的技术标准、施工规范及维护经验。

关键词：现场总线控制系统；Profibus-DP；分析仪表应用

中图分类号： TH7 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）17-186-3

1 简介

1.1 现场总线

现场总线是一个数字化的、串行、双向传输、多分支结构的通信网络系统，是用于工厂/车间仪表和控制设备的局域网。利用现场总线技术，把就地仪表、控制器、上位机连接成网络系统，实现双向数据传输和信息交换，对就地仪表和系统进行实时监测、诊断。

本工程分析仪表在线监测系统采用的是Profibus-DP现场总线协议，其数据传输速率9.6Kbps～12Mbps。

1.2 网络结构

本工程分析仪表采用艾默生Ovation现场总线控制系统，网络由电子间机柜、就地通讯柜、通讯介质、就地仪表组成。电子间机柜包括：控制器，Profibus通讯主站，光电转换器等。就地通讯柜包括：光电转换器、有源终端电阻等。

我厂采用艾默生OVATION 通信主站，Profibus通信主站即控制器下的DP卡件，完成和总线网络中从站的数据交换，并将采集的数据传回DCS系统的控制器中。1块DP卡件由两个接口，可连接两个不同的网段。连接冗余口总线设备时，设备的冗余接口可接入不同的两块主站卡中的通信接口进行交叉冗余，连接单口总线设备时可直接接入1块主站卡中的1个通信接口，主站卡可实现对从站设备的控制和管理功能，一般每对控制器可挂32块DP卡件。

1.3 组态

我厂控制系统为艾默生OVATION3.5.0系统，Profibus现场总线设备的组态应用软件为Ovation Developer Studio。

组态的配置步骤：控制器内添加新的设备编号→插入一个Profibus I/O模块→为每个总线模块指定模块记录点名→指定每个总线端口的点名→在Developer Studio里访问Profibus模块配置窗口→配置Profibus从设备→配置点名，根据厂家提供资料，增加模拟量、数字量或者打包点，一般每种不同型号设备都有不同的配置点。

最后，下装控制器，进行调试测试，调试测试完成后，该仪表组态成功，正式投入使用。

1.4 总线测试

总线测试的目的是检测总线网段的通断、信号是否合格；现场总线与设备是否正常；是不是会影响未来设备的运行等。

总线测试工具使用PROFIBUS TROUBLESHOOTING TOOKLIT，软件使用PROFITRACE FOR PROFICORE ULTRA V292.

下图为我厂部分总线测试截图，电压值在3V以上且稳定为正常，如果在3V以下，在日后的设备运行中如果有信号干扰，就会影响仪表信号传输的稳定性和准确性，如图1所示：

1.5 硬件部分

现场总线的硬件包括：Profibus接口，通讯介质，Profibus插头，中继器，光电转换器以及有源终端电阻等，但是也有特殊情况，如：部分仪表为硬接线仪表，若实现现场总线技术，则需添加PROFIBUS转换板卡。

1块DP卡件由两个接口（Profibus接口），可连接两个不同的网段。PROFIBUS网络支持RS485的电缆和光纤两种通讯介质。标准PROFIBUS DP电缆一般都是A类电缆，为屏蔽双绞电缆，其中数据线有两根：A-绿色和B-红色，电缆的外部包裹着编织网和铝箔两层屏蔽，最外面是紫色的外皮。光纤的传输距离比较远，抗电磁干扰性、耐腐蚀也很好，尺寸小，重量轻，耐腐蚀，便于敷设等。但是光纤弯曲半径不能过小，光纤连接处及终端不容易处理等等。按光在光纤中的传输模式不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。

PROFIBUS插头即九针头，用于连接PROFIBUS电缆和PROFIBUS的站点。九针头上，有一个进线孔（In）和一个出线孔（Out），分别连接至前一个站和后一个站。每个九针头都内置终端电阻，按照情况接入（On）和切除（Off）。一般，在卡件和通信箱内为On，就地设备处为Off。九针头分为带可编程口和不可编程口，一般每个网段的卡件处和就地仪表处插头要使用带编程口的，便于诊断及维护。分析仪表就地端不使用九针头，可在总线测试工具加上可编程九针头测试就地仪表回路的信号情况。

PROFIBUS转换板卡应用简单，透明通信，数据完整，时时传输。

PROFIBUS-DP从站，波特率自适应，最大波特率 12Mbps；支持 IM0 设备维护功能。

从左到右依次二进制为 bit 7-0 ： 如站地址为 19（0x13），需要拨为 0001 0011，如图2：

接线方式：把标准电缆的绿线接入端子左侧，红线接入端子右侧（Profibus-In 端子 和Profibus-Out 端子都遵循此规则），在 DP 板卡作总线的终端时，只接Profibus-In 端子（入线），同时把终端电阻开关拨到On 位置，如图3：

图3 Profibus转换板卡接线图

2 现场总线在华能太原东山燃机热电厂分析仪表的应用

2.1 华能太原东山燃机热电厂分析仪表现状

我厂分析仪表在线监测系统仪表共计96个测点，分布于锅炉补给水系统、原水预处理系统、酸碱系统、余热锅炉、汽机等。

锅炉补给水系统共计测点15个，仪表14台，其中1台硅表是美国HACH双通道测量仪表测量混床出水质； 8台ABB导电度仪分别测量反渗透装置和混床水质；1台ABB氧化还原电位仪表（ORP）仪表测量反渗透水质，此仪表为ABB400系列仪表，有测量氧化还原电位和PH两种测量方式；7台ABBPH计分别测量热网＼辅机喷淋泵入口和反渗透装置水质；1台梅特勒PH计为后期改造新增PH计，此表计与其他品牌表计不同于记录模块在电极内部，而其他表计的记录模块多在变送器内。

原水预处理系统共计测点2个，仪表2台，两台ABBPH计分别测量机械加速澄清池、化学补水泵水质。

酸碱系统4台ABB仪表分别测量酸碱浓度与酸碱废水PH质量。

两台余热锅炉共计测点68个，仪表62台，其中4台硅表是美国HACH双通道测量仪表分别测量中压汽包炉水、高压汽包炉水、高压过热蒸汽、再热器水质；2台SWAN溶氧表分别测量低压省煤器、低压汽包炉水水质；2台奥立龙磷表为双通道测量仪表分别测量中、高压汽包炉水水质；6台奥立龙PH表分别测量省煤器及炉水水质；1台奥立龙联氨表测量低压省煤器水质；3台奥立龙钠表测量过热蒸汽、再热器水质；14台奥立龙阳电导表分别测量省煤器、炉水、饱和蒸汽、过热蒸汽、再热器水质；2台奥立龙比电导表分别测量中、高压汽包炉水水质；阳电导表与比电导表是同一种品牌型号的仪表，区别于阳电导表要经过氢离子交换柱（其中填充变色树脂），而比电导表不需要。

汽机共计测点7个，仪表7台，其中1台SWAN溶氧表、奥立龙3台阳电导表、1台比电导表、2台PH表分别测量汽机凝结水、冷却水及热网加热器水质。

我厂共有2个控制室、3个电子间控制分析仪表，其中水网控制室控制锅炉补给水系统、酸碱系统（水网控制室机柜）、原水预处理系统（水务区电子间）。主机电子间控制余热锅炉、汽机仪表（汽水取样电子间）。

锅炉补给水系统14台仪表、酸碱系统4台仪表分别位于化学水处理车间、酸碱中和池内，分布于水网控制室约200米内；原水预处理系统2台仪表分别位于水务区室外、综合水泵房，距离水务区电子间各约50米，距离水网控制室分别约50米，150米； #1余热锅炉31台仪表位于#1余热锅炉10米高温采样间处，距离汽水取样电子间约100米，距离主机电子间约270米；#2余热锅炉31台仪表位于#2余热锅炉10米高温采样间处，距离汽水取样电子间约10米，距离主机电子间约170米；#3汽机7台仪表位于#3汽机0米空压机处，距离汽水取样电子间约170米，距离主机电子间约200米。

分析仪表自调试后，各项性能指标良好，确保了化学水质良好的监视与维护。

2.2 华能太原东山燃机热电厂分析仪表总线方案

华能太原东山燃机热电有限责任公司分析仪表在线监测系统采用的是Profibus-DP现场总线协议，其数据传输速率9.6Kbps～12Mbps。

2.2.1 电缆敷设

华能太原东山燃机热电有限责任公司原水预处理系统为节省电缆敷设，将电子件设计于水务区；汽水取样电子件放置于#2余热锅炉，1#炉通过光纤敷设，因而节约电缆费用。汽水取样系统的奥立龙仪表需用PROFIBUS转换板卡，共计69个，分析仪表敷设DP电缆约450米，光纤约700米。其中锅炉补给水系统14台仪表由水网控制室机柜内1号、2号控制器控制；酸碱系统4台仪表由水网控制室机柜内3号控制器控制；原水预处理系统2台仪表由水务区电子间机柜内5号控制器控制；2台余热锅炉62台仪表、汽机7台仪表由汽水取样电子间机柜6号控制器控制。

在敷设电缆的过程中，动力电缆会干扰DP电缆，所以敷设DP电缆时，要与其他电缆分开敷设，避免平行。如果不可避免时，其中间须有分隔板，并至少保持20厘米的间隔，如有雷击的可能时应至少保持50厘米的间距。若需交叉时，应直角交叉。有抗干扰要求的线路应采用符合有关规范要求的屏蔽电缆，在电缆转角处转弯时应保持最小可允许的电缆弯曲半径，简单弯曲的弯曲半径应大于电缆外径的10倍，多个连续弯曲的弯曲半径应大于电缆外径的20倍。电缆不可拉扯、曲折、打结，其最大拉伸力为100N，电缆敷设完毕需要给电缆槽盒增加盖板，盖板要严密。

冗余的通信电缆宜在分开的电缆桥架上敷设，站与站之间通信电缆应为一条电缆，不可两条接在一起，如果仪表暂时未安装而无法接线，要使用专用连接器临时接通，而不应简单地扭接。也可不截断通信电缆，留有余地后直接连接下一个总线设备。

对于跨建筑的通信介质宜使用铠装光缆。铠装光缆应遵循最小弯曲半径、可允许拉伸力等要求，不应挤压、扭曲光缆，敷设应符合有关规范要求。带连接头的DP通信电缆的敷设应使用保护套管将连接头进行保护以避免其损坏，未连接的光缆插头和插座应用保护罩进行防护。牵引通信电缆经过有夹角的桥架时，应使用滑轮装置，有桥架等锋利的边缘处，要有防护措施。

机柜、接线盒内无屏蔽的电缆不应与电源线缠绕，没有屏蔽的露出接线部分应尽量短，宜控制在5cm以内。总线电缆进入机柜时将电缆保护层剥去适当长度露出屏蔽层，注意不要破坏其屏蔽层，使用专用EMC电缆卡将其固定在机柜入口，确保其屏蔽层与入口铜排可靠连接。通信电缆在机柜内布线时，应远离干扰源，应避免与高电压、大电流的电缆在同一线槽内走线，不宜在柜内形成“环”，应避免将变频器等干扰源包围在“环”内。

2.2.2 分析仪表现场总线技术的应用

现场总线技术实现了设备的智能化、数字化，与4-20mA模拟信号相比，现场总线技术提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性；可组态设备实时状态和诊断显示、报警等，快速发现设备故障位置、原因，快速维修，节省人力和提高系统可用性。

此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量，实现真正的数字化电厂。

3 结语

华能太原东山燃机电厂工程在部分仪表中进行了现场总线技术的积极学习与发现，累积了很多工作经验，根据应用经验和实际效果，我们将在未来的工作中继续学习推广，从而为实现华能东山燃机热电有限责任公司的分析仪表全面数字化生产继续努力。

参 考 文 献

[1] 缪学勤.20种类型现场总线进入IEC61158第四版国际标准.

[2] 西安热工院·电站自动化及信息技术——现场总线技术的应用.