基于maxDNA系統(tǒng)的PROFIBUS現(xiàn)場總線在超超臨界機(jī)組的應(yīng)用

顏聰 劉舟

摘要：某電廠在二期2×1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組建設(shè)期間全廠實行了現(xiàn)場總線與I/O硬接線相結(jié)合方式，將maxDNA系統(tǒng)與PROFIBUS現(xiàn)場總線相結(jié)合，實現(xiàn)了該電廠全廠的現(xiàn)場總線控制。研究表明，基于maxDNA系統(tǒng)的PROFIBUS現(xiàn)場總線在該電廠的應(yīng)用完全滿足現(xiàn)場實際控制要求，運行安全可靠，證實了該系統(tǒng)下全廠一體化總線模式應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：PROFIBUS現(xiàn)場總線；maxDNA；冗余；全廠總線

中圖分類號：TP273+.5；TM621.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）10-0024-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.007

0? ? 引言

目前，國內(nèi)火電機(jī)組裝機(jī)容量越來越大，機(jī)組參數(shù)變大，機(jī)組設(shè)備增多，現(xiàn)場工藝更加趨向于復(fù)雜化。面對如此情況，傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)（DCS）信號傳輸一般采用現(xiàn)場設(shè)備與控制器單點單線的模式，這種方式使得DCS控制器獲取現(xiàn)場設(shè)備信息量大大減少（比如流量，DCS一般傳輸只是傳輸流量本身，而流量密度、溫度、累積流量等無法傳輸），極大地限制了現(xiàn)場自動化程度。PROFIBUS現(xiàn)場總線通過單根線纜連接多個設(shè)備，通過PROFIBUS協(xié)議可獲取大量設(shè)備信息，簡單便捷高效，遠(yuǎn)方DCS側(cè)實時監(jiān)測更多有效設(shè)備數(shù)據(jù)信息，設(shè)備安全性得到提高，自動化程度提高。PROFIBUS現(xiàn)場總線全廠化的應(yīng)用對于數(shù)字化智慧電廠的建設(shè)有著重要意義。

某電廠在二期2×1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組主機(jī)和輔網(wǎng)均采用國電南自maxDNA系統(tǒng)，采取了PROFIBUS總線和硬接線相結(jié)合的模式。本文分析了基于maxDNA系統(tǒng)的PROFIBUS現(xiàn)場總線的設(shè)計、施工、調(diào)試、后期維護(hù)要求和所遇問題的解決辦法。

1? ? maxDNA系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制

1.1? ? maxDNA現(xiàn)場總線控制

maxDNA系統(tǒng)是中國華電集團(tuán)引進(jìn)的大型分散控制系統(tǒng)（DCS），已成功在國內(nèi)多臺百萬機(jī)組成功運行；現(xiàn)場總線技術(shù)在多家電廠均有應(yīng)用。某電廠二期全廠均采用了maxDNA系統(tǒng)，實現(xiàn)全廠DCS一體化。

maxDNA控制系統(tǒng)中，maxPAC PROFIBUS總線模塊可以提供1～4通道通信接口，可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況提供1～4條現(xiàn)場總線[1]。其支持的PROFIBUS-DP協(xié)議，可以通過DP和PA轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)PROFIBUS-PA總線的通信。maxPAC PROFIBUS總線模塊中每條網(wǎng)段可支持31個總線從站，可支持最大傳輸速率為12 Mbit/s，對應(yīng)DP總線線纜長度100 m。總線傳輸速率高，相對地可支持總線電纜傳輸距離就會縮短，對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

為了保證從站設(shè)備與主站之間的有效傳輸性和快速響應(yīng)性，某電廠總線網(wǎng)段配置12～14總線從站設(shè)備，傳輸比特率設(shè)置為500 kbit/s或者187.5 kbit/s，總線線纜長度均設(shè)置為最長不超過400 m。

maxDNA控制系統(tǒng)所設(shè)計網(wǎng)段中，DP總線為雙路冗余設(shè)計模式，PA總線為單路設(shè)計模式。某電廠二期各系統(tǒng)總線配置如表2所示，輔網(wǎng)各系統(tǒng)總線配置如表3所示。DP網(wǎng)段數(shù)量共計176×2條，DP設(shè)備數(shù)量約1 664臺；PA網(wǎng)段數(shù)量設(shè)計為106條，PA設(shè)備數(shù)量約851臺。

1.2? ? 現(xiàn)場總線在某電廠應(yīng)用

PROFIBUS是由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS三部分組成。PROFIBUS-DP（Decen-tralized Periphery，分散型外圍設(shè)備）主要用于控制器通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信；PROFIBUS-PA（Process Automation，過程自動化）是通過PROFIBUS協(xié)議將現(xiàn)場溫度、壓力、液位、流量等模擬量信號與DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的4～20 mA硬接線方式[2]。某電廠二期采用PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA兩種總線模式。

某電廠二期工程輔網(wǎng)系統(tǒng)中包括鍋爐補給水系統(tǒng)、海水制氯系統(tǒng)、海水淡化系統(tǒng)、脫硫廢水系統(tǒng)、采暖空調(diào)系統(tǒng)、精處理系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)，主機(jī)側(cè)鍋爐、汽機(jī)、電氣、脫硫、公用均采用硬接線和PROFIBUS總線相結(jié)合的方式。所涉及的總線設(shè)備包括：（1）恒春、弗瑞特、SIPOS7型、行力、Limitorque等多種電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；（2）ABB550型號變頻器；（3）融達(dá)興RDX100、RDX200系列的380 V電動機(jī)智能控制裝置，金智科技5200系列的10 kV開關(guān)設(shè)備；（4）FESTO系列閥島；（5）Fisher、ABB等閥門定位器以及E+H、奧立龍、羅斯蒙特、西門子等多種型號的流量計、液位計、壓力表、溫度計和各種分析儀表。涵蓋系統(tǒng)廣泛，涉及現(xiàn)場總線設(shè)備繁多，提高了現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸能力，同時獲取了大量硬接線無法獲取的現(xiàn)場信號。

某電廠二期工程全廠總線的應(yīng)用，是該廠建立數(shù)字化智慧電廠的重要組成部分，對于該廠實現(xiàn)數(shù)字化智慧電廠具有重要意義。

1.3? ? maxDNA系統(tǒng)總線調(diào)試步驟

maxDNA系統(tǒng)下PROFIBUS-DP總線調(diào)試步驟為：根據(jù)設(shè)備GSD組態(tài)并下裝、編譯功能塊。

1.3.1? ? 總線通信組態(tài)

maxDNA系統(tǒng)中采用SyCon軟件來配置總線組態(tài)，組態(tài)配置根據(jù)實際設(shè)計的網(wǎng)段上所掛載的從站設(shè)備進(jìn)行配置。SyCon軟件配置如圖1所示。FBM為maxPAC PROFIBUS總線模塊，作為通信主站，主要配置主站信息、通信速率；網(wǎng)段上設(shè)備作為通信從站，主要配置從站地址、設(shè)備型號、從站設(shè)備描述、GSD文件中數(shù)據(jù)交換所需要的Module參數(shù)。

在配置完成后，需要通過maxDNA系統(tǒng)自帶的總線下裝軟件Profibus Download將SyCon中配置好的組態(tài)信息下裝到maxPAC PROFIBUS總線模塊對應(yīng)的通道即對應(yīng)的FBM中，并自動存儲在其中。

1.3.2? ? 編譯功能塊

maxDNA系統(tǒng)自帶主站通信功能塊，從站通信功能塊需要根據(jù)不同設(shè)備的GSD文件來進(jìn)行功能編譯。

DP總線冗余模式，即A網(wǎng)段和B網(wǎng)段發(fā)送相同通信數(shù)據(jù)到DCS側(cè)。為了區(qū)分上位數(shù)據(jù)具體由哪一條網(wǎng)段發(fā)送，某電廠編譯了切換功能塊。其功能為當(dāng)A、B網(wǎng)段均為正常通信時，接收A網(wǎng)段數(shù)據(jù)信息；當(dāng)A網(wǎng)段出現(xiàn)故障或者通信質(zhì)量差時，自動切換至B網(wǎng)段數(shù)據(jù)信息；當(dāng)A網(wǎng)段故障解決并且邏輯判斷其通信正常時，自動切換至A網(wǎng)段數(shù)據(jù)信息。

從站設(shè)備功能塊編譯，maxDNA系統(tǒng)總線功能塊編譯完之后，在功能塊中根據(jù)現(xiàn)場實際輸入地址、所屬網(wǎng)段、Module參數(shù)即可。功能塊編譯完成，查找無誤后即可下裝至控制器中。

2? ? 現(xiàn)場總線施工注意事項

從提高總線的通信質(zhì)量方面考慮，結(jié)合已有項目實際工程調(diào)試經(jīng)驗，工程實施時要關(guān)注的幾個地方如下：

（1）總線設(shè)備的選用應(yīng)該嚴(yán)格按照預(yù)定的總線協(xié)議來選型，必須要符合PROFIBUS-DP協(xié)議，否則無法實現(xiàn)通信。必要情況下，需要送至DCS廠商處進(jìn)行通信檢測，確認(rèn)可以通信后，方可用于現(xiàn)場實際建設(shè)。

（2）網(wǎng)段的劃分要根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備實際位置和設(shè)備所屬系統(tǒng)來進(jìn)行。由于現(xiàn)場橋架和設(shè)備安裝位置的不確定性，總線網(wǎng)段的排版需要在現(xiàn)場根據(jù)設(shè)備位置和設(shè)備所屬系統(tǒng)進(jìn)行劃分。

（3）施工方在放PROFIBUS-DP線纜時，一定要嚴(yán)格按照總線網(wǎng)段設(shè)計最終版進(jìn)行順序放線，否則會對后期調(diào)試和投產(chǎn)維護(hù)產(chǎn)生比較大的干擾和影響。

（4）一般情況下，DP總線每個網(wǎng)段的PROFIBUS-

DP線纜不超過400 m，前后設(shè)備之間的DP線纜不應(yīng)該少于1.5 m；如果現(xiàn)場設(shè)備必須超過400 m長度，需在設(shè)備端增加光纖通信來延長PROFIBUS總線通信距離。

（5）為保證PROFIBUS-DP總線不受外部干擾，要求DP線纜單獨設(shè)計金屬橋架，在金屬橋架上每隔20～30 m作一次接地；防止高壓電纜和其他干擾源對PROFIBUS-DP總線線纜產(chǎn)生干擾從而影響通信質(zhì)量。

（6）每條網(wǎng)段最后都會設(shè)計有源終端，從站設(shè)備自帶的終端電阻模塊需要設(shè)置為OFF。有源終端防止信號反射的效果遠(yuǎn)比無源終端要好。

（7）設(shè)備接線時，PROFIBUS-DP總線線纜需使用專業(yè)總線剝線鉗和一定剝線接線順序，確保銅芯、屏蔽層、外層包裝依次成型。

3? ? 通信故障診斷和處理方法

3.1? ? 機(jī)組調(diào)試期間故障分析

PROFIBUS現(xiàn)場總線在調(diào)試期間會遇到很多處理起來困難棘手的問題，某電廠二期在基建調(diào)試期間也遇到過很多問題，歸結(jié)如下：

（1）錯用GSD文件，很多廠家在提供GSD文件的時候往往會不注意設(shè)備具體型號，如ABB ACS510和ACS550。GSD文件錯誤，會導(dǎo)致設(shè)備無法通信。

（2）設(shè)備接線正負(fù)端接反，正常DP線纜分為紅綠兩種顏色，紅B綠A。

（3）設(shè)備參數(shù)配置出錯。一般設(shè)置主要參數(shù)：地址、總線模式、開關(guān)指令反饋等信號對應(yīng)的數(shù)據(jù)位、總線使能等。設(shè)置錯誤或者少設(shè)置選項會導(dǎo)致無法通信。

（4）設(shè)備通信說明書與現(xiàn)場實際不符。

（5）DCS側(cè)對設(shè)備GSD文件配置錯誤。DCS側(cè)配置組態(tài)時選擇錯誤Module導(dǎo)致無法通信。

（6）總線專用橋架中放置了高壓電纜造成干擾。信號電纜遭受高壓電纜線路電感應(yīng)和磁感應(yīng)產(chǎn)生的電壓和電流足以影響電信回路的正常運行，如傳輸質(zhì)量降低、信號失真等[3]。

（7）有源終端未設(shè)置ON模式，導(dǎo)致無法通信或通信質(zhì)量差。有源終端未設(shè)置ON模式，PROFIBUS數(shù)據(jù)傳輸過程中會導(dǎo)致信號反射干擾原信號的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包或通信中斷。

（8）DP頭即總線連接9針D型連接器損壞。國際性的PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)EN 50170推薦使用9針D型連接器，用于總線站與總線的連接[4]。

3.2? ? 機(jī)組投產(chǎn)后維護(hù)故障分析

PROFIBUS現(xiàn)場總線在機(jī)組投運后也可能會遇到問題，某電廠二期機(jī)組投產(chǎn)后現(xiàn)場總線就遇到了一些問題。電廠熱控維護(hù)人員按照總線畫面中通信中斷位置、中斷節(jié)點對現(xiàn)場故障點進(jìn)行有效判斷，可以高效處理解決總線問題。根據(jù)現(xiàn)場運行期間的實際經(jīng)驗，總結(jié)出以下幾條問題及處理方法：

（1）現(xiàn)場設(shè)備的通信模塊損壞。冗余模式下，一般此類問題如其中一路通信模塊出現(xiàn)問題，不影響設(shè)備運行，DCS側(cè)會出現(xiàn)報警提示此類問題，提示盡快處理。

（2）DCS側(cè)PROFIBUS總線卡件損壞。出現(xiàn)此類問題現(xiàn)象為卡件所帶所有總線從站設(shè)備通信全部斷線，需更換總線卡件。

（3）有源終端出現(xiàn)故障。有源終端故障導(dǎo)致信號傳輸發(fā)生反射干擾原信號的現(xiàn)象，影響通信。

（4）機(jī)組長期運行，總線從站設(shè)備9針D型連接器出現(xiàn)松動。

4? ? 結(jié)語

隨著現(xiàn)場總線的廣泛應(yīng)用，自動化程度不斷加深，現(xiàn)場總線已經(jīng)成為數(shù)字化智慧電廠的重要組成部分。某電廠二期2×1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組投產(chǎn)以后，全廠一體化maxDNA控制系統(tǒng)及基于maxDNA系統(tǒng)的PROFIBUS現(xiàn)場總線運行穩(wěn)定，完全滿足現(xiàn)場控制要求，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠、設(shè)備信息全面。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 南京國電南自維美德自動化有限公司.maxDNA系統(tǒng)手冊[Z]，2020.

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DP通信的方法[J].化工自動化及儀表，2011，38（8）：1027-1029.

[3] 涂磊，甘世新，葉麗莎，等.高壓電纜對信號電纜的影響原理分析[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2018（23）：2.

[4] 李正軍，李瀟然.現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

收稿日期：2023-02-02

作者簡介：顏聰（1992—），男，江蘇淮安人，工程師，研究方向：電廠熱控自動化、DCS與DEH。

劉舟（1987—），男，江蘇南京人，工程師，主要從事電廠熱控方面的研究。