PROFIBUS现场总线在火电机组化学水车间控制中的应用

马可心，李建军，姚 远，郝 欣

(1.国家电投集团东北电力有限公司，辽宁 沈阳 110181；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到很大发展，基于控制架构的分析属于集中式控制系统。随着技术不断革新，计算机网络技术、自动化仪表技术、过程控制技术，都已得到较大发展，并推动控制领域又发生了一次新的技术变革。这次变革主要是产生了现场总线技术，使传统控制系统的性能与结构有了巨大飞跃。

现场总线是通过双向串行、多节点、数字式通信网络对自动化控制设备和现场设备进行连接的一项技术，也被称为现场底层设备控制网络[1]。由于现场设备都运用了微处理器和数字化元件以实现内部操作，提高了设备的性价比，因此需要对这些设备进行数字通信。现场总线技术成为目前热点技术之一，在自动化领域也被称为计算机局域网[2]，现场总线技术可以对智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备进行数字通信，还可以在现场设备与高级控制系统之间进行信息文件传递。

现场总线突破了传统“点对点”式模拟信号、数字-模拟信号控制的限制，集自动控制技术、智能仪表、网络技术和计算机控制技术等于一体，是一种用于自动化系统与现场设备连接的多分支、双向、数字式、互联、全分散的通信网络，其以智能仪表作为基础，将分散的现场设备连为一体，并结合控制器与监视器构成现场总线控制系统[3]。

不同厂商的现场总线产品，可以通过统一的国际标准集中在同一套现场总线控制系统FCS中，使其具有互操作性与互换性[4]。相比于传统的DCS，FCS将控制功能进行下放，将控制计算、数据采集、数据处理和数据输出等控制功能附于现场智能仪表之上，然后通过现场总线将现场仪表采集的数据和诊断数据上传到控制室的控制设备中，并由控制设备对仪表运行状态进行监视和上传数据保存，同时部分现场仪表无法完成的高级功能也可由现场设备实现[5]。

本文研究将PROFIBUS现场总线与DCS无缝融合共同应用于火电机组化学水车间的现场控制。

1 PROFIBUS控制特点

a.开放性。遵循统一的公开化通信协议标准，让不同厂商的设备通过FCS进行信息互换，使用户可以将来自不同厂商的设备集成最合适的控制系统[6]。

b.互操作性。互操作性指不同厂商的控制设备可以在性能相同的情况下进行互换，不仅可以互相通信，还能实现统一的控制策略，组成统一组态。

c.灵活网络拓扑结构。面临不同的现场情况，FCS可以根据现场的复杂性，构成最适宜的网络拓扑结构，如星型、树型、层次化网络结构、总线型等[7]。

d.系统结构的高度分散性。现场设备改变了传统DCS分散与集中相结合的体系结构，借助其智能化特点进行自动化控制，构成一种控制功能分散、结构简化、可靠性较高的分布式控制系统，即使上层网络被断开或无法正常运作，底层设备仍正常使用，具有较高的智能性。

e.现场设备的高度智能化。传统DCS的控制站较为集中，由输入、输出、CPU等单元组成，负荷较重。FCS将控制功能分散于各个现场设备之中，现场设备可以执行数据的采集处理、设备校验诊断、PID运算控制等自动控制的部分功能；此外，系统操作员还可进行远程操作，对现场设备的运行状态进行监控，并远程对其进行故障诊断和参数调整。

f.对环境的高度适应性。现场总线可以使用光缆、无线、同轴电缆和双绞线等方式进行数据通信，具有很强的抗干扰能力。双绞线是较为廉价的数据通信线，可以使用现场设备进行电量供应，较为安全。

2 化学水车间PROFIBUS应用设计方案

某电厂2×350 MW机组建设工程DCS系统采用北京国电智深技术有限公司(以下简称为国电智深)的EDPF-NT+系统，该系统控制单元DPU控制柜包括所有的I/O控制模块，其中EDPF-PB模块为PROFIBUS总线I/O采集模块，PROFIBUS所有高级运算功能均在DPU中实现，并与其他非总线控制设备同步计算，实现了现场总线与非总线混合控制的无缝结合。

2.1 PROFIBUS软件构成

PROFIBUS现场总线包括PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA 3种通信协议。

a.FMS(field message specification)用于车间级通信，其主要是可编程控制器之间的通信。作为第1个PROFIBUS通信协议，FMS可以看作为PROFIBUS DP的先驱，在现在的标准中已不再使用。

b.DP(decentralized peripherals)用于总线主站与其所属从站设备之间进行简单、快速、循环和时间确定性的过程数据交换。其特点是即插即用、高效廉洁，目前主要应用PROFIBUS-DP网络。

c.PA(process automation)以符合国际标准的PROFIBUS-DP为基础，增加PA总线的应用行规以及相应的通信技术。

2.2 设备类型

PA协议是从DP上发展来的，所以二者的基本网络架构一样。下面以DP系统为例简单介绍总线网络的设备类型，每个DP系统由不同类型的设备组成，这些设备分为3类。

a.DP-1类主站设备是主从式系统中的中央控制器，其和从站进行数据交换，信息交换在报文周期内循环，如DCS及PLC等都是典型的DPM1设备。这类设备对于总线访问具有主动权，可以对现场设备的测量数据及执行机构的设定值在固定时间进行读取。

b.DP-2类主站设备是工程设计、组态或操作设备，主要对组态系统中的连接设备、请求设备状况、评估测量值和参数等进行维护和诊断。DPM2有主动的总线访问权，而且不必固定地连接在总线系统中，典型设备如诊断工具ProfiTrace2等。

c.DP从站设备是I/O 设备、驱动器、HMI、阀门、变送器等外围设备。从站没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向其发送信息。

参数化、组态、数据传输是DP主站与所属从站进行数据通信的3个阶段，在参数化、组态阶段，即进行实际数据传输之前，会进行组态设备与实际设备的匹配。在此过程之中，会对设备类型、数据长度与格式、I/O数量进行检验，从而保证参数化正常，增强其可靠性。

在总线网络中，所有设备都被连接在一个总线结构里，一个总线网段内最多可以连接32个主站或从站。如果需要配置大于32个站或需要扩大网络区域，则必须使用中继器(Repeater)来连接各个总线网段。根据PROFIBUS标准，任意2个站之间最多允许连接4个中继器，而且每个总线网络最多允许126个主站或从站。

2.3 PB模件配置方案

国电智深的PB卡在DCS系统中主要将PROFIBUS协议数据和UDP 协议数据相互转发。在工程应用中参考配置步骤如下。

a.确定系统结构方案。

b.配置控制器的IP地址。

c.安装PB卡DTM，使用软件fdtCONTAINER.exe配置PB卡的IP地址。

d.配置控制器的eio文件，建立控制器与PB卡的通信。

e.使用软件fdtCONTAINER.exe，通过PB卡DTM为PB卡配置从站信息和端口信息，建立PB卡与从站设备的通信。

f.组态PB卡和从站设备，建立设备与算法模块的对应关系。

g.根据实际需求建点、做监控画面。

PB卡管理软件“fdtCONTAINER.exe”用于对PB卡进行配置和管理，在组态过程中需要频繁使用该软件修改PB卡配置，使其符合现场总线的通信要求。

2.4 化学水车间DP/PA总线设计方案

化学水车间的锅炉补给水、原水再生、工业废水及多水合一等4个系统采用PROFIBUS控制方式，所有控制单元均采用冗余PB卡及冗余总线方式设计，保证当就地传输设备或控制设备出现故障时，不会造成就地被控对象失控。

根据现场智能设备配置情况，PROFIBUS-DP采用冗余DP总线配置方案，即冗余的PB卡和DP，其中所有电动机保护设备均采用双路DP总线配置，保证所有电动机控制安全可靠。

对于现场智能仪表等设备，PROFIBUS-PA采用DP/PA耦合器+PA分支器的方式接入PROFIBUS总线。DP/PA耦合器是1台多功能的集成化设备，实现PROFIBUS-DP到PROFIBUS-PA的双向转换，通过硬件拨码实现不同速率转换，支持自动识别速率。PA分支器可以将现场总线设备，如现场测量仪表、传感器、执行器等通过分支电缆连接到现场总线的主干线上。

3 总线敷设原则

a.动力电缆与总线电缆分线槽布线，如无法分线槽布线需要将2类电缆尽量远离，中间增加隔板密封，最好加盖板封闭；平行敷设间距不应小于20 cm，交叉时需要直角交叉，防止空间电容耦合干扰。

b.当总线电缆穿过复杂电磁环境时，使用金属套管进行保护。

c.总线电缆与动力电缆在进入机柜后要避免长距离平行布线，否则应采取保护措施。

d.总线电缆必须完整，不应出现断点，如果总线电缆长度不够，则应重新敷设；电缆敷设不要太紧，否则会引起应力。

e.DP电缆敷设遵循最短路径敷设原则。

f.PA电缆采用单点接地，不在就地仪表处接地，就地仪表的屏蔽线剪掉包好。

g.建议每2个站之间的长度不要小于1 m，因为距离太近会引起信号反射。

h.通信电缆过长时不要形成环状，容易产生干扰。

i.总线电缆外屏蔽层较薄，敷设时要保护，避免接触桥架锋利边缘。牵引PROFIBUS电缆要以适宜的拉力和弯曲半径经过有夹角的桥架，以避免对电缆造成损失。

j.DP电缆在插头内接线时，需将屏蔽层剥开，将屏蔽层压在插头的金属部分外。为了避免屏蔽层剥开后引起干扰，剥开部分不要太长，使其暴露在空间的部分较少。

k.一般使用接入等电势连接系统的方法，当PROFIBUS站直接接入PROFIBUS电缆时，连接DP电缆屏蔽层与设备屏蔽端子或屏蔽电缆卡的方法较为可靠。

l.布线时通信电缆应当离干扰源较远，在机柜内尽量与高电压、大电流的电缆在不同的线槽走线。同时避免在机柜内成环，特别是将变频器等干扰源环绕其中。

4 存在问题分析

4.1 主站无法与设备建立正常的通信连接

a.物理层连接有误,主要原因为电缆或光缆断路、光缆连接错误(将光纤收发器的T端接到PB卡的R端，将光纤收发器的R端接到PB卡的T端)、电缆的A/B线短路或接反、通信距离超过允许范围。

b.设备通信地址设置错误，将网段中间的设备设置成终端，导致后续设备断路。

4.2 设备与主站通信正常但无法远控

检查就地设备通信参数未正确设置，很多执行机构需要设置成总线型才可操作；确保DCS组态正确。

4.3 设备通信不稳定

a.通信电缆和动力电缆的距离过近。解决方法：将通信电缆和动力电缆之间的距离扩大到20 cm以上，最好可以分线槽敷设。

b.总线网段终端未安装终端电阻或终端电阻未上电。解决方法：检查终端电阻是否安装，是否与网段设备接通，供电是否正常。

c．设备未接地或总线电缆的屏蔽层未正常接入设备。解决方法：检查设备接地和电缆屏蔽是否正常接入。

5 结语

国电智深的现场总线在化学水车间控制的成功应用表明了PROFIBUS在火电机组控制完全可行，在方案实施过程中发现，现场智能设备与DPU的通信是调试的基础和重点，智能仪表的配置及可靠性设计是影响现场总线成败的关键。与传统DCS控制相比，调试工作量更大，DPU配置数量、电缆用量及机柜数量均大幅降低，在保证控制可靠性的前提下，显著减少了资金成本和设备维护的工作量。