PROFIBUS總線在1 000 MW火力發(fā)電機組中的應用

羅棟

摘 要：根據(jù)PROFIBUS總線技術(shù)在福建石獅鴻山熱電廠二期工程2×1 000 MW機組中應用的實際情況，從技術(shù)規(guī)范、應用優(yōu)勢和存在的問題等多方面進行了分析和總結(jié)，并討論了PROFIBUS總線技術(shù)在電力行業(yè)中的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：PROFIBUS總線；報文；熱電廠；模擬信號

中圖分類號：TP273+.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.19.145

隨著工業(yè)和通信業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)化與信息化在不斷融合。近年來，我國工業(yè)智能化的程度在不斷加深。在這一時代背景下，現(xiàn)場總線技術(shù)應運而生，并在2003年確立的國際標準中定義了10種類型。國際電工委員會（International Electro technical Commission，簡稱為IEC）將現(xiàn)場總線定義為：安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置，以數(shù)字通信代替4～20 mA的模擬信號和普通開關(guān)量信號，可實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與室內(nèi)控制裝置之間的雙向、串行、多點數(shù)字通信技術(shù)?，F(xiàn)場總線技術(shù)與DCS的結(jié)合提高了機組的控制水平。

與其他現(xiàn)場總線相比，PROFIBUS總線的優(yōu)勢在于其以國際標準EN50170為保證，具有高效性和普遍性，因此，在各行業(yè)領(lǐng)域應用廣泛。PROFIBUS總線支持多種傳輸方式，最常見的有主從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)。主站具有總線控制權(quán)，可主動發(fā)送信息；從站不具備總線控制權(quán)，只有在收到信息后才能確認和反饋。鴻山熱電廠二期工程充分發(fā)揮了PROFIBUS總線的優(yōu)勢，提高了電廠監(jiān)控的自動化水平。

1 PROFIBUS總線的特點

1.1 PROFIBUS總線的系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，鴻山熱電廠二期工程采用的PROFIBUS總線的系統(tǒng)架構(gòu)分為局域網(wǎng)、主機柜和現(xiàn)場總線柜。將工程師站、操作員站等加入局域網(wǎng)后，其他

計算機系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)可通過該局

域網(wǎng)與這些工作站進行信息共享

和交換。工作站通過交換機與主

機柜互連，主機柜與現(xiàn)場總線柜

通過控制網(wǎng)互連。每個現(xiàn)場總線

柜最多可連接124個現(xiàn)場設(shè)備，

現(xiàn)場總線柜和現(xiàn)場設(shè)備通過DP/PA

電纜互連。交換機、控制網(wǎng)、DP/PA網(wǎng)均為1∶1冗余。

1.2 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的特點

鴻山熱電廠二期工程采用的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)使用RS485串口通訊，為半雙工工作模式，支持光纖通訊方式。每個PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)理論上最多可連接128個物理站點（0～127），其中，包括主站、從站和中繼設(shè)備。在配置物理站點時，0作為PG地址，1和2作為主站地址，127作為廣播地址，這些地址是固定不變的；3～126作為從站可用的地址，一共124個。除主站和從站外，每個中繼設(shè)備占用1個從站的物理站點，但沒有站號。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的通訊速度與距離有關(guān)。在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場設(shè)備的配置中不僅要考慮工藝、位置、距離，還要兼顧儀表的重要性。重要設(shè)備禁止放在同一鏈路中，

甚至可單獨放在1條鏈路中，以防因該鏈路故障而導致多個重要設(shè)備同時失效，從而降低風險，提高系統(tǒng)的可靠性。此外，為了降低通訊電纜對通訊能力的影響，電纜長度不宜過長，更不能形成環(huán)狀。為了降低變頻器對通訊能力的影響，在安裝變頻器及其出線時，應改善其EMC特性，比如對通訊電纜和動力電纜使用屏蔽電纜接地等。

1.3 PROFIBUS的硬件特點

鴻山熱電廠二期工程2×1 000 MW機組采用PROFIBUS現(xiàn)場總線，其硬件包括總線機柜、通訊介質(zhì)、PROFIBUS插頭、有源終端電阻、DP中繼器和DP/PA電纜等。

PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)支持RS485的電纜和光纖兩種通訊介質(zhì)。PROFIBUS插頭用于連接PROFIBUS電纜與PROFIBUS的站點。在每個PROFIBUS插頭上都內(nèi)置了終端電阻，可根據(jù)需要接入或切除。當一個物理網(wǎng)段終結(jié)時，對應的終端電阻選擇“接入”，其他均選擇“切除”。

終端電阻用于消除通訊電纜中的信號反射，即阻抗不連續(xù)或阻抗不匹配導致的信號反射。阻抗不連續(xù)會導致總線電纜末端的阻抗過小，甚至短路或阻抗過大（斷線）；阻抗不匹配是指數(shù)據(jù)收發(fā)器的阻抗與總線電纜之間的阻抗不匹配。為了防止總線上的網(wǎng)線與總線電纜之間發(fā)生阻抗不連續(xù)或阻抗不匹配，應在每個物理網(wǎng)段的兩個終端站點接入終端電阻。

1.4 DP中繼器和DP/PA電纜

當物理網(wǎng)段的現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)量超出上限時，或網(wǎng)絡(luò)通訊距離超出其能力范圍時，應使用中繼器擴展物理網(wǎng)段。每個DP中繼器占用1個從站的物理站點。

DP電纜用于分布式連接設(shè)備（電動執(zhí)行機構(gòu)、氣動執(zhí)行機構(gòu)和變頻器等）。在鴻山熱電廠二期工程的實際應用中，DP電纜連接的均為現(xiàn)場供電的設(shè)備；PA電纜用于過程控制（壓力變送器），在鴻山熱電廠二期工程的實際應用中，PA電纜連接的是總線供電的測點或設(shè)備。

2 PROFIBUS總線的應用分析

在鴻山熱電廠二期工程2×1 000 MW機組中，總線設(shè)備和測點遍布各分系統(tǒng)，且部分是順序控制系統(tǒng)和模擬量控制系統(tǒng)中的重要設(shè)備和測點，充分顯示了PROFIBUS總線通訊高速、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。但在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題。

2.1 總線設(shè)備故障導致的頻繁網(wǎng)絡(luò)切換

在實際調(diào)試過程中，有多種情況會導致DP網(wǎng)絡(luò)故障，最常見的原因是DP的A網(wǎng)與B網(wǎng)的頻繁切換導致的網(wǎng)絡(luò)故障。DP的網(wǎng)絡(luò)切換是指當主網(wǎng)發(fā)生鏈路故障時，自動切換到備用網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)鏈路故障有多種原因，最常見的是現(xiàn)場總線設(shè)備故障?？偩€設(shè)備故障的判斷標準是是否存在設(shè)備自檢故障或總線通訊故障。當現(xiàn)場總線設(shè)備發(fā)生故障時，如果通過自檢設(shè)備可確定故障原因，則發(fā)送的報文可被解析；如果通過設(shè)備自檢無法確定故障原因，則出現(xiàn)亂發(fā)數(shù)據(jù)包的現(xiàn)象，且這些數(shù)據(jù)包的報文無法被解析，進而導致A網(wǎng)鏈路異常，切換到B網(wǎng)。同理，當B網(wǎng)鏈路發(fā)生故障時，會切換到A網(wǎng)。

一般情況下，DP網(wǎng)絡(luò)切換時，依舊可解析該網(wǎng)段中現(xiàn)場總線設(shè)備的工作情況，仍然可維持PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的正常工作；但在極端情況下，DP網(wǎng)絡(luò)的A網(wǎng)和B網(wǎng)的嚴重堵塞會導致A網(wǎng)和B網(wǎng)全部癱瘓，進而使該網(wǎng)段中的現(xiàn)場設(shè)備全部失效并變?yōu)殡x線狀態(tài)。嘗試多種解決辦法后發(fā)現(xiàn)，最簡明、有效的方法是根據(jù)現(xiàn)場總線設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的情況判斷：當同一設(shè)備連續(xù)發(fā)送3個無法被解析的數(shù)據(jù)包時，則判定此設(shè)備故障，并隔離該設(shè)備。

此外，現(xiàn)場總線的DP電纜安裝錯誤也會引發(fā)故障。DP總線電纜中有3根線，分別為正端、負端和屏蔽線，三者之間應彼此不通。如果其中任意兩根線接通，則會導致其所在的DP網(wǎng)絡(luò)鏈路異常。在此情況下，需要工作人員到現(xiàn)場對各設(shè)備進行逐個斷電，當故障設(shè)備斷電后（該設(shè)備在網(wǎng)段中被隔離），DP網(wǎng)絡(luò)的鏈路異常會消失。

2.2 總線設(shè)備與PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的兼容性

有多種情況涉及到現(xiàn)場總線設(shè)備與現(xiàn)場總線的兼容性問題：①不同廠商的現(xiàn)場總線設(shè)備對故障原因的自檢能力不相同。部分廠商的設(shè)備可完成自檢并發(fā)送可被解析的報文，這種情況是最理想的；部分廠商的設(shè)備可完成自檢，但無法在發(fā)送的報文中解析故障原因，需要工作人員前往現(xiàn)場確認，這種情況不會影響DP網(wǎng)絡(luò)的正常工作；部分廠商設(shè)備無法自檢故障原因，且會亂發(fā)送無法被解析的報文，進而引發(fā)DP網(wǎng)絡(luò)故障，這種情況是應極力避免的。②不同廠商的現(xiàn)場總線設(shè)備應對功能變動的能力不同。比如，根據(jù)實際情況，增加顯示開關(guān)門開度百分比的功能。這對于現(xiàn)場總線的工作站而言，在修改系統(tǒng)設(shè)置方面較為簡單，但關(guān)鍵在于現(xiàn)場總線設(shè)備發(fā)回的gsd文件中的報文是否能反饋該功能，以及該報文是否可被解析。部分廠商的設(shè)備臨時增加該功能時需要多次調(diào)試，甚至出現(xiàn)必須換現(xiàn)場總線設(shè)備的情況。

3 PROFIBUS總線的發(fā)展前景

在實際應用中，PROFIBUS總線仍有許多不足之處。比如，因網(wǎng)路堵塞或通信節(jié)點斷開而導致的網(wǎng)絡(luò)通訊故障；不同廠商提供的現(xiàn)場設(shè)備和總線的兼容性不同；設(shè)備發(fā)出無法被解析的報文時，會影響故障的判斷等。雖然在項目開始之初，會由設(shè)備廠商提供設(shè)備的類型、型號，且廠商會將設(shè)備樣品送到DCS廠家總部測試，生成兼容性報告，但這也說明現(xiàn)場總線設(shè)備與現(xiàn)場總線的兼容性仍有待加強和提高。

雖然具有以上缺點，但是PROFIBUS總線的應用實現(xiàn)了分布式控制，即可同時傳送多個過程變量、儀表標識符診斷信息，從而使其成為電力系統(tǒng)自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化的可行方案。與硬接線相比，PROFIBUS總線具備高速、低成本的特點，大大降低了工程費、組裝費和硬件費，且便于控制、維護和調(diào)整。比如，在機組調(diào)試過程中，使用PROFIBUS總線后，即使現(xiàn)場設(shè)備需要更改，也無需增加或更換卡件、電纜，只需根據(jù)新要求在工程師站修改設(shè)備定義，再修改現(xiàn)場總線設(shè)備的報文內(nèi)容即可，從而節(jié)省了人力、物力和時間?；谏鲜鰞?yōu)點，PROFIBUS總線的應用將更加普及，技術(shù)也將更加成熟。

參考文獻

[1]金湘力.現(xiàn)場總線技術(shù)在系統(tǒng)自動化中的應用[J].山西電力，2009（6）：10-12.

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〔編輯：張思楠〕

Application of PROFIBUS Bus in 1000 MW Thermal Power Generating Units

Luo Dong

Abstract： According to the actual situation of the application of Profibus Technology in the second phase project of Fujian Shishi Hongshan Thermal Power plant 2 * 1 000 MW units， this paper from the technical specifications， the application advantages and existing problems in many aspects were analysis and summary， and PROFIBUS bus technology in the electric power industry development prospects are discussed.

Key words： PROFIBUS bus； message； power plant； analog signal

文章編號：2095-6835（2015）19-0147-01