現場總線在2×1000MW發電機組輔機程控系統中的研究與應用

盧定興，吳曉欣，鄭松

(1.福建中海創集團研究院，福建 福州 350008;2.福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108)

1 引言

現場總線(Fieldbus)技術是在80年代后期發展起來的一種先進的現場工業控制技術［1］，用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。由于現場總線簡單、可靠、經濟實用等一系列突出的優點，因而受到了許多標準團體和計算機廠商的高度重視，近年來現場總線技術得到飛速發展，支持現場總線的設備廠家和控制系統廠家也越來越多，為現場總線的廣泛應用奠定了基礎。

2 現場總線在電廠輔機程控中的應用概況

在國內，早期現場總線主要應用于石化行業，在電力行業一直以來都未有全廠使用現場總線的案例。現場總線技術應用在國內電廠試點已進行了十多年，控制范圍從最初的輔助車間部分系統到全部系統，目前已逐步擴展到機組主控系統。經過多年的摸索，現場總線在火力發電廠主輔機中的應用已越來越成熟，也成為國內數字電廠的一個標志。本文以福建石獅鴻山2*1000MW發電機組為例，介紹現場總線在百萬機組輔機程控中的應用情況。

福建石獅鴻山1000MW發電機組采用了全廠輔控一體化的設計，范圍涵蓋了輸煤、化水、暖通、除灰、空壓機、制冷等系統，形成了除主控DCS外的一個大范圍DCS控制系統。根據輔機程控工藝流程的特點，該廠主要在凝結水精處理、鍋爐補給水系統中采用了大量的現場總線技術，涉及智能馬達、閥島、智能變送器、智能儀表以及電動執行機構等。

3 現場總線類型及技術特點分析

目前主流的幾種總線主要有:①基金會現場總線(FoundationFieldbus簡稱 FF);②CAN(ControllerAreaNetwork控制器局域網);③Lonworks;④DeviceNet;⑤PROFIBUS;⑥HART;⑦CC－Link;⑧WorldFIP;⑨INTERBUS。

每種總線都有其應用的領域，比如 FF、PROFIBUS－PA適用于石油、化工、醫藥、冶金、電力等行業的過程控制領域，而這些劃分也不是絕對的，每種現場總線都力圖將其應用領域擴大，彼此滲透。當前國內外，在電力行業以基金會現場總線和Profibus應用較為廣泛。

基金會現場總線(Foundation Fieldbus簡稱FF)這是以美國Fisher－Rousemount公司為首的聯合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司制定的ISP協議和以Honeywell公司為首的聯合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協議于1994年9月合并的。該總線在過程自動化領域得到了廣泛的應用，具有良好的發展前景。FF分低速H1和高速H2兩種通信速率，前者傳輸速率為31.25Kbit/s，通信距離可達1900m，可支持總線供電和本質安全防爆環境。后者傳輸速率為1Mbit/s和2.5Mbit/s，通信距離為750m和500m，支持雙絞線、光纜和無線發射，協議符號IEC1158－2標準［2］。

PROFIBUS是德國標準(DIN19245)和歐洲標準(EN50170)的現場總線標準。由PROFIBUS——DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA系列組成。DP用于分散外設間高速數據傳輸，適用于加工自動化領域。PA用于過程自動化的總線類型，服從IEC1158－2標準。PROFIBUS支持主－從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6Kbit/s下為1200m，在12Mbit/s小為200m，可采用中繼器延長至10km，傳輸介質為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個站點。在福建石獅鴻山1000MW發電機組中，結合當前這兩大總線類型的技術特點以及現場設備廠家和控制系統廠家的支持情況，最終選擇以Profibus－DP為主的現場總線技術。

4 Profibus現場總線網絡結構

Profibus現場總線網絡結構主要分為四種:總線型、樹型、菊花鏈型和點到點型［3］。

總線型拓撲結構是由一條干線和連接在干線上不同點的若干支線所組成。干線的兩端設終端器，支線的長度可以根據需要從1～120m不等，結構如圖1所示。

圖1 總線型

圖2 樹型

樹型拓撲結構是由一條干線和連接在干線端點上的若干條支線所組成的。與總線型拓撲結構相同，在干線的兩端裝設終端器，其結構如圖2所示。

菊花鏈型拓撲結構是用電纜把一臺設備依次連接到下一臺設備，一直到最后一臺設備和終端器為止。這種拓撲結構也可認為是支線長度為零的總線型拓撲結構。菊花鏈上每臺設備上的進線和出線應連接在一起，以免脫落時造成鏈的中斷。RS－485一直推薦菊花鏈連接方式，因為T型頭會反射電氣信號。反射信號會妨礙真實信號的讀取——反射信號越大，讀取越困難。其結構如圖3所示。

圖3 菊花鏈型

當一條現場總線上只連接兩個設備時就形成了點到點型的拓撲結構。例如，一臺變送器和一臺執行器組成的就地控制，如果不連接其他設備時，就是這樣的情況。由于這種結構沒有發揮出現場總線的優點，因此在實際應用中極少采用這種結構。其結構如圖4所示。

在這四種總線網絡拓撲結構中，菊花鏈型以其靈活性和方便性，在實際現場得到大量的應用，福建石獅鴻山1000MW機組輔機中就大量采用了菊花鏈型的拓撲結構，取得了良好的應用效果，圖5顯示的是鴻山1000MW機組鍋爐補給水現場總線的一個網絡拓撲結構的實際鏈接。

圖4 點對點型

圖5 鍋爐補給水現場總線網絡結構

5 Profibus現場總線網段劃分原則

Profibus現場總線采用的RS485令牌環網技術，在實際應用中對網段劃分理論上來說只要滿足Profibus技術規范即可，但是通常根據目前積累的應用經驗，在行業已形成一套網段劃分的原則，供參考:

(1)一條Profibus DP網段宜不多于16個節點(設備);所有Profibus DP網段(segment)配置光電轉換器(OLM);且要求光電轉換器布置于就地(就地設備相對集中的合適位置)，以保證DP網段通訊速率不小于1MB;Profibus DP網段分支電纜長度應不大于3m。

(2)現場總線網段的配置以分布式配置為基本，每個控制站最多配置10個單DP網(5個冗余DP網)，每個網段最多帶15個設備，其中調節設備控制在5個以內。如果以整個發電機組DCS控制系統30個控制站為參考配置，這樣整個DCS的帶載能力為4500個總線設備(冗余為2250個設備);

(3)同一閉環控制回路的被控參數信號與被驅動智能設備應在同一總線分支接入;變速驅動設備應由兩個Profibus節點組成，即電動機保護與控制設備和變頻調速控制器。兩個節點應連接在同一個Profibus DP網段;每個網段上掛接的現場總線數量按不超過相應總線標準規定最大數量的40%～50%為宜。

(4)冗余設置的現場儀表應接入不同網段;工藝上并列運行或冗余配置的設備，其相關驅動裝置應連接在不同的網段上;控制閥門和其旁路閥門(如有)應連接到不同的現場總線網段;控制邏輯相關(同一控制回路中)的儀表和控制對象原則上掛接在同一總線網段上。

(5)根據工藝流程合理配置總線數量和掛接的現場設備，確保任何一條總線故障時，只產生工藝系統的局部故障，不會引起機組的危急狀態，造成整個工藝系統停運，并將這一影響限制到最小。

(6)FF現場總線網絡/網段拓樸結構的安裝推薦采用樹型、分支或組合現場拓樸結構。不宜采用菊花鏈拓樸結構。一條FF/PA網段宜不多于8個節點(設備)，根據設備在工藝系統的重要性可適當減少;FF/PA網段分支長度不宜大于30m;

在福建石獅鴻山1000MW發電機組輔機程控中，根據以上這些原則和現場的實際情況，對現場總線的網段進行了劃分。以凝結水精處理為例，凝結水精處理系統的現場總線設備數大約有190個，其中掛到DP網段上的設備有127個，主要是:用于非重要調節回路的電動機控制器、電磁閥閥島、變頻器和電動調節閥等。掛接到PA網段上的設備有63個，主要是:智能變送器、液位計和分析儀表。凝結水精處理系統共設計了12個Profibus－DP子網段、10個Profibus－PA子網段，其中Profibus－DP網段連接121個DP現場總線設備和23個閥島，Profibus－PA網段連接63個PA現場總線設備。具體設計如表1所示。

表1 凝結水精處理系統DP網段設計

6 現場總線設備程序控制實現

傳統的硬接線控制系統與采用現場總線的控制系統對于控制而言，本質上是沒有區別，只不過是信號的接入方式不同，具體體現在控制程序上就是IO的處理方式不同。

傳統的硬接線控制系統采用輸入輸出模塊的接入方式，每個輸入輸出模塊映射到控制系統中的一塊內存，這個內存包括了輸入輸出模塊每個通道的實時數據，以及輸入輸出模塊的設置參數。用戶只需要訪問這塊內存，就相當于訪問實際輸入輸出模塊，剩下的處理由系統通過自身總線完成，只不過是輸入輸出模塊反饋或控制的現場設備信號數量與其通道數成確定性關系，無法擴展增加。

采用現場總線的控制系統，沒有了傳統的硬件線以及輸入輸出模塊，取而代之的是現場總線通信模塊與現場同樣帶通信端口的設備進行連接，所有現場設備信息的傳遞采用標準的通信協議進行傳輸。同樣現場總線接入設備的控制信息也是映射到控制系統的一塊內存中，這個內存也包括了控制設備的實時狀態，控制信號和設置參數，用戶也同樣只需要訪問這塊內存就相當于訪問實際現場的控制設備，剩下的由總線模塊處理。不同的是，現場總線設備接入的信息是可定義的，具體由現場總線設備廠家提供的GSD文件決定，而且這個GSD文件是可升級擴展的，也就是說現場總線設備接入到控制系統的信息構成是可組態的，只要設備具有這個信息。與傳統硬接線控制系統最大不一樣的是，現場總線設備傳遞給控制系統的信息要大得的多，這也是現場總線技術的最大優勢之一，可以為控制系統的控制和維護，提供更多更實時的決策信息。

福建石獅鴻山1000MW發電機組輔機采用的IAP(工業自動化通用技術平臺)控制系統，該控制系統最大的一個特點是跨平臺控制，也就是控制系統的監控和程序組態軟件可以兼容不同廠家的硬件控制站，目前IAP可以支持硬件控制站有SIEMENS S7－300/400 PLC，RockWell 1756系列 PLC，OMRON CJ/CS系列PLC，Schneider Quantum 系列 PLC和 GE PAC3i/7i系列PLC等。

IAP控制系統在硬件支持跨平臺，同樣在傳統硬接線模塊和現場總線技術之間也很好地實現兼容控制，對于控制系統的邏輯組態界面和功能塊來說，并沒有差異，只通過輸入輸出功能塊的屬性參數就實現了兩者之間的融合，其工作原理如圖6所示。

在融合了硬接線設備和現場總線設備控制信息的接入處理后，對于控制策略來說就無差異了，圖7是現場總線設備的控制邏輯示例。

圖6 IAP硬接線輸入輸出和現場總線輸入輸出處理原理

圖7 現場總線設備控制邏輯示例

采用現場總線技術后的明顯優勢之一就是人機界面顯示的設備信息更多了，便于用戶實時了解設備的運轉狀態，提高對設備的維護效率。在設計上，考慮到與傳統DCS控制系統兼容，在設備操作窗上增加一個“FCS”按鈕，用于聯動調出現場總線設備的輔助信息。圖8是人機監控畫面——現場設備的操作窗和信息窗。

圖8 現場總線設備人機監控畫面示例

7 結束語

隨著自動化控制技術、現場總線技術和現場總線設備的完善和不斷發展，現場總線在火力發電廠的應用也越來越廣泛，并以其數字化和標準化的特點，將火電廠的自動化控制提高到一個新的水平，也促進了現代化數字電廠的建設。福建石獅鴻山2*1000MW火力發電機組凝結水精處理和鍋爐補給水系統現場總線技術的成功應用，提高了電廠的自動化管理水平，也有效地降低電廠的運行和維護成本。

［1］雷霖.現場總線控制網絡技術［M］.北京:電子工業出版社，2004:134－157.

［2］張興龍.基于現場總線技術的工業控制系統研究［J］.黑龍江造紙，2006(1):53－54.

［3］喻剛，舒志兵.基于CAN總線的ELMO伺服運動控制系統［J］.機床與液壓，2008，36(7):302－305