PROFIBUS现场总线在宁海电厂中应用

发表时间:2005-7-12
一、引言
进入二十世纪九十年代以后，现场总线控制系统(FCS—Fieldbus Control System)走向实用化，目前已成为自动化技术中的一个热点。随着电力建设的迅速开展，以及现场总线技术和产品的成熟，在新建和改造电站工程中引入现场总线技术和相关产品的呼声越来越高。经过数年的争论和实践，当初“DCS必然被现场总线控制系统完全代替而消亡”的断论，逐渐被一种更理性和宽容的观点所补正，现在一般认为：现场总线控制系统并不能在所有的地方都能发挥它的优势，尤其是在发电厂这样一些测点和现场装置密集、控制逻辑复杂的领域，一段时间内将存在着传统DCS、数字网络通讯技术和现场总线等多种技术的复合应用局面。但是，推广应用现场总线系统，实现现场设备级的数字化是实现火电厂全面数字化的关键一步，国内外已有一些电厂进行了应用。本文以浙江国华宁海电厂一期工程为例，介绍现场总线技术在国产600MW机组上的应用尝试。
二、PROFIBUS及在电厂的应用
2.1 PROFIBUS总线技术
PROFIBUS是德国于90年代初制订的国家工业现场总线协议标准，代号DTN19245，目前是IEC 61158国际标准中的Type3部分。PROFIBUS网络协议以ISO的OSI七层参考模型为基础，对第三层到第六层进行了简化。在TEC61158中Type3的第一部分定义了PROFIBUS的物量层和链路层协议，物理接口采用EIA RS-485标准，网络拓扑为线性总线两端加终端电阻，采用sub-D9 芯网络接口插头。在链路层采用混合介质存取方式，主站间按令牌环方式，主站和从站间按主从方式工作。主从站最多127个，每段最多32站，段间采用中继器连接，最大传输距离1200m。
根据总线结构与实现任务的不同，PROFIBUS系列分为PROFIBUSDP、PROFIBUSPA 、PROFIBUSFMS三个兼容部分。分别在IEC61158中Type3的第二、第三、第四部分进行定义。其中第二部分定义了应用层协义，称为PROFIBUS-FMS，它提供强有力的通信功能。第三部分定义了DP协议，用于分散外设间的高速数据传输，是一种经过优化的高速通信连接，专为自动控制系统与设备级分散I/O之间通信设计的，其传输速率可达12Mbit/s。第四部分为PA协议，用于安全性较高的场合。
PROFIBUS上连接着的每一总线设备在用户接口中存在着GSD(设备性能描述文件)，用于描述设备所具有的不同性能特征，包括如I/O数量、诊断信息以及总线参数等，以达到即插即用。
与其它现场总线系统相比，PROFIBUS经实际应用验证具有普遍性。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场份额超过40%。不久前PROFIBUS国际组织宣布，截止2003年底，工厂和过程自动化应用系统所安装的PROFIBUS设备已经历史性地突破了一千万套，比其它任何现场总线解决方案都高出许多。
2.2 PROFIBUS在电厂的应用
早在九十年代末，就有报道现场总线控制系统就已经在美国、墨西哥、巴西等国家的电厂中得到应用。西门子作为全球工业自动化领域的供货商，在电站自动化设备方面一直致力于支持ROFIBUS现场总线协议的技术和设备的开发，其产品和解决方案几乎应用于所有工业行业当作。其它众多电力设备厂商也提供了对PROFIBUS的支持。在国内，PROFIBUS技术从2000年开始已成功应用于电站的辅机程控中，例如在四川厂安电厂辅机控制系统中，现场设备的控制全部采用了PROFIBUS技术，得到了用户的高度评价[1]。在连云港新海发电厂在200 MW 12号机组的DCS改造工程中，采用了南京西门子公司的DCS，增加 PROFIBUS-DP接口，直接控制现场设备，也并取得成功[2]。
三、宁电工程分散控制系统
3.1 系统概貌
浙江国华宁海发电厂一期工程建设四台亚临界600MW燃煤发电机组，三大主机由上海电气集团提供。采用四机一控的集控方案，DCS采用南京西门子电站自动化有限公司的Teleperm-XP系统，该系统在国内已有多套投入运行。如图1所示，系统采用电厂总线、终端总线两级总线结构，通信介质为光纤。分为3个信息级：(1) 自动控制级，自动控制单元AS620挂于电厂总线工业以太网上，用以实现过程任务的控制；(2) 过程级，包括组控制和单独控制,信息处理单元(PU)和信息服务单元（SU）位于电厂总线与终端总线之间，用以处理、协调和储存来自底层的自动控制级及上层操作员级的信息；(3) 操作监视级：操作员终端(OT)以及厂级信息系统接    口与终端总线相连。两级总线网通过星型耦合器监视模件中的开断点，实现环形结构。

AS620自动控制单元是T-XP与过程的界面。它被用来采集从现场仪表送出的模拟量及开关量过程信息。AS620根据这些信息做相应的开闭环控制算法处理，再输出操作指令到执行机构（电动机、阀门等）。它的核心是自动处理器AP。AP硬件的基础在于强有力的SIMATIC中央处理单元。
3.2 总线通讯以及系统互连技术
总线系统分为各自冗余的SINEC HI FO工厂总线和终端总线，采用星形耦合器通过光纤电缆连接构成虚拟环型结构，其通讯速度为100Mbps。最大为1024个子站，单环光缆总长最大为4.3Km，可用率高、通讯速度快、容错性好。
所有互连的T-XP组件使用统一的通讯机理和数据结构，并采用统一的时钟，以保持同步。SIMATIC NET总线由电厂总线和终端总线组成，电厂总线用于AS620、OM650、ES680之间的通讯；终端总线用于PU/SU和OT之间的通讯。
T-XP有多种接口模块用于内部系统之间以及和外部系统的互连，其中，IM308-B/C接口模件用于分布式I/O站ET200与AP之间相连。采用基于PROFIBUS-DP的SINEC L2 DP总线系统，一个PROFIBUS-DP总线链可以链接多达8个IM318-B/C 模块。ET200站通过接口模件IM153/ IM318成为PROFIBUS总线系统的DP从站，多个接口模件可构成冗余配置，形成与DCS的无缝链接。PROFIBUS总线可以是双芯电缆或光纤。
四、PROFIBUS-DP在宁海电厂的应用
PROFIBUS总线技术在宁海电厂的应用分为2种情况，一种是简单地采用PROFIBUS总线通讯，通过T-XP系统的PROFIBUS接口模件，将远程I/O站或者其它系统无缝纳入DCS；由于就地设备未能完全实现数字化，这样的系统只能称为数字化DCS的一种形式。另外一种方式是在外围或者相对独立的系统中实现到设备级的现场总线控制。下面分别以DEH和闭式循环水系统为例进行分析。
4.1 采用PROFIBUS-DP总线的系统互连
本工程汽轮机组采用了由西门子公司提供的纯电调和高压抗燃油液压伺服系统组成的数字式电液控制系统，主机型号为AS417H。由于汽轮机控制的快速性，DEH需要10ms左右的控制周期，而PROFIBUS-DP适合于分散外设间的高速数据传输，是一种经过优化的高速通信连接，能满足快速控制的需要。DEH与DCS的连接如图2所示。
DEH控制系统I/O接口是AddFEM模块，其它信号采集采用其它远程I/O站挂在PROFIBUS总线上。AddFEM模块是专用于汽轮机控制的数据采集处理模块，属于西门子Add7系列，采用专门设计，信号采集周期快达1ms，以适应汽轮机控制中对各种信号的快速采集与处理，其总线地址通过面板上的发光二极管设置。整个汽机控制回路周期为6ms。

为了提高可靠性，主机AS417的CPU、PROFIBUS总线和AddFEM模块都采用双冗余，2个AP通过机柜总线通讯。所有进入控制和保护系统的重要模拟量(转速、功率、压力等)三重冗余，重要开关量三重或双重冗余。冗余信号分别进入不同的AddFEM模块，2个AP并行地进行处理，但是只有主AP输出控制信号。
4.2 闭式循环水的现场总线控制系统
4.2.1 系统结构
闭式水系统就地设备分布广，就地的控制相对又简单，适于发挥现场总线系统的优点，为此我们在闭式水系统控制中采用了现场总线方案，如图3所示。单元机组开闭式水系统约有34个现场总线设备（智能电动执行机构），分成两个不同区域。
为了提高安全性可靠性，总线光纤、作为总线上的第一类DP主站的AP和相应的光电转换装置也都采用了冗余结构。AP以及其接口模块IM308C和2台光电转换装置置于电子室DCS的机柜中，就地另外有总线I/O柜，内含2台光电转换装置，置于汽机房零米层。
4.2.2 执行机构
电动执行机构采用原装进口德国欧玛公司的产品一体化智能型产品AUMA MATIC，带有双通道PROFIBUS-DP冗余总线接口，作为DP从站挂在总线上。开关型电动执行机构可以接受开、关、停数字量控制信号。本体配置手轮和手／自动切换机构以及开、关按钮，并有相应的位置指示灯，以实现就地操作。

4.2.3 系统组态与运行
DP主站的AP中的IM308C模件具有用于通信的CPU和存储单元FLASHROM（快速可擦写可编程只读存储器），PROFIBUS-DP网络结构图及相应的用户通信程序可灌入该模件的FLASHROM中。当IM308C启动时，将运行于FLASHROM中的用户程序建立网络结构，通过对AUMA电动门芯片上地址（设备编号）的辨认建立网络连接，而后根据电动门厂家提供的GSD(设备性能描述文件)中读    取的参数，最终识别出该设备，从而读取来自执行机构的信息，并发送命令至该设备。
每台AUMA作为总线上的单独从站，其总线地址通过设备上的LED(发光二极管)分别输入。在就地AUMA的面板上，可以设置与阀门有关的参数。一部分与控制相关的参数存储在AP中，并可以通过工程师站修改，即直接通过现场总线修改阀门参数。
通过现场总线与DCS的通信，执行机构的开/关反馈、设备故障等一些情况就可得以基本反应，操作员在集控室中，远方对执行机构进行手动控制。执行机构的闭环运算功能以及与其它设备间连锁等开环运算功能，在主站AP中以10（？）ms为周期进行运算，运算结果作为数字量直接传至AUMA中的PROFIBUS-DP接口，对电动执行机构进行控制。
五、应用体会
现场总线技术已经在新建和改造电厂中的得到大量应用，但是在新建国产600MW大型电站工程中的一定规模的运用还未见报道，宁电工程在这方面迈出创新的一步。通过工程实施，我们有如下体会供借鉴：
(1) 现场总线的安全性问题一直受到关注。采用现场总线后，取消了大量的控制电缆，现场总线的保护措施可以提高，降低了故障率，所以现场总线网络不采用冗余方式是可以接受的。但是，总线上的某个节点机故障而封锁总线时，将影响总线大部分设备的工作。由于对可靠性和安全性的要求，我们采用了AP和双总线的冗余配置，这在一定程度上抵消了现场总线节省布线的优点，增加了工程造价。今后结合电厂的实际情况，采取什么样的冗余方案，值得探讨。
(2) 由于原DCS冗余控制器的所有功能都分散到各个现场智能仪表中，危险已经完全分散，一个现场智能仪表的故障只影响到本身或相关的少量智能设备，其影响范围远低于DCS冗余控制器故障的波及面，就地智能仪表的功能块设计可保证故障时相关智能设备置于安全位，因此每个现场智能仪表CPU不冗余是完全可行的。
(3) 现场总线系统有一个重要特征，就是信息处理现场化。主要含意就是在智能现场装置中植入控制模块，使其具备控制器功能。但是目前用于电站的具有这样功能的智能执行机构的可选品种很少，限制了现场总线系统在电站工程中进一步的应用。进一步地，如何用智能现场装置来实现复杂的功能组级及协调级控制，还需要研究和实践的探讨。
(4) 以智能化现场仪表为基础的现场总线系统，若能把管理自动化和远程诊断功能纳入系统，更能发挥现场总线系统降低运行维护费用的优势。但是，出于尽快安全顺利投产等各方面原因，我们应用的系统和范围是有限的，现场总线系统的总体优势一时不能体现，相关的二次系统的开发更是有待时日。
六、结语
现场总线控制系统已经成为一种成熟的控制系统，在电厂中应用现场总线控制系统的条件已经成熟，也是企业信息集成化的需要，但也需要在电站工程实践中不断扩大应用范围和进行试点等努力。国华宁电工程在国产600MW机组控制系统中进行了应用现场总线技术的积极尝试，积累了设计和工程经验。根据应用经验和实际效果，将在后续工程中作适当推广，从而为实现宁海电厂的全面数字化生产和管理奠定基础。