PROFIBUS現場總線在超臨界機組上的應用

蓋玉利

（國網能源寧夏鴛鴦湖電廠，寧夏 寧東 750410）

0 引言

現場總線在工業領域的應用已經有十多年的歷史，但在火電廠主機控制應用不多，目前還處起步階段［1］。PROFIBUS為制造領域獨立的總線標準，廣泛應用與制造工業、過程自動化和建筑自動化領域，為國際標準的現場總線。國網能源寧夏鴛鴦湖電廠一期工程建設規模為2臺660 MW超臨界、直接空冷凝汽式汽輪發電機組。DCS系統采用ABB公司最新推出的、基于現場總線技術、具有強大的過程控制功能的Industrial IT System 800xA系統。項目采用了現場總線控制方案，PROFIBUS現場總線控制范圍覆蓋鍋爐、汽機、煙氣脫硫及電氣馬達控制（MCC）等領域。

1 PROFIBUS現場總線控制范圍

火電機組主機采用現場總線控制目前還處在試點、探索階段，擔心當總線故障時將會給機組安全運行帶來影響。因此，目前很多項目對現場總線的應用范圍還是考慮在輔助系統、非主要設備上進行應用。控制功能方面，主要考慮非主要、單操的設備或輔助系統的設備啟、停或開、關操作控制。鴛鴦湖項目在這些方面進行一些突破性應用設計，納入現場總線控制的設備、工藝系統不僅局限于輔助系統或次要的單操設備。一些帶保護、聯鎖控制的設備也采用了現場總線設備進行控制，最終納入現場總線控制的系統有：鍋爐疏水放氣系統；鍋爐風煙系統；鍋爐制粉系統；汽機抽汽系統；汽機輔汽、軸封系統；汽機凝結水系統；脫硫系統。

控制功能有單操設備，也有涉及保護聯鎖的設備，如抽汽電動門、軸封供汽門等均涉及保護聯鎖。除了熱控方面的設備外，對電氣MCC控制的強電設備，也把一些相應的設備采用現場總線進行控制，如鍋爐疏水泵、凝結水輸送泵等，現場總線直接接入電氣的MCC進行控制。

2 800xA的PROFIBUS現場總線網絡結構

ABB的800xA系統支持多種現場總線網絡拓撲結構：總線型、帶分支的總線型、樹型、星型、環形等。同時支持光纖連接，采用光纖的網絡拓撲結構有總線型、樹型、星型、環形等。另外，還支持光纖、與雙絞線組合的混合連接。圖1為鴛鴦湖項目中使用的一種典型網絡拓撲結構。

圖1 800xA典型PROFIBUS現場總線網絡結構

在鴛鴦湖項目中，根據工藝系統及現場設備分布情況及控制特點，設計了多種網絡拓撲結構，總線型、星型和環形均有。為防止干擾，延伸總線傳輸距離，現場總線設備均按工藝系統結合控制功能原則接入現場總線就地柜，然后就地控制柜采用冗余光纜接到電子間到的PROFIBUS-DP主站。總線型和星型用的最多，如抽汽電動門控制、軸封控制、脫硫、鍋爐疏水泵控制等。在公用系統中，采用環形光纜網絡結構。

3 系統配置

3.1 硬件配置

800xA系統現場總線設計是全方位、完全冗余的，從控制使用的控制器、通信處理模件、傳輸線路，均是冗余的。對現場不具備冗余的設備，如閥門、泵等，800xA系統提供冗余與非冗余的轉換模件，系統的這個設計特點為現場設備提供了最大冗余接入條件。PROFIBUS現場總線使用的通信速率在大于500 kb/s時，傳輸距離協議要求最好不超過300 m。在應用中為提高傳輸距離，最大程度的降低干擾，提高通信可靠性，對這些距離遠的設備采用現場就地控制柜方案。把一些距離比較遠、數量相對集中的設備，在現場設置就地控制柜，就地控制柜和電子間控制器之間采用了光纜連接，把這些設備接入系統。800xA系統提供各種方案的光纜接入方案，冗余、非冗余、線性、星型、環形網絡結構均支持。800xA系統全方位的現場總線設計策略大大提高系統的可靠性，為現場總線的應用創造了良好條件。根據冗余設計原則，鴛鴦湖項目的PROFIBUS現場總線硬件配置如下：

PROFIBUS-DP通信處理模件：CI854（冗余）

電子間←→就地柜：冗余光纜連接

光電轉換裝置：赫斯曼的OZD G11或G12（冗余），OZD G11用于樹型連接，OZD G12用于環形光纜連接。

對非冗余現場DP設備，在就地柜安裝RLM01轉換裝置。

DP接頭：使用Profitech公司的金屬、快速連接頭，接頭帶通信診斷功能。

網段終端采用有源終端電阻，安裝在現場就地柜。

網段終端電阻采用有源終端電阻，安裝在現場就地控制柜，這樣在現場某些節點故障時，不致因為設備的更換造成網絡中斷，大大方便了系統檢查及維護。

3.2 現場設備

現場設備主要指現場使用的儀表及控制設備，如測量的各種儀表、變送器，控制設備主要指閥門、馬達、泵、風機、電氣開關等。鴛鴦湖項目現場設備沒有PA協議的測量儀表，都是控制設備，均為PROFIBUS-DP協議的設備。

德國EMG的閥門主要用在抽汽系統上，功能比較強大和完善，支持子站冗余和線路冗余功能。ABB的馬達保護器為M102-P，主要用于400 V馬達泵的控制，就地柜安裝在400 V馬達控制中心（MCC）。國產的電動門主要用在汽機輔汽、軸封及脫硫等系統上，恒春的閥門支持線路冗余功能，應用效果比蘭閥的電動門方便、可靠。蘭閥的電動門實際上用的是MODBUS協議，供貨商提供了一個MODBUS轉換為PROFIBUS-DP協議的模塊。盡管這個項目設備比較復雜，廠商比較多，但這些設備都成功的接入800xA系統。

4 系統組態

800xA系統提供一體化的現場總線組態軟件。在應用時，PROFIBUS現場總線組態非常方便，現場設備的組態簡單到類似一個普通I/O模塊，用戶只需把PROFIBUS現場總線設備（如閥門或泵等）看作一個包含輸入、輸出信號的常規I/O模件即可，其它的與常規硬接線I/O信號組態沒任何區別。組態分硬件組態和軟件組態，在組態之前，需把檢查系統是否有將使用的現場總線設備的設備庫。若沒有，則需要到ABB的Solution Bank網站去下載，然后導入800xA系統即可。

4.1 硬件組態

硬件組態的內容主要包括添加主站、添加子站和參數設置。添加PROFIBUS-DP主站，確認主站是否冗余，設置主站地址，冗余方式，通信速率等。通信速率一般采用500 kb/s，其它參數可以采用缺省設置（圖2），系統會根據接入設備數量自動相關通信時間參數。

添加子站，子站不需要設置通信速率等參數，這些由主站確定。設置子站地址，子站地址要求與實際設備設置的地址一致。設備及廠商不同，其子站地址設置方法也往往不同。有使用硬件撥碼設置地址（如EMG的電動門），也有使用供貨商提供的設置工具或軟件設置地址 （軟地址），如ABB的M102-P馬達控制器，隨機配有相應的軟件、數據線。可在現場采用便攜式筆記本電腦進行設置。恒春的閥門則使用其提供的遙控器進行設置。子站的其它參數設置根據廠商提供的說明書進行設置，如閥門可以設置為調節門，也可以設置為開關門。子站地址需注意其數值進制，有些廠商的為十六進制地址，而800xA系統上設置的均為十進制地址，需注意匹配。

添加子站的數據表，該表定義了各子地址對應的信號及信號類型。

圖2 PROFIBUS-DP主站參數設置

4.2 軟件組態

PROFIBUS現場總線的軟件組態與常規硬接線信號組態一樣，選擇與硬件組態中信號表對應的I/O類型，輸入信號名稱（一般采用KKS碼）及描述，然后把該信號分配到硬件組態中相應的PROFIBUS子站設備即可。在做軟件組態時，有不少設備的信號不能直接引用，需進行解碼（輸入）或編碼（輸出）。如恒春和蘭閥的閥門，其設備狀態和輸出指令是一個狀態字和控制字，閥門的開關狀態需根據該狀態字的值進行判斷（即解碼），而不是可以直接引用的布爾量。表1為恒春閥門狀態字的格式及意義。

表1 恒春閥門狀態字的格式及意義

5 在線調試與診斷

在線調試與診斷功能對通信的調試、故障診斷、通信判斷、問題處理及運行維護非常重要，800xA提供功能強大的在線調試和診斷功能，在工程師站可以對PROFIBUS的通信狀態進行診斷和監視，然后根據診斷信息可以快速處理通信問題。

在組態下裝后，在線方式下可以對PROFIBUSDP主站、從站及通信狀態進行診斷和監視，故障以文字、信息、符號及顏色等多種方式進行顯示。如節點找不到，將顯示“Slave doesn’t exist”，同時該子站前顯示紅色三角框。

800xA還提供網頁 （Web）方式的診斷功能，CI854/CI854A的PROFIBUS接口提供Web接口功能，主要用于調試、通信檢查、故障診斷等。Web接口可以使用標準的Web瀏覽器如微軟的Internet Explorer打開，在地址欄輸入CI854所在控制器的IP地址就可以啟動Web接口。如果一切正確，系統將彈出登錄窗口，輸入用戶名和密碼，即可進入Web接口。Web接口窗口分2部分，左邊為菜單，顯示可以使用的各種功能，右邊為內容，即每個功能對應的系統信息。一些功能只是一些簡單的、可察看的信息。一些功能需要額外的輸入才能操作，這些特定的輸入信息在窗口右半部的頂部輸入，窗口底部還可以設置讀數據、數據更新的時間。800xA系統PROFIBUS現場總線Web接口提供的功能主要有：設定地址、節點接入列表、循環時間察看、一般狀態察看、主站參數設置、從站診斷、從站組態、從站I/O、固件信息、硬件信息、讀取切換、內存故障、調試、服務文件、修改密碼等。

6 結語

鴛鴦湖項目是ABB公司800xA系統在國內大型火電機組上首次應用，也是PROFIBUS現場總線在大型火電機組的應用。項目選用了4個廠商的PROFIBUS-DP現場總線設備，這些設備都成功的接入了DCS系統，取得了很好的應用效果。現場總線控制在火力發電廠主機系統的應用還處在探索階段，目前對涉及保護、聯鎖的及電氣馬達控制 （MCC）等設備采用現場總線仍比較謹慎。而這些在本項目中都進行了應用，取得良好效果。800xA系統現場總線的全方位冗余設計功能，先進的設計理念為現場總線在電廠中的應用提供了可靠保障。系統從2010年12月30日1號機完成168 h運行，到目前一直運行穩定，為現場總線在電廠DCS中的應用提供了寶貴經驗。