FF与Profibus现场总线在火电厂的应用研究

ＦＦ与Ｐｒｏｆｉｂｕｓ　现场总线在火电厂的应用研究　崔逸群　，颜渝坪　，王春利　，丁　伟　，董　芳　，周　斌。，傅望安　（１Ｉ西安热工研究院有限公司，陕西西安　７１００３２；２．华能玉环电厂，浙江玉环　３１７６０４）　［摘　要］　借助实验室基本的、完整的ＦＦ和Ｐｒｏｆｉｂｕｓ系统，分别对两类现场总线技术进行了以工程应用　为目的的试验、分析和研究，对两类现场总线技术特点厦其在火电厂的适用范围进行了阐述，并对某大型　火电厂的Ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线控制系统的设计、开发、试验进行了总结。　［关键词］现场总线；火电厂；自动控制；ＦＦ；Ｐｒｏｆｉｂｕｓ　［中圈分类号］ＴＫ３２　［文献标识码］Ｂ　［文章编号］１ｏｏ２—３３６４（２００６）０２—００４０一ｏ２　１．３基金会现场总线控制系统试验　ｌ　基金会现场总线ＦＦ（Ｆｏｕｄａｔｉｏｎ　１．３．１现场总线试验系统的组成　Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）的应用研究　为了研究ＦＦ现场总线的工程应用特点和性能，　构建了一套基本的、完整的ＦＣＳ控制系统，包含ｓｍａｒ　１．１基金会现场总线概述　Ｓｙｓｔｅｍ３０２系统（ＦＦ现场总线）的网关桥路控制器　基金会现场总线是针对工业过程重要实时控制应　（ＤＦ１３Ｏ２）、ＦＦ变送器、ＦＦ阀门定位器，上位机、桥路　用而设计的一种现场总线。它包含Ｈ１（３１．２５　ｋｂ／ｓ）　控制器通过ＨｕＢ链入ＨＳＥ。其中，网关桥路控制器　低速总线和ＨＳＥ（Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，１００　Ｍｂ／ｓ）高　既作为ＨＳＥ与Ｈ１间的网关链接设备以及不同Ｈ１　速总线。Ｈ１更多的是从工业过程和ＤＣＳ应用考虑，　支路间的网桥，而且作为系统控制器。ＦＦ现场总线试　为满足现场仪表和简单控制回路的通讯需要而开发。　验系统实际接线见图１。　Ｈ１总线的波特率低，难以满足大系统要求，也不能满　足制造工业快速过程的需要；ＨＳＥ是以太网为基础的　高速现场总线，它与Ｈ１可组成两级通讯网络，实现大　系统的实时控制和信息管理功能。　１．２基金会现场总线特点　基金会现场总线最大特点是在现场仪表和设备中　使用功能块，即在现场直接使用功能块构筑具体控制　系统。所以基金会现场总线不仅仅是信号和通讯标　准，而且是一个系统标准。基金会现场总线功能块和　围１　ＦＦ现场总线试验系统　ＰＬＣ／ＤＣＳ中使用的功能块有一定区别，是一个独立的　应用体系，每个功能块都有多种参数可以组态。　ＨＩ总线挂接设备数量受限于下列４点：（１）供电　限制；（２）运行速度限制。设备运行时间小于２５０　ｍｓ　收疆日期：２００５—１２—３１　终端器维普资讯 http://www.cqvip.com

时，一条ＨＩ总线可挂接４个现场设备；（３）危险级限　制。如Ｈ１总线上的某设备故障或损坏可能造成企业　重大损失，这样的设备只能接１个；（４）总线通讯周　期。　１．３．２　Ｈ１总线的通讯方式　ＨＩ总线的扫描周期分为宏周期和监控周期。一　个宏周期由所谓的背景通讯周期和控制扫描（运算）周　期构成。控制扫描（运算）周期将总线上所有节点的功　能块间的链接通讯完成１次，背景通讯则完成各节点　与操作站的信息交换。若干个宏周期后所有节点与操　作站完成一次信息交换，称为监控周期。宏周期时间　由链接通讯和功能块执行时间及背景通讯周期构成，　一般为几百毫秒，监控周期则需要（１～２）ｓ。背景通讯　周期可以调整。背景通讯周期延长则将使宏周期加　长，但可能使监控周期缩短；因为较少的宏周期就可以　将总线上传到操作站的数据刷新一次。Ｈ１总线速度　较慢，仅适合于慢过程的控制。　１．３．３组态及运行试验　在图１的试验系统中，分别进行了２个试验：　试验１：１号ＨＩ总线上的２台设备构成１个闭环　控制回路，组态４个功能块；　试验２：１号Ｈ１和２号ＨＩ总线上的３台设备、　网桥控制器构成闭环控制回路，组态８个功能块；其中　１号Ｈ１总线的设备中，组态下装了５个功能块，２号　Ｈ１总线的设备中组态下装了２个功能块，在网桥控制　器ＤＦＩ３０２中还组态了１个功能块。试验２组态如图　２所示。图中：数字１表示该功能块下载至挂在１号　Ｈ１总线上的现场设备中；数字２表示该功能块下载至　挂在２号ＨＩ总线上的现场设备中；“桥”表示该功能　块放在网关网桥控制器的ＣＰＵ中；ＡＩ为模拟量输入；　ＬＤＣＯＮＳ为常数设定；∑为加法器；，（　）为函数；ＰＩＤ　为调节器；ＡＯ为模拟量输出。试验结果见表１。　表１闭环试验记录　１．３．４　应用特点分析　在上述试验中，现场过程信息采集和简单闭环控　制系统分散到现场智能仪表和设备中，实现了彻底的　功能分散和风险分散的目的。火电厂控制系统中大约　图２　２条ＨＩ总线设备组成的控制回路　有７３　功能可以分散到现场，这样将大大减轻控制器　的负荷，从而可减少控制器数量，降低控制系统的投　资。试验看出ＨＩ总线的速率较低，为了传输状态、诊　断等非实时信息，总线通讯的宏周期可能大于２５０　ｍｓ。比较试验１和２看出，一条Ｈ１总线上如挂的设　备不变，则控制周期不变，但如功能块组态的数量不　同，则背景通讯周期也不同，会使宏周期变化。因此，　对于动态特性较慢的单回路热工控制对象，可分散到　ＨＩ总线的设备中进行控制。　对于把控制回路的功能分散到多条ＨＩ总线的系　统，其宏周期的计算，是按宏周期最长的ＨＩ总线来计　算控制回路的宏周期。因此，最好能利用一条ＨＩ总　线上的设备完成一个回路的控制，如要用多条ＨＩ总　线设备共同进行一个回路的控制，不仅宏周期增大，而　且需要网桥控制器介入，将会降低功能分散的程度。　２　Ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线（Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｆｉｅｌｄ—　ｂｕｓ）的应用研究　２．１　Ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线概述　Ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线是以ＰＬＣ应用为主、标准化、　全开放的总线，可以将不同厂商但遵循同一协议规范　的仪表、设备连结组成系统。Ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线由以　下３部分组成。　（１）Ｐｒｏｆｉｂｕｓ　ＦＭＳ　ＦＭＳ是一个令牌结构的实　时网络。目前国内实际应用中大多使用１００　Ｍｂ／ｓ的　工业以太网来代替它。　维普资讯 http://www.cqvip.com

（２）Ｐｒｏｆｉｂｕｓ　ＤＰ　ＤＰ用于现场层的高速数据传　送。ＤＰ主要用于制造业自动化中每个控制分站中控　制器与电动执行器及相关分布式Ｉ／Ｏ机架的连接。　ＤＰ的传输速率为１２　Ｍｂ／ｓ，扫描１　０００个Ｉ／Ｏ点的时　间小于１　ｍｓ。传输媒介使用专用的屏蔽双绞线，对于　远距离的传输，可通过光缆和光纤链路模块（ＯＬＭ）构　成冗余环网，使用Ｙ—ＬＩＮＫ耦合器将双路的冗余光　环合二为一，形成现场ＤＰ支路。具有ＤＰ总线智能接　口的设备如分布式Ｉ／Ｏ、电机控制和保护单元、变频器　和超声波液位计等可直接连接到ＤＰ支路上。　（３）Ｐｒｏｆｉｂｕｓ　ＰＡ　ＰＡ总线专为过程自动化设　计，其功能类似于ＦＦ现场总线的Ｈ１低速总线，用于　连接来自不同厂商的过程自动化仪表，如流量变送器、　液位变送器、压力变送器、温度变送器及阀门定位器执　行机构等。ＰＡ总线的传输距离最大为１　９００　ｍ，传输　介质为双绞线，总线供电，并具有本质安全特征。ＰＡ　总线通过ＤＰ／ＰＡ耦合器与上层的ＤＰ总线相连，通过　ＤＰ总线将过程信息向上传输。　２．２　Ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线的循环数据通讯和非循环　数据通讯　Ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线主站间采用令牌通讯，主站和　从站问采用主、从轮询通讯。主、从站通讯分为循环数　据通讯和非循环数据通讯。　（１）循环数据通讯对于主、从站间交换的控制命　令、主要运行状态数据、过程参数等实时数据，在每个通　讯循环周期内保证传送一遍。这些数据通过设备描述　文件（ＧＳＤ文件）或行规描述文件（ＥＤＤ文件）定义，有　的可以在系统组态时选择、定义。循环数据的数量会受　到系统实时性要求、系统设备类型等因素的限制。　（２）非循环数据通讯对于从站的诊断、辅助状态　数据、参数化数据等，采用非周期性的通讯方式，即只　有在主站发出通讯请求时，才进行传送。非循环数据　的通讯请求，需要在主站（ＰＬＣ）开发相应的软件或组　态才能实现，如设备管理软件、组态读／写功能块等。　非循环数据的传输数量一般与从站已开发的参数有　关，对于ＤＰ总线还与通讯协议有关。扩展的ＤＰ协议　（ＤＰＶ１）比标准ＤＰ协议所能提供的非循环数据会成　倍增加。　２．３　Ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线控制系统试验　２．３．１　Ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线试验系统的组成　为了研究Ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线技术在电厂的应用，　国匦　圃　针对某大型火电厂４×１　０００　Ｍｗ机组水处理控制系　统，构建了实验室Ｐｒｏｆｉｂｕｓ试验系统。试验系统包含　了Ｐｒｏｆｉｂｕｓ系统现场应用的主要技术元素。　（１）硬件设备１套完整的西门子Ｓ７—４００Ｈ冗余　ＰＬＣ主控制器；通过交换机式工业以太网连接ＰＬＣ、　上位机（操作员站、工程师站）；为了更加真实的模拟现　场环境和应用技术，通过光纤链路模块（０ＬＭ）和Ｙ—　ＬＩＮＫ耦合器构成的ＤＰ支路及在ＤＰ支路上挂接２　台ＥＴ２００Ｘ分布式Ｉ／Ｏ设备（它连接了气动阀门控制　单元一阀岛）、１台ＭｕｌｔｉＲａｎｇｅｒ超声波液位计和１台　ＳＩＭ０ＣＯＤＥ—ＤＰ（ＰＤＭ）智能电机控制和保护单元；　白现场ＯＬＭ的ＤＰ之后，连接ＤＰ链接器和ＤＰ／ＰＡ　耦合器，形成ＰＡ支路，ＰＡ支路上挂接１台差压变送　器（ＡＢＢ）、１台压力变送器（ＡＢＢ）、１台磁翻板液位计　（上海产）。试验系统如图３所示。　图３　Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线试验配置　（２）软件配置操作员站采用Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００操作　系统（中文），系统组态软件采用西门子ＳＴＥＰ　７，现场　总线仪表管理和诊断软件采用ｓｌＭＡＴＩｃ　ＰＤＭ。　２．３．２信息传输试验　分别对ＤＰ和ＰＡ设备、仪表的性能进行试验。　ＤＰ设备以智能电机控制和保护单元（ｓＩＭＯｃＯＤＥ）为　代表，ＰＡ仪表以差压变送器为代表进行分析。　２．３．２．１　电机控制和保护单元　ＳＩＭＯＣＯＤＥ具有一定的编程功能。其内部提供　了４个真值表、６个触发记忆器、２个记时器、２个计数　维普资讯 http://www.cqvip.com

器，允许用户对其编程。ＳＩＭＯＣＯＤＥ不仅能够完成启　动／停止、自保持等简单功能，就地的基本保护控制也　可以在其中完成。ＳＩＭ０Ｃ０ＤＥ还具有过载、软启动、　多种启动曲线等保护、报警、跳闸功能，允许用户选择　组态。ＳＩＭＯＣＯＤＥ作为ＤＰ网络上的从站，循环数据　通讯：ＤＰ主站指令４字节（Ｂｙｔｅ），反馈至ＤＰ主站（４　～１２）个字节；非循环数据通讯：标准ＤＰ协议２０字　节，ＤＰＶ１扩展协议２１３字节。　（１）循环通讯数据试验试验中定义１２个字节　反馈信息。其中固定信息包括正转、反转、停止、自动／　手动、过载报警、电气报警、电气故障等状态。允许用　户定义的部分有：断路器保护跳闸、断路器异常失电、　母线电压低。这３个自定义信号作为保护跳闸条件，　在ＳＩＭＯＣＯＤＥ中编程，实现就地保护跳闸功能。试　验中读取的模拟量信息：电机电流、电机累计启动次　数、计数器１值、计数器２值、传感器值（电机线圈热电　阻）。试验中定义了１字节ＤＰ主站指令，实现对电机　的控制。对循环数据通讯，组态ＰＬＣ映射地址，实现　了对ＳＩＭＯＣＯＤＥ进行周期性的循环读写、查询。　（２）非循环通讯数据试验标准ＤＰ协议共２Ｏ字　节。包含的状态信息有接地报警／跳闸、过载报警／跳　闸、热电阻超温报警／跳闸、三相不对称且过载报警／跳　闸、电机堵转跳闸、ＰＬＣ、ＣＰＵ故障等；模拟量信息包　括最近一次过载跳闸电流、过载跳闸累计次数、电机运　行小时数。通过ＰＬＣ编程和设定条件，非周期性地读　取这些数据到缓存区中，供诊断、管理和参数调整使　用。　利用上述数据，设计了中文界面的电机操作和诊　断功能（图４）。其中状态和诊断信息包含了上述循环　和非循环通讯的数据。显示分为运行状态部分、报警　状态部分和跳闸故障状态部分等三个区域。　２．３．２．２差压变送器（ＰＡ仪表）　差压变送器的循环数据通讯可使用１０字节，分为　２组，代表变送器测量的２个物理量及其状态。第１　组５字节是流量或差压测量值（浮点数）及其状态，第　２组５字节为差压或温度测量值及其状态。状态字节　共８位分３段，分别表示测量值质量好、坏或值不确定　３种状态，在每种状态中还细分为多个子状态。根据　变送器的循环数据通讯，设计了中文界面的状态、诊断　信息窗（图５）。“质量好”的子状态包括正常、高１／高　２报警、低１／低２报警、事件更新；“质量坏”子状态包　括设置错误、设备故障；“值不确定”子状态包括超出设　定值范围、设备重启为更新、手动模拟状态、补偿传感　废水贮存池搅拌机１　００ＧＮＣ２０ＡＮ００１　就地状态远方状态　启动次数　９ｌ　电流　６．４Ａ　运行状态　热阻值０　过载跳闸次数０　耒次过载电流０　运行小时数ｌＯ　电气报警　已发生过载　过载报警　不对称报警　电气故障　过载跳闸　热阻跳闸　电机堵转跳闸　低电压跳闸　不对称且过载跳闸　断路器保护跳闸　接触器异常失电　母线电雁低　幽审Ｉ退出１　０　制就埘　圈４电机操作和诊断画面　沽水排放泵出口流量　Ｏ　ＮＬ３ＣＣＦ５Ｏｌ　流量０．３ｄｈ　仪表温度　２３．４℃　正常　事件更新　高１高２　低Ｉ低２　设置错误　设备故障　测量值未更新　超出设定量程范围　设备重启后未更新　变送器处于手动状态　补偿传感器失灵　图５变送器状态、诊断画面　器失灵等。　ＰＡ仪表的非循环数据读写比较复杂，需要使用　专用软件，如西门子的设备管理软件ＰＤＭ。磁翻板液　位变送器的循环数据通讯为５字节，是１个浮点数测　量值和一个８位的状态字节。状态字节的定义与差压　变送器类似。　２．３．３　工程应用特点　通过上述试验确定了Ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线实际应用　较为切实的方案。　系统结构：以冗余ＤＰ光环连接主站（ＰＬＣ）与各　ＤＰ支路链路器从站作为系统主控通讯网（可达１２　Ｍｂ／ｓ），ＤＰ支路链路器分布在现场，它发出ＤＰ支路　（１８７．２　ｋｂ／ｓ＇－￣１．５　Ｍｂ／ｓ）连接ＤＰ现场仪表、设备和　ＰＡ仪表，形成设备级通讯网。ＰＬＣ与操作员站、工程　师站以工业以太网（１００　Ｍｂ／ｓ）作为车间监控通讯网。　ｌ热力发电・２ｏｏ６（ｏｚ）ｌ　０　维普资讯 http://www.cqvip.com

系统功能实现和软件：传统功能如控制、数据采集　等主要在ＰＬＣ中实现。利用Ｐｒｏｆｉｂｕｓ的循环数据通　讯以及部分非循环数据通讯开发中文界面的仪表、设　备诊断以及远程参数化功能。利用设备管理软件　通过对ＦＦ和Ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线进行以工程应用　３　结　语　ＰＤＭ对ＰＡ仪表和ＳＩＭ０Ｃ０ＤＥ实现远程参数整定和　编程。　系统设计和安装：大大减少了电缆设计、敷设和接　为目的的试验研究，构建了针对某大型火电厂水处理　控制系统的ＦＣＳ试验系统，可以直接应用于工程实　践。现场总线可使电厂控制系统实现高度信息化和智　能化，总体节省（设计、设备、材料、布线、施工、维护等）　线安装。如１台电机控制在传统的ＤＣＳ设计中有６　个开关量和１个模拟量，需要７条电缆；采用ＳＩＭｏ—　贯穿系统的寿命全周期，且系统规模越大，其优越性更　ＣＩＤＥ—ＤＰ后，每一条ＤＰ支路上至少可以挂１Ｏ台电　加明显。　机控制和保护单元，布线数量是传统ＤＣＳ布线的　１／７０。以一个电磁阀箱有２个双电控、６个单电控的　［参　考　文　献］　电磁阀计算，传统ＰＬＣ设计需要１ｏ个ＤＯ、１６个ＤＩ　［１］周明．现场总线控制［Ｍ］．北京：电力工业出版社，２００２．　信号；采用ＤＰ远程Ｉ／ｏ和阀岛后，一条ＤＰ支路按挂　［２］斯可克，王尊华，伍锦荣．基金会现场总线功能块原理及　４个电磁阀箱计（实际可挂８～１Ｏ个），则布线数量只　应用［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００３．　有传统ＰＬＣ设计的１／ｌＯ４。布线的大幅减少使设计、　［３］　周明．火电厂自动化与现场总线控制系统［Ｒ］．第七届全　现场安装、调试的工作量大大减轻。　国热工自动化专业学术年会论文集，２００３．　（上接第３９页）　用于引进的国外垃圾焚烧炉控制，为国产ＤＣＳ在垃圾　的，热值也不一样，不能实现对每吨垃圾的热值进行估　焚烧发电中的应用积累了宝贵经验。　算，所以在实际运行过程中采用３　ｈ的垃圾累积量来　估算。同时，为了实现给料均匀，给料机的控制采用不　［参　考　文　献］　完全自动顺控，当推入料多时，可以人为干预停下个别　［１］　曾卫东，姜茵．垃圾焚烧发电分散控制系统的设计和应　给料机。另外，个别给料机还有卡塞现象，造成给料机　用［Ｊ］．热力发电，２００３，（８）．　工作不同步，要从工艺上改造才能解决这一问题。　［２］ＥＣＳ一１００分散控制系统说明书及技术资料［ｚ］．浙江中　在省煤器出口烟温控制过程中，当２个调节阀门　控技术有限公司，２００３．　动作时会影响到给水流量的变化，造成汽包水位大幅　［３］Ｆａｎｇｍａｒｋ，Ｂ．ｖａｎ　Ｂａｖｅｌ，Ｓ．Ｍａｒｋｌｕｎｄ，Ｂ．Ｓｔｒｏｍｂｅｒｇ，　Ｎ．Ｂｅｒｇｅ，Ｃ．Ｒａｐｐｅ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　度波动。要对给水支管进行改造，使调节阀对管道阻　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｌｙｃｈｌｏｒｉｎａｔｅｄ　ｄｉｂｅｎｚｏ—Ｐ—ｄｉｏｘｉｎｓ。　力的影响降到最低。　ｄｉｂｅｎｚｏｆｕｒａｎｓ，ｂｅｎｚｅｎｅｓ，ｂｉｐｈｅｎｙｌｓ　ａｎｄ　ｐｏｌｙａｒｏｍａｔｉｃ　ｈｙ—　ｄｒｏｅａｒｂｏｎｓ　ｉｎ　ａ　ｐｉｌｏｔ　ｉｎｃｉｎｅｒａｔｏｒ［Ｊ］．Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ　４　结　语　ｎｏｌ，１９９３，２７：１６０２—１６１Ｏ．　［４］　ＭｃＫａｙ，Ｇｏｒｄｏｎ．Ｄｉｏ￣ｉｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｓ，ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　垃圾焚烧炉采用ＤＣＳ控制为垃圾发电厂的安全　ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　ｓｏｌｉｄ　ｗａｓｔｅ（ＭＳＷ）ｉｎｅｉｎ—　稳定运行提供可靠的保证，国产ＤＣＳ用于垃圾焚烧炉　ｅｒａｔｉｏｎ：ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ，２００２，　控制的应用实例很少，重庆同兴垃圾电站将国产ＤＣＳ　８６（３）：３４３—３６８．