Profibus總線技術(shù)在智能燃料集中管控系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊華鑫，劉 剛，駱 杰，高 飛

（1.貴州黔西發(fā)電廠，貴州 黔西 551514；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240）

0 引言

為改善燃料管理效能，提高入廠驗收作業(yè)效率，消除人為干擾因素，近年來越來越多電廠綜合運用泛在感知、自動控制、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)等構(gòu)建燃料集中管控系統(tǒng)[1]，通過網(wǎng)絡(luò)通信或總線技術(shù)與現(xiàn)場層設(shè)備進(jìn)行連接，實現(xiàn)燃煤接卸輸送和摻配、儲存、計量、質(zhì)量檢測、樣品管理等作業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)視、自動控制與反饋、自動診斷與報警、自動采集與數(shù)據(jù)管理等功能。

Profibus總線技術(shù)是國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的Type3部分，是一種高速低成本通訊網(wǎng)絡(luò)，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通訊，廣泛應(yīng)用于各行業(yè)工業(yè)控制[2]。

受限于缺乏統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計和不同設(shè)備廠商的控制系統(tǒng)的技術(shù)水平，目前國內(nèi)的燃料管控系統(tǒng)幾乎沒有單獨設(shè)置主控單元而是借助服務(wù)器以終端服務(wù)方式對現(xiàn)場設(shè)備實施調(diào)度控制，采制化流水控制實質(zhì)上由設(shè)備自帶控制系統(tǒng)完成，容易形成一個個分散獨立的控制孤島，給管控系統(tǒng)接口對接、數(shù)據(jù)的實時獲取、后期運維造成極大的障礙。結(jié)合筆者所在電廠的燃料智能檢測項目和Profibus總線技術(shù)特點，探索基于燃料集中管控系統(tǒng)的Profibus總線應(yīng)用技術(shù)。

1 Profibus總體設(shè)計原則

參照機(jī)組DCS集中控制的理念，在管控中心部署燃料集中管控系統(tǒng)，同時按照多分散、小集中的原則在各設(shè)備附近設(shè)置IO控制站就近接入控制信號，在保留部分常規(guī)硬接線接入外，充分運用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)，減少現(xiàn)場布線，提高控制精度，獲取豐富狀態(tài)信息，提升燃料智能檢測設(shè)備故障診斷和預(yù)測性維護(hù)能力。

電廠的燃料智能檢測系統(tǒng)共有IO點數(shù)約為1500點，分別在采樣鋼結(jié)構(gòu)平臺及新建采制化樓管控中心機(jī)房設(shè)置兩對西門子S7-1500H冗余主控單元，同時在自動化驗工作室、動力風(fēng)機(jī)室、采樣控制室等區(qū)域設(shè)置5個現(xiàn)場IO總線單元，將樣桶封裝與轉(zhuǎn)運、樣品氣動輸送、機(jī)器人制樣設(shè)備、機(jī)器人化驗工作站等設(shè)備信號，通過現(xiàn)場總線技術(shù)就近接入燃煤集中管控系統(tǒng)，圖1為燃料集中管控系統(tǒng)Profibus現(xiàn)場總線構(gòu)架。

圖1 燃料集中管控系統(tǒng)Profibus現(xiàn)場總線構(gòu)架Fig.1 Profibus field bus architecture of the fuel centralized management and control system

2 Profibus總線規(guī)劃設(shè)計

2.1 總線接入規(guī)劃

Profibus總線接入規(guī)劃關(guān)鍵思路是應(yīng)根據(jù)不同類型的采制智能設(shè)備的技術(shù)特點采取針對性的接入方案，最大程度提高總線接入設(shè)備的覆蓋范圍，壓縮常規(guī)電纜的用量，提升系統(tǒng)集成度。

1）對于采制現(xiàn)場諸如縮分器皮帶機(jī)、斗提機(jī)、采樣頭、縮分裝置等數(shù)量眾多的馬達(dá)類設(shè)備，建議配置具有DP總線接口的驅(qū)動變頻器或馬達(dá)保護(hù)器直接接入到Profibus總線中。

2）在大量RFID使用場景的煤樣封裝和流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，優(yōu)先選用支持Profibus-DP接口高速讀寫組件，以直接接入方式集成到主控單元的Profibus總線網(wǎng)絡(luò)，以提高讀寫效率和準(zhǔn)確性。對于只能提供Modbus、Modbus Tcp/ip或其他接口的RFID終端，則以網(wǎng)關(guān)接入到總線網(wǎng)絡(luò)。

3）樣品封裝機(jī)、智能存查樣柜、全自動制樣、化驗工作站內(nèi)的伺服機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械臂等智能組件以CAN open總線接口為主，目前電廠主流集中管控系統(tǒng)都不具備直接接入的能力，需在現(xiàn)場完成CAN open區(qū)域組網(wǎng)后，通過PB-B-CAN open總線橋接入到Profibus總線中。

4）對于具有低速RS485接口的汽車識別系統(tǒng)中的RFID識別、語音播報、LED電子屏幕、攔車器等設(shè)備，通過DP/ RS485耦合器或RS485/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)接入DP總線。

5）部分由設(shè)備廠家配套控制柜的輔助工藝設(shè)備如空壓機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)、化驗室廢氣排放裝置等大多選用的常規(guī)的PLC控制，一般都沒有Profibus通訊接口，無法直接接入到總線網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)在相應(yīng)的設(shè)備控制柜內(nèi)設(shè)置現(xiàn)場總線IO模塊，通過短距離過渡的電纜（5m內(nèi)）接到總線IO模塊，繼而接入Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)段。

2.2 總線冗余及可靠性設(shè)計

燃料集中管控系統(tǒng)的控制器、總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通訊介質(zhì)等關(guān)鍵部件應(yīng)冗余配置[3]，任何網(wǎng)絡(luò)組件發(fā)生故障時，冗余的部件應(yīng)能在系統(tǒng)控制器典型掃描周期內(nèi)監(jiān)測到并能無擾接管故障部件的功能，避免對控制器與網(wǎng)段上其它設(shè)備之間的通訊造成影響，同時提供在線診斷和故障定位信息，維持燃料集中管控系統(tǒng)正常運行。

1）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)、DP通訊接口包括Master主站模塊、Slave從站模塊、網(wǎng)關(guān)設(shè)備（如Y-LINK、DP/PA耦合器、PB-B-CAN網(wǎng)關(guān)等）、鏈路設(shè)備（如DP光電轉(zhuǎn)換器、中繼器、終端電阻等）都應(yīng)冗余配置或具備兩個獨立的通訊端口。

2）Profibus-DP的1類主站均應(yīng)配置為系統(tǒng)冗余（SR）的工作模式，主備DP端口具有相同的邏輯總線地址并能相互監(jiān)視對方端口的工作狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 Profibus-DP SR冗余原理圖Fig.2 Profibus-DP SR redundancy schematic diagram

3）只有單一DP接口或不具備DP接口的從站設(shè)備（伺服機(jī)構(gòu)、第三方控制器、現(xiàn)場IO模塊等）應(yīng)采用Y-LINK、DP交換機(jī)（DPS）或CAN網(wǎng)關(guān)等組件耦合接入到DP總線冗余控制單元。

4）燃料集中管控系統(tǒng)的所有DP組件和平臺軟件應(yīng)能對總線工作狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)故障檢測，在線提供網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、斷線、短路、非法級聯(lián)、令牌輪轉(zhuǎn)時間TTR、站延遲時間TSDR等診斷信息。在出現(xiàn)故障時，診斷信息應(yīng)能明確標(biāo)識出故障組件和網(wǎng)絡(luò)定位。

2.3 總線網(wǎng)段規(guī)劃設(shè)計

Profibus總線采用RS485令牌環(huán)網(wǎng)技術(shù)，支持菊花型、星型、環(huán)型、混合型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)段的劃分就是結(jié)合采制化設(shè)備的安裝位置、工藝關(guān)系、維護(hù)便利與否，并按照EN 50170、GB/T20540等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將總線合理劃分成若干個網(wǎng)段，確定網(wǎng)段的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)段主控單元及其級聯(lián)分控單元的數(shù)量，分控單元下每條總線網(wǎng)絡(luò)上連接DP站點的數(shù)量，尋求組網(wǎng)成本和性能的均衡點。其核心是要保證網(wǎng)絡(luò)的基本性能，從而保障設(shè)備的長期安全可靠運行。

1）工藝上并列運行或冗余設(shè)置的設(shè)備，其總線接入裝置應(yīng)連接到不同的網(wǎng)段上，在單個網(wǎng)段故障時不會造成整個采制化作業(yè)全線停運。電廠的燃料智能檢測系統(tǒng)的采樣前端共有6臺汽車采樣機(jī)，按照此原則設(shè)計了3個獨立網(wǎng)段，將6套樣桶封裝機(jī)、3套樣桶滾筒輸送機(jī)、3套樣桶提升機(jī)接入到不同的網(wǎng)段上。

2） 同一控制回路中或存在控制邏輯關(guān)聯(lián)的設(shè)備或儀表原則上分配在同一個總線網(wǎng)段上，避免跨網(wǎng)段通訊造成數(shù)據(jù)延時，影響控制實時性和聯(lián)鎖保護(hù)的可靠性。通常而言，單臺采樣機(jī)的縮分裝置、樣桶封裝、樣桶滾筒輸送、樣桶提升等設(shè)備，需接入到同一總線網(wǎng)段上。

3）采用銅質(zhì)雙絞線作為通訊介質(zhì)的網(wǎng)段中的各機(jī)電設(shè)備節(jié)點，應(yīng)采用菊花鏈型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電氣抽屜柜內(nèi)的馬達(dá)保護(hù)器、綜合保護(hù)裝置可采用端子T型連接方式，但網(wǎng)段內(nèi)T型分支線總長度不能長于20m（500 kBit/s的典型速率下），避免T型分支阻抗的變化對網(wǎng)段整體阻抗特性產(chǎn)生偏移。超過限定距離或強(qiáng)電磁干擾場合下，應(yīng)采用光纖環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，DP光纖轉(zhuǎn)換器應(yīng)支持快速恢復(fù)功能，環(huán)路中斷后，自愈時間不高于50ms。

4）根據(jù)采制化現(xiàn)場總線設(shè)備的工藝控制要求、安裝位置、電磁環(huán)境，確定單個網(wǎng)段下掛DP從站的數(shù)量。在不通過RS485中繼器擴(kuò)展情況下，原則上單個網(wǎng)段不得超過Profibus標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大數(shù)量的50%，其中化驗區(qū)域單網(wǎng)段最大可接入16個從站設(shè)備，自動制樣區(qū)域單網(wǎng)段、采樣前端單網(wǎng)段最大可接入12個從站設(shè)備。

5）PROFIBUS網(wǎng)段主站模塊的通訊速率設(shè)定值應(yīng)滿足表1中 RS485速率限制，工程實踐表明燃料集中控制燃料的總線傳輸速率設(shè)定為500kbps即可滿足要求。

表1 波特率與網(wǎng)段電纜總長度的對照表Table 1 Comparison table of baud rate and total length of network segment cable

6）每個現(xiàn)場總線網(wǎng)段應(yīng)合理配置網(wǎng)絡(luò)正常工作必須的終端器，Profibus網(wǎng)段的末端設(shè)備應(yīng)配置有源終端器，確保網(wǎng)段上的設(shè)備在線熱插拔時不影響網(wǎng)絡(luò)的正常運行，有源終端器應(yīng)裝設(shè)在現(xiàn)場總線就地機(jī)柜內(nèi)。

2.4 Profibus抗干擾設(shè)計

受電廠燃煤接卸及質(zhì)量檢測作業(yè)現(xiàn)場條件限制，電纜通道無法嚴(yán)格按照電壓等級分開設(shè)置。一方面，Profibus總線電纜往往和動力電纜或控制電纜混合走線，存在較大的空間電容耦合干擾；另一方面，智能檢測裝置多為機(jī)電一體化設(shè)備，廣泛采用變頻器、IGBT、控制變壓器等電氣元器件，在啟動和運行期間產(chǎn)生大量的高頻諧波、尖峰脈沖和浪涌電壓，并通過空間輻射疊加到總線數(shù)字信號中，容易造成通訊波形畸變，影響通訊穩(wěn)定性，嚴(yán)重時導(dǎo)致通訊中斷，因此必須進(jìn)行針對性的抗干擾措施。

1）在采樣封裝、自動制樣、電氣MCC室等電磁環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，建議選用光纜作為Profibus總線傳輸介質(zhì)，跨建筑傳輸時必須采用光纜，并配置赫斯曼OZD或西門子的OLM光纖收發(fā)器。光纜傳輸系統(tǒng)具有良好抗EMC兼容性能，可有效解決各種類型的電磁干擾，維持傳輸速率和抗干擾的平衡性。

2）嚴(yán)格按照DLT 1556-2016《火力發(fā)電廠 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)規(guī)程要求》進(jìn)行Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的多點等電位接地設(shè)計，等電位點應(yīng)位于各總線終端設(shè)備的機(jī)柜內(nèi)，材質(zhì)選用30×3銅排或鍍鋅扁鐵，Profibus總線設(shè)備的接地端、電纜金屬槽盒、穿線管、電纜支吊架、電纜屏蔽層等都需要與等電位系統(tǒng)直接連接，各總線節(jié)點間等電位間宜采用截面積不少于6 mm2多股銅芯電纜連接。

3）Profibus總線電纜橋架必須選用封閉金屬槽盒，應(yīng)單獨走向或敷設(shè)在多層電纜橋架的最上層。在制樣間、煤質(zhì)化驗室等局部區(qū)域，受空間限制，可以與動力電纜和控制電纜短距離共用槽盒，但之間必須用金屬隔板隔開。電纜溝中或機(jī)柜內(nèi)部的電纜走向設(shè)計應(yīng)避免與動力電纜長距離平行布線，在不可避免需要平行敷設(shè)時，其間距不應(yīng)小于20cm，避免容性耦合干擾。

4）選用符合EN50170標(biāo)準(zhǔn)的A類屏蔽雙絞Profibus專用電纜，其阻抗在135Ω和165Ω之間，電容小于30pF/m，電阻不大于110Ω/Km。在燃料集中管控1500Kbit/s高速數(shù)據(jù)交換應(yīng)用場景下，其平衡傳輸能力可達(dá)200m。

5）Profibus總線網(wǎng)段內(nèi)的各個總線節(jié)點應(yīng)設(shè)計有源終端電阻，維持網(wǎng)段分支線纜與干線間的阻抗匹配性，保證良好傳輸質(zhì)量。終端電阻需設(shè)置在自動制樣系統(tǒng)、化驗工作站、樣瓶灌裝、氣送輸送等設(shè)備的控制柜內(nèi)，并應(yīng)采用單路DC24V供電，避免網(wǎng)段內(nèi)設(shè)備控制柜斷電，造成阻抗匹配功能失效。

圖3 模塊虛擬槽位圖Fig.3 Module virtual slot map

圖4 映射字節(jié)狀態(tài)圖Fig.4 Mapping byte state diagram

2.5 Profibus總線控制單元選型設(shè)計

目前，電廠中廣泛應(yīng)用的艾默生OVATION DCS、和利時Hollias-MACS、西門子SIMATIC S7 PLC等自動化系統(tǒng)，都能提供完備的主站、從站模塊和相關(guān)的總線控制單元。特別是西門子S7-1500系列PLC在此基礎(chǔ)上，集成了運動控制模塊、RFID模塊、CAN模塊，非常適合智能采制化設(shè)備中的伺服電機(jī)、編碼器、掃碼槍、射頻識別等組件的全總線無縫接入，大大降低系統(tǒng)集成的技術(shù)難度。在CAN open協(xié)議設(shè)備接入Profibus總線方面[4]，鼎實公司的PB-B-CANopen總線橋支持24條CAN指令并發(fā)，實現(xiàn)對多個CAN設(shè)備狀態(tài)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控?？偩€I/O模塊要求能在燃料采制現(xiàn)場強(qiáng)電磁、高粉塵、溫濕度大的惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，設(shè)備現(xiàn)場安裝時防護(hù)等級不低于IP67，控制柜內(nèi)安裝時防護(hù)等級不低于IP20。

表2 映射字節(jié)狀態(tài)位說明Table 2 Mapping byte status bit description

圖5 模塊診斷字節(jié)說明Fig.5 Module diagnosis byte description

圖6 網(wǎng)段的診斷狀態(tài)畫面Fig.6 Diagnosis status screen of network segment

3 總線故障診斷程序設(shè)計與實現(xiàn)

由上可知，燃料集中管控的Profibus總線系統(tǒng)具有網(wǎng)段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、節(jié)點接入方式多樣、運行環(huán)境惡劣等特點，運行中不可避免出現(xiàn)故障。在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)在對診斷數(shù)據(jù)深入研究的基礎(chǔ)上，基于管控平臺運用總線廠商提供的DPV1非周期性診斷功能塊開發(fā)總線診斷功能子模塊，并在燃料管控中心以圖形化顯示底層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮\斷信息，提升系統(tǒng)自診斷能力[5]。以電廠的燃料集中管控S7-1500H總線系統(tǒng)為例，介紹如何開發(fā)非周期性循環(huán)程序，實施對圖3中DP/DP耦合裝置（Y-LINK）及下掛的#3地址的ET200 ECO模塊的診斷。

1） 按照分層級設(shè)計的要求，首先利用支持DPV1的STEP7系統(tǒng)功能塊SFC59“RD_REC”對Y-LINK進(jìn)行診斷評估，總覽節(jié)點失效或故障信息，其下掛的ET200 ECO模塊發(fā)生故障時都觸發(fā)診斷中斷并置位Y-LINK診斷數(shù)據(jù)表的對應(yīng)字節(jié)。根據(jù)西門子Y-LINK診斷文檔，此模塊虛擬成Y-LINK下的#1和#2插槽，插槽診斷總覽信息映射到Y(jié)-LINK診斷字節(jié)7的bit0和bit1，相關(guān)的槽位、映射字節(jié)和狀態(tài)位見圖3、圖4和表2。

2）根據(jù)上述的診斷總覽運用STEP7系統(tǒng)功能塊SFC13“DP NRM_DG”讀取從站診斷數(shù)據(jù)，根據(jù)圖5所示的診斷狀態(tài)字確定故障從站的詳細(xì)診斷信息（插槽或模塊編號、模塊狀態(tài)、通道編號、通道故障等取決于具體的模塊）。

3）把上述診斷結(jié)果在預(yù)設(shè)的畫面或表格中呈現(xiàn)，并通過報警提醒運行人員關(guān)注，圖6為工作站上DP總線節(jié)點診斷畫面局部截圖。

4 結(jié)語

基于燃料集中管控系統(tǒng)的Profibus總線應(yīng)用技術(shù)探索了不同類型采制設(shè)備的總線接入、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與規(guī)劃、從站設(shè)備故障診斷與分析等關(guān)鍵問題，該技術(shù)的應(yīng)用可增強(qiáng)燃料集中管控系統(tǒng)延展性和靈活性，提升管控平臺的自動化水平，支撐燃料智能檢測系統(tǒng)深度融入智能電廠的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)，同時節(jié)約了大量常規(guī)電纜、穿線管、電纜橋架使用量及安裝成本。此外，結(jié)合總線設(shè)備提供的大量附加信息，可進(jìn)一步實現(xiàn)采制化智能設(shè)備狀態(tài)檢修、巡檢管理、預(yù)測維護(hù)等功能。