輸煤控制系統全分布式Profibus現場總線設計與應用

高 飛

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

Profibus現場總線是國際現場總線標準IEC61158的Type3部分，根據總線結構與實現任務的不同提供FMS、DP、PA三類行規：Profibus-FMS提供強有力的通信功能，最佳適用于車間級智能主站間通用的、面向對象的通信；Profibus-DP是專為自動控制系統與設備級分散I/O之間通信設計的，其傳輸速率可達12 Mbit/s；Profibus-PA主要用于連接現場智能儀表或執行機構，可使用在本質安全的EEx(電氣防爆)區域[1]。Profibus現場總線技術在電廠的主控和主要輔助控制系統已得到廣泛的應用，使用最多的總線設備是基于DP和PA行規。

1 技術應用特點

火電廠輸煤系統的主要特點是工藝設備種類多、空間位置分散、電壓等級高、設備接口多樣且大多不具備總線接口能力，設備運行在粉塵濃度高、電磁強、溫濕度大的惡劣環境中。近年來，國內雖有不少電廠的輸煤控制系統采用了Profibus現場總線技術，但受限于輸煤系統的現場環境和設備狀況，普遍采取遠程IO站+現場總線的混合技術方案[2]，即將少數集中布置在各輸煤電氣MCC(馬達控制中心)間的具有DP接口智能測控裝置的輸煤電動機以現場總線接入控制系統，除此以外大多數分散在現場的各設備按常規硬接線方式接入到各區域遠程IO站中，受安裝位置、機柜尺寸、防護等限制，遠程IO站常要求安裝在各區域的MCC間，離控制對象仍有相當長的距離，無法做到輸煤控制系統徹底分散控制，難以提升控制系統性能和最大程度節省電纜投資。為此，針對輸煤工藝設備的分布情況和現場環境特點，提出技術全分布式Profibus現場總線設計理念，在常規總線的基礎上將遠程IO站替換為一個個獨立防護等級高總線IO模塊安裝在不具備DP接口就地設備附近，最終實現輸煤系統所有控制設備采用不同的方式就近分布接入總線網絡。該技術與常規總線技術相比，具有以下優點：

(1) 全分布式Profibus總線將輸煤常規總線技術的分散與集中相結合的控制結構演進為全分布、全分散的體系結構，消除了常規總線系統中60%左右控制設備的總線覆蓋盲區，從根本上做到了輸煤系統所有設備總線應用全覆蓋。

(2) 現場智能IO組件對現場信號的前移處理，避免了過程IO信號在輸煤復雜現場環境下的長距離傳輸，增強了信號的抗干擾能力，確保了信號傳遞的準確度和穩定性。

(3) 據有關典型試驗工程的測算資料，全分布式系統中所有設備就近接入總線的方式較常規總線技術可減少約80%的過程IO電纜和約40%的橋架、槽盒、穿線管等相關安裝材料使用量，既節省了投資，又減少了設計、安裝的工作量。

(4) 使控制系統具有更強的延展性和靈活性，輸煤系統現場設備的增減和調整可在現場局部網段內完成，不再受限于常規總線系統的遠程IO柜數量、安裝空間、IO點數量等剛性限制。

(5) 現場智能IO組件為系統深度故障診斷提供了強大的數據支撐和接口支持，將常規總線技術診斷層級由模塊通道級延伸到現場設備級，實時在線提供更多設備狀態和故障診斷信息，便于早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間。

2 全分布式Profibus現場總線設計

2.1 輸煤系統設備總線接入方式

全分布式Profibus現場總線設計本質要求將不同類型設備以最合適的方式就近接入現場總線網絡中。圖1為輸煤系統設備接入的總線的4種情況。

圖1 輸煤系統設備總線接入方式示意

(1) 具備具有DP接口的回路的綜合保護裝置或馬達保護器的輸煤電氣設備包括皮帶機、電動三通、犁煤器、輸煤電氣系統斷路器等直接接入Profibus現場總線。

(2) 輸煤系統如除塵器、除鐵器、葉輪給煤機的控制柜都由設備廠家配套提供，一般不具備與總線通信的能力，在每個廠家的控制箱內或旁邊安裝現場總線IO模塊，將設備的控制信號通過較短的電纜(2 m內)接到總線IO模塊繼而接入現場總線網段。

(3) 除了廠家控制箱外，輸煤系統皮帶沿線安裝有大量的皮帶保護裝置如拉繩、跑偏、速度等，因成本和技術制約，目前國內沒有直接支持Profibus總線的保護設備，設計理念是在皮帶沿線30～50 m間隔布置現場總線IO模塊，實現皮帶保護設備的就近接入。

(4) 輸煤系統還有一些過程儀表如煤場噴淋的壓力表、原煤倉雷達料位計等可通過DP/PA耦合器或HART(可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議)/Profibus-DP網關接入DP總線。

2.2 Profibus總線冗余功能設計

輸煤控制系統作為電廠重要輔助控制系統，控制系統的控制器，總線網絡設備、通信介質等關鍵部件應冗余配置[3]，當某一部分設備出現錯誤不能正常工作后，備份的設備能夠快速切換至主工作方式，以維持整個系統的順利運行而不至于因局部設備的出錯而影響整個系統的運行，Profibus總線要實現三個方面的冗余：主站冗余、從站冗余和介質冗余。

(1) Profibus主站(主要是1類主站)要選用具有總線接口的冗余控制器或主控單元配置冗余總線通信模塊。

(2) Profibus從站要根據現場總線設備的端口情況采用不同冗余方法，具有2個獨立DP接口Profibus從站設備(電動執行機構及MCC馬達保護器等)要求配置成系統冗余(SR)的工作模式，主備DP端口總線地址相同，只有單一DP接口的從站設備(現場總線IO模塊、過程儀表以及部分廠家的控制器等)應采用通過DP或PA耦合器、Profibus-DP冗余交換機(PRS)接入冗余總線。

(3) Profibus主站與從站連接的主干網應配置2條通信網絡介質，有光纖通信應用場合下應采用具有支持快速恢復和環形組網的Profibus-DP光電轉換器組成光纖網絡冗余環拓撲結構。

2.3 網段規劃和設計

網段劃分設計目的是確定現場總線主控制單元的數量、每個控制單元所含Profibus網絡數量，以及每條總線網絡上連接DP或PA設備的數量。Profibus總線采用RS485令牌環網技術 ,網段的劃分理論上只需滿足Profibus技術規范即可[4]，但在實際應用中特別在輸煤系統的工作環境下一定要結合現場總線的設備類型、安裝位置、工藝關系、檢修維護需求把系統的總線劃分成若干個網段,合理的網段劃分是輸煤總線設計工作最重要的環節，決定了總線網絡性能和工藝設備安全運行。輸煤控制系統Profibus網段劃分應遵循以下原則：

(1) 冗余分散原則。工藝上冗余配置或并列運行的儀表或設備應接入不同的網段上確保任一條總線故障時，只影響工藝系統局部運行，不會造成整個工藝系統停運，輸煤皮帶A/B側設備如皮帶機、MCC/除塵除鐵輔助設備、煤倉間1號/2號爐的犁煤器等需連接在不同的網段上。

(2) 工藝和控制邏輯相關性原則。同一工藝區內的相關Profibus就地設備盡可能分配到同一網段上，控制邏輯相關的儀表和控制對象原則上掛接在同一個總線網段上，輸煤系統應把皮帶保護設備避免跨網段通信造成數據延時，最大程度保證控制實時性。

(3) 性能保證原則。根據設備的布置地點、現場電磁環境、電纜走向等決定接入設備節點的數量，每個網段上掛接的現場總線設備數量不超過總線標準規定的最大數量的40%，對于存在強電磁干擾的區域如MCC和皮帶沿線每個DP或PA網段的總線節點不宜超過10個。

(4) 通信速率匹配原則。Profibus-DP網段的通信速率設定值必須小于該支路上所有設備中支持的最小通信速率，并滿足表1中EIA RS485限定的要求，超過部分可通過中繼器進行擴展和隔離，以最大程度減少設備的電氣干擾和保證總線的技術性能，輸煤系統實際應用時網段的總線傳輸速率應設置成不大于500 kbit/s以保證復雜環境下數據可靠傳輸。

表1 波特率與網段電纜總長度的對照表

2.4 總線網絡拓撲結構的設計

現場總線的網絡拓撲結構是指網段之間以及網段內各種總線設備的物理連接方式，網絡拓撲結構和波特率一起決定了Profibus總線網絡的可靠性和實時性，也直接決定了總線的現場施工工藝。圖2為輸煤系統Profibus總線網絡常用的總線型、光纖環型、菊花鏈型、PA樹型拓撲形式。

圖2 輸煤Profibus網絡拓撲結構

不同的網絡拓撲結構需要配置不同的網絡設備，必須在項目設計階段根據現場設備支持的總線類型和網絡可靠性要求設計合適的結構搭建網絡，否則一旦網絡電纜敷設及連接工作完畢，再次更改網絡拓撲結構將異常困難。Profibus-DP雙絞線通信介質網段中的各節點應盡量采用菊花鏈型拓撲結構，在無法實現菊花鏈型的場合如抽屜式MCC可通過T形分支線接入DP干線，但應注意由于T形支線改變了總線的阻抗特性會引起傳輸信號發射干擾，單網段分支電纜總長度應嚴格遵循Profibus協議規定，見表2。

表2 波特率與網段分支電纜總長度的對照表

Profibus-PA的傳輸速率為31.25 kbit/s，屬于低速(H1)網段，因此網絡拓撲結構可以有多種形式，可以實現樹型、總線型或其他組合型結構，就地PA設備和PA分配器之間采用線性連接，PA分配器之間采用總線型連接，所有連接在現場總線上的設備通過現場分配器進行并行切換[5]。

2.5 Profibus總線I/O模塊的選型

布置的設備附近的現場I/O模塊應有緊湊堅固的外殼，具備IP67的防護等級，能保證在現場惡劣環境下長期穩定工作，模塊支持熱插拔功能，具有組診斷、組保護功能(各輸入點有診斷傳送回主站CPU，以便任一輸入點故障時都能得到快速確認)，I/O模塊集成有PB-DP通信功能，利用接插件可直接掛上PB-DP鏈路，而無需外加通信模塊。目前各大自動化廠商均能提供成熟的總線IO模塊，輸煤控制系統應用較多的是西門子ECO、菲尼克斯FLM和圖爾克FLDP系列。

2.6 現場總線控制程序設計

控制系統對Profibus現場總線設備數據交換的方式有2種，DPV0周期性循環交換和DPV1非周期性循環輪詢。DPV0周期性循環交換是Profibus控制主站按照設定的掃描周期快速地與從站進行數據交換，適用于從站設備與控制相關的主要狀態參數和故障匯總信息交互，保證控制的實時性；DPV1非周期性循環輪詢類似于循環的數據通信，但使用較低的優先權，Profibus控制主站控制器可不定時按固定的順序向從站發送查詢或在收到從站的診斷中斷后執行查詢，一般用于從站參數設置、故障診斷和報警處理。

輸煤控制系統結合了上述2種方式進行相應的硬件組態和軟件設計。

2.6.1 DPV0周期性循環交換程序設計

導入現場總線設備廠家提供的GSD文件組態接口，并按照接口數據格式要求定義總線設備到控制系統的內存地址映射關系，內存地址應包括控制設備的實時運行狀態(遠方、運行、停止、故障、電流)、控制信號(啟動、停止、復位、參數設定等)，根據從站設備定義的循環數據格式設計相應的功能塊解析映射地址的信號并開發設備控制邏輯。

2.6.2 DPV1非周期性循環輪詢程序設計

復雜的Profibus總線系統在運行過程中難免會出現系統故障，如何準確快速提供故障信息并分析故障原因是總線應用的重點也是難點，應充分利用控制系統組態平臺提供診斷功能塊，深入研究總線模塊診斷的數據結構，基于從站DPV1非周期性功能開發分層級DP網絡診斷系統，并把診斷信息及時發布在運行監控畫面，實現站級、模塊級、通道級、設備級的故障診斷和快速定位。

3 工程應用

某發電廠一期2臺660 MW超超臨界輸煤控制系統采用了全分布式Profibus現場總線技術，程控系統選用西門子S7-414H雙機熱備系統作為Profibus主站控制器，西門子ET200 ECO模塊作為現場總線IO模塊，徹底取消了常規的遠程I/O站，PLC的組態平臺為STEP7。根據輸煤工藝設備和MCC柜的分布情況，在輸煤綜合樓設置Profibus主站，在翻車機室、2號轉運站、筒倉、4號轉運站、碎煤機室、煤倉間6個區域設置Profibus分站，各站點網絡單元通過冗余光纖接入輸煤Profibus主站，并根據工藝設備特點又將每個區域劃分成若干個網段，每個網段設置有中繼單元和有源終端電阻，用以擴展和隔離總線設備，匹配總線電纜阻抗。該項目共設計有31個網段、260個總線節點、現場總線IO模塊、PA料位計智能馬達保護器等總線設備直接接入或經DP/DP耦合裝置(Y-LINK)分網段接入各區域分站的冗余網絡(見表3)。

表3 輸煤控制系統總線網段統計表

4 結語

全分布式輸煤控制系統Profibus現場總線技術解決了輸煤設備全總線接入、網絡設計與規劃、從站設備故障診斷與分析等關鍵問題，提升了輸煤系統總線應用的深度和廣度，提高了輸煤控制系統的自動化水平，有效節省了電纜、橋架等安裝材料和施工成本，總線提供的大量設備附加信息，有助于實現現場設備智能管理和預測維護，為電廠全面數字化生產和管理奠定了基礎。