基于maxDNA系統(tǒng)的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線在電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)的應(yīng)用

劉舟，陳子靜

(南京國(guó)電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，南京 210000 )

基于maxDNA系統(tǒng)的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線在電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)的應(yīng)用

劉舟，陳子靜

(南京國(guó)電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，南京 210000 )

本著建設(shè)數(shù)字化電廠的宗旨，華電國(guó)際電力股份有限公司奉節(jié)發(fā)電廠在600 MW超臨界機(jī)組化學(xué)水處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線。將PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與maxDNA集散控制系統(tǒng)相結(jié)合，針對(duì)該電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)的特點(diǎn)和控制要求進(jìn)行了合理的硬件配置及控制算法設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)控制要求，運(yùn)行安全可靠，證實(shí)了該系統(tǒng)在電廠運(yùn)用的可行性。

現(xiàn)場(chǎng)總線；PROFIBUS；maxDNA；化學(xué)水處理系統(tǒng)

0 引言

目前我國(guó)火電機(jī)組的生產(chǎn)規(guī)模正逐漸擴(kuò)大，現(xiàn)場(chǎng)工藝也趨于復(fù)雜化，但我國(guó)大部分電廠仍然采用傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)(DCS)，即現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制器之間采用硬接線方式，控制信號(hào)多為常規(guī)的模擬量信號(hào)，這必然會(huì)導(dǎo)致控制器獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息量有限，難以獲得如設(shè)備參數(shù)、故障及故障記錄等數(shù)據(jù)，同時(shí)還會(huì)造成大量的I/O電纜及敷設(shè)施工，并增加現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的維護(hù)難度。

現(xiàn)場(chǎng)總線是雙向、串行多節(jié)點(diǎn)、開(kāi)放的數(shù)字通信系統(tǒng)，以數(shù)字通信替代傳統(tǒng)的4～20 mA模擬信號(hào)及開(kāi)關(guān)量信號(hào)傳輸，不僅可從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲取大量的信息，而且能夠大大減少電纜的使用，節(jié)約成本。本著數(shù)字化建廠的原則，華電國(guó)際電力股份有限公司奉節(jié)發(fā)電廠(以下簡(jiǎn)稱奉節(jié)電廠)率先在化學(xué)水處理系統(tǒng)采用基于maxDNA系統(tǒng)的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線。

1 maxDNA現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線概述

現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線，以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測(cè)量控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)總線相連，從而實(shí)現(xiàn)信息傳遞，完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制、監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程參數(shù)化等功能[1]。

目前主流的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有FF，CAN，Lonworks，DeviceNet，PROFIBUS，Hart，CC-Link，WorldFIP 和Interbus等，而其中PROFIBUS在全球范圍應(yīng)用最為廣泛，是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。與其他現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS的最大優(yōu)點(diǎn)在于有穩(wěn)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN 50170作保證，并在實(shí)際應(yīng)用中證明其具有普遍性，目前已廣泛應(yīng)用于加工制造、過(guò)程控制和自動(dòng)化等領(lǐng)域[2]。

PROFIBUS是過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線的縮寫，在1989年正式成為現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其協(xié)議結(jié)構(gòu)以ISO 7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，以開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)作為參考模型，并具體規(guī)定了現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)和功能特性，可實(shí)現(xiàn)控制器從現(xiàn)場(chǎng)底層到車間的網(wǎng)絡(luò)化[3]。其通信速率最高可達(dá)12 Mb/s，具有成本低、組態(tài)方便、互操作性強(qiáng)、互換性高等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 maxDNA現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

maxDNA控制系統(tǒng)源于美國(guó)利諾(Leeds &Northrup)公司，是美卓自動(dòng)化向全球電力行業(yè)和其他重要過(guò)程應(yīng)用提供的大型DCS，maxDNA控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)90多年的技術(shù)研究及工程累積，目前已為全球1 000多個(gè)工廠提供了一致的、可靠的服務(wù)，并取得了眾多成功業(yè)績(jī)。

在眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案中，maxDNA控制系統(tǒng)支持PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)協(xié)議[4]。 PROFIBUS由3部分組成，即 PROFIBUS DP，PROFIBUS PA和PROFIBUS FMS：PROFIBUS DP主要用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其通信速率最高可達(dá)12.00 Mb/s，是最快的離散數(shù)據(jù)總線；PROFIBUS PA采用IEC 61158-2中規(guī)定的通信規(guī)程，主要用于對(duì)安全性要求較高的場(chǎng)合及由總線供電的站點(diǎn)，其通信速率固定，為31.25 kb/s；PROFIBUS FMS主要用于完成中等速率的周期性或非周期性通信任務(wù)，但由于PROFIBUS DP的廣泛運(yùn)用，PROFIBUS FMS現(xiàn)已基本不使用[5]。

maxDNA控制系統(tǒng)提供4種maxPAC PROFIBUS模塊，分別可連接1～4個(gè)PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)，PROFIBUS DP接口通過(guò)DP轉(zhuǎn)PA網(wǎng)關(guān)可支持PA協(xié)議。maxPAC PROFIBUS模塊與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示：1個(gè)PROFIBUS DP接口最多可帶31個(gè)從站，其最大傳輸速率為12.00 Mb/s，電纜長(zhǎng)度為100 m，通過(guò)中繼器可使從站的數(shù)量擴(kuò)展到126個(gè)，總線的物理長(zhǎng)度可達(dá)1 200 m，但相應(yīng)的傳輸速率會(huì)降低到93.75 kb/s，為保證總線具有500.00 kb/s的傳輸速率，總線的物理長(zhǎng)度應(yīng)限制在400 m以內(nèi)。PA分段通過(guò)網(wǎng)關(guān)與DP段相連接，PA分段的傳輸速率為31.25 kb/s，總線物理長(zhǎng)度最大可達(dá)1 900 m。

圖1 maxPAC PROFIBUS連接方式

2 化學(xué)水處理系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)

2.1 項(xiàng)目概述

奉節(jié)電廠2×600 MW 新建工程是重慶市重點(diǎn)項(xiàng)目之一，屬于國(guó)家“節(jié)能減排、上大壓小”項(xiàng)目。機(jī)組鍋爐為東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司設(shè)計(jì)和制造的600 MW 超臨界“W”型火焰直流鍋爐。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

奉節(jié)電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)主要由鍋爐補(bǔ)給水處理、廢水處理、精處理、汽水取樣、凈水站等分系統(tǒng)組成，在鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)中采用現(xiàn)場(chǎng)總線，其他部分仍采用傳統(tǒng)DCS。鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)主要由2臺(tái)盤式過(guò)濾器、2套超濾裝置、2套反滲透裝置、2套離子交換機(jī)裝置及一些輔助設(shè)備構(gòu)成，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線控制的閥島有13套，共帶有98個(gè)氣動(dòng)門、2個(gè)蝶閥以及69個(gè)模擬量變送器，設(shè)備統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。

在前期進(jìn)行總線設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)，根據(jù)奉節(jié)電廠現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)水處理補(bǔ)給水系統(tǒng)的具體工藝要求，在考慮設(shè)備運(yùn)行安全性和工程施工經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，對(duì)每條總線上設(shè)備的選擇和總線電纜的施工順序進(jìn)行了最優(yōu)的配置，得到的總線配置方案如下。

表1 總線設(shè)備統(tǒng)計(jì)

奉節(jié)電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線共配置了3塊maxPAC PROFIBUS卡件(以下簡(jiǎn)稱IOP404)，分別命名為Y0CRA0162，Y0CRA0164及Y0CRA0167。

Y0CRA0162接出4條現(xiàn)場(chǎng)總線，命名為A1～A4。A1和A2為PA總線，各帶有12個(gè)變送器。A3和A4為DP總線：A3帶有5個(gè)變送器、2個(gè)蝶閥和2套反滲透閥島，每套反滲透閥島各帶有2個(gè)氣動(dòng)門；A4帶有3個(gè)變送器、1套盤式過(guò)濾器閥島和2套超濾閥島，盤式過(guò)濾器閥島帶有2個(gè)氣動(dòng)門，每套超濾閥島各帶有6個(gè)氣動(dòng)門。圖2為Y0CRA0162卡件的總線配置圖，圖中每臺(tái)設(shè)備下方文字分別表示了該設(shè)備的KKS 編碼、中文描述、具體安裝高程、設(shè)備型號(hào)及總線地址。

Y0CRA0164接出4條現(xiàn)場(chǎng)總線，命名為B1～B4。B1和B2為PA總線，各帶有8個(gè)變送器。B3和B4為DP總線：B3帶有2個(gè)變送器和2套陽(yáng)床閥島，每套陽(yáng)床閥島各帶有10個(gè)氣動(dòng)門；B4帶有2個(gè)變送器和2套陰床閥島，每套陰床閥島各帶有10個(gè)氣動(dòng)門。

Y0CRA0167接出3條現(xiàn)場(chǎng)總線，命名為C1，C3及C4。C1為PA總線，帶有12個(gè)變送器。C3和C4為DP總線：C3帶有4個(gè)變送器和2套混床閥島，每套混床閥島各帶有12個(gè)氣動(dòng)門；C4帶有5個(gè)變送器、1套再生系統(tǒng)閥島和1套中和系統(tǒng)閥島，再生系統(tǒng)閥島帶有8個(gè)氣動(dòng)門，中和系統(tǒng)閥島帶有8個(gè)氣動(dòng)門。

通過(guò)maxDNA自帶的專用軟件即可將現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖及相應(yīng)的配置文件下裝至現(xiàn)場(chǎng)總線卡(FBM)中，并通過(guò)辨認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備上的地址建立網(wǎng)絡(luò)連接，根據(jù)總線設(shè)備廠家提供的設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件(GSD)中讀取的參數(shù)，最終識(shí)別出該設(shè)備，通過(guò)讀取和發(fā)送報(bào)文，從而讀取來(lái)自設(shè)備的信息，并發(fā)送命令至該設(shè)備。

圖2 總線設(shè)備配置圖

2.3 現(xiàn)場(chǎng)總線調(diào)試方法

基于 maxDNA系統(tǒng)的PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線調(diào)試方法如下。

2.3.1 組態(tài)及下裝總線配置文件

maxDNA控制系統(tǒng)自帶專門用于總線組態(tài)的軟件Sycon，根據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)配置圖，可在Sycon軟件中搭建出每條總線的網(wǎng)絡(luò)圖，圖3為Y0CRA0164總線卡上第3條總線的配置圖?？筛鶕?jù)GSD文件對(duì)總線上的設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置，配置內(nèi)容主要包括總線波特率、設(shè)備型號(hào)、設(shè)備通信地址、設(shè)備描述、隸屬的主站、組態(tài)所需Module等參數(shù)，每個(gè)從站都有一個(gè)配置文件，現(xiàn)場(chǎng)總線將根據(jù)設(shè)備所對(duì)應(yīng)的配置文件與就地智能設(shè)備進(jìn)行通信，圖4為#2陽(yáng)床鈉表參數(shù)配置結(jié)果。

圖3 總線網(wǎng)絡(luò)配置

圖4 陽(yáng)床鈉表參數(shù)配置

在Sycon中完成組態(tài)配置文件后，即可通過(guò)maxDNA自帶的軟件PBdownload將該組態(tài)下載至FBM中。當(dāng)卡件上電正常后，PBdownload軟件會(huì)自動(dòng)掃描全部控制器下的全部FBM模件，每個(gè)總線主站都需要單獨(dú)下載，下載后.pb組態(tài)將存儲(chǔ)在FBM模件FLASH中。

2.3.2 功能塊編制

利用maxDNA控制系統(tǒng)自帶的軟件maxDPUTOOLS可進(jìn)行組態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)總線所涉及的功能塊主要有3種：表示maxPAC PROFIBUS卡件的FB功能塊、表示每條現(xiàn)場(chǎng)總線主站的P_PB_MASTER功能塊以及表示每個(gè)從站設(shè)備的功能塊。由于從站設(shè)備的類型較多，無(wú)法編譯適合所有設(shè)備的功能塊，因此不同設(shè)備需要編譯不同的功能塊，如圖5所示。功能塊編譯完，即可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備進(jìn)行組態(tài)，并利用maxDPUTOOLS將組態(tài)下載到控制器中。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)總線投運(yùn)效果

在完成項(xiàng)目前期總線組態(tài)配置及總線功能塊編寫后，即可通過(guò)南自美卓控制系統(tǒng)有限公司自主研發(fā)的總線通信調(diào)試軟件PBTool查看每條總線的通信狀態(tài)，但為了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行及檢修人員操作方便，現(xiàn)使用maxDNA系統(tǒng)自帶的畫面軟件maxVUE編輯PROFIBUS總線通信狀態(tài)畫面，如圖6所示。圖6顯示了Y0CRA0162總線模塊上4條總線的通信狀態(tài)，總線上從站顯示的顏色為粉紅色時(shí)表示通信正常，淺綠色表示通信異常，并且在畫面上單擊各個(gè)從站可以看到從站與主站之間通信狀態(tài)的相關(guān)信息。A1總線上各個(gè)從站的具體參數(shù)，如從站通信狀態(tài)、地址、變送器數(shù)據(jù)、變送器狀態(tài)碼等，可點(diǎn)擊圖6中單個(gè)設(shè)備查看。當(dāng)通信出現(xiàn)異常時(shí)可在畫面上及時(shí)反映出來(lái)，便于現(xiàn)場(chǎng)熱工維護(hù)人員及時(shí)處理問(wèn)題。另外，當(dāng)總線出現(xiàn)通信正常但設(shè)備數(shù)據(jù)異常的情況時(shí)，則可使用 maxDNA系統(tǒng)自帶的LinkSpy 軟件抓包讀取從站與主站間的交換報(bào)文來(lái)排查故障。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)總線功能塊組態(tài)

圖6 總線通信畫面

奉節(jié)電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線自2016年6月17日投運(yùn)至今，系統(tǒng)運(yùn)行一直穩(wěn)定可靠。

3 結(jié)束語(yǔ)

奉節(jié)電廠600 MW 機(jī)組率先在化學(xué)水處理系統(tǒng)運(yùn)用基于maxDNA系統(tǒng)的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，自該系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，不僅能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)控制要求，運(yùn)行安全可靠，而且能夠獲得更全面的設(shè)備信息，提高了化學(xué)水系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，并具有更高的可靠性和可維護(hù)性，從而證實(shí)了該系統(tǒng)在電廠運(yùn)行的可行性，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]侯維巖,費(fèi)敏銳.PROFIBUS協(xié)議分析系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2006.

[2]陳月婷,何芳.PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技 術(shù)及發(fā)展分析[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科 學(xué)版),2007,21(3):226-230.

[3]阮焱林,鄭秋玲,張?jiān)?PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)綜述[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2011(8):39-41,72.

[4]南京國(guó)電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司.maxDNA系統(tǒng)手冊(cè)[Z].

[5]馮冬芹,王酉,謝磊.工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2011.

(本文責(zé)編：劉芳)

2016-12-19；

2017-01-04

TP 273+.5；TM 621.8

A

1674-1951(2017)02-0008-04

劉舟(1987—)，男，江蘇南京人，助理工程師，從事電廠熱控方面的研究(E-mail:13815873248@163.com)。