PROFIBUS现场总线技术在发电厂的应用

PROFIBUS现场总线技术在发电厂的应用

赵伟帅1张燕玲2

1.广东粤电博贺煤电有限公司，广东茂名525000

2.茂名臻能热电有限公司，广东茂名52500

摘要：随着计算机网络的日益成熟和自动化仪表技术的快速发展，工业控制领域的智能型仪表、变送器等在电力生产行业得到了广泛的应用。各个领域都处在数字化转型的重要时期，对于国内各发电企业而言，建设、推行数字化电厂是发展的必由之路。为使控制系统在结构和性能上有较大的提高，因此电力行业引入了现场总线技术。张燕玲

关键词：电力行业现场总线PROFIBUS通讯DCS

1.概述

未来电厂的发展方向应是现代化、全数字化电厂，深化信息技术的应用。建设现代化电厂离不开现场总线技术，随着计算机技术以及通讯技术的发展，数字化已普遍应用于工业生产的过程。20世纪70年代工业控制领域一般采用4-20ma的标准信号进行传输，随着科技的发展以及技术的进步，标准信号传输数据量偏小的问题日益显现。为了解决之一问题，现场总线技术应运而生。现场总线技术主要是通过数字信号与现场设备进行通讯，是一种全数字化网络化的新型控制系统。现场总线技术已经成为火电厂数字化、智能化的基础，以博贺煤电有限公司为例，介绍Profibus现场总线技术在全厂范围内的应用情况，为Profibus现场总线技术在电厂中的推广使用提供参考。

2.总线技术简介

当前国内外电力行业应用较多的现场总线协议有:FF、Profibus、Modbus、HART、Devicenet、ASI以及CAN等。在实际应用中FF、Profibus、HART、ASI总线协议较成熟。其中比较适用于过程控制的现场总线标准是FF和Profibus-DP/PA。除这两种主流现场总线标准外，HART、Devicenet及ASI等现场总线协议在火电厂中不同需求和场合下也有适当的应用。以火电厂Profibus-DP/PA协议现场总线为例，典型的网络结构Profibus-DP总线设备连接方式为串级连接，由于其连接方式会造成一定的信号衰减或通信速度降低，实际上每个总线网段最多可连接124台总线设备。PA总线仪表通PA卡与设备通讯，将数据信息传到DPU，并与主控设备通。DP总线常用于控制电动、气动执行结构或电机等实时性要求较高的设备，总线控制网络通信速率设定为500kbps，传输距离为400m;PA总线一般与变送器、定位器及流量计等连接，为低速总线，传输速率为31.25kbps，最大传输距离2000m，与传统的DCS相比，现场总线在结构、安装和使用中具有较多的优点。

a．信息传输量大，在现场仪表中实现了更多的控制、变量信息的测量和传输，仪表设定值的远程整定以及基于自诊断原则的现场设备预测维护、管理等。

b．节约空间资源，现场智能设备通过现场总线与DCS总线接口相连，不占用I/O模件的点位，使DCS模件柜、继电器柜的数量减少，节约机组电子设备间的面积。

c．安装接线简单，一条总线电缆上通常可挂接多个设备，电缆、槽盒、电缆桥架的用量将减少。当需要增加现场控制设备时，只需就近接入回路，无需增设新电缆。

d．维护方便，智能设备将大量信息送入工程师站和操作员站，及时了解就地设备信息，并在设备发生故障时，快速排查，提高了设备安全性和工作效率。

e．性能提高，智能化的数字设备与传统模拟设备相比，提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统结构简化，设备连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。另外，由于设备的标准化和功能模块化，其还具有设计简单，易于重构等优点。

现场总线技术在火电厂的应用有很多优越性，但是目前的现场总线并不是万能总线，其自身特点和网络结构在应用中也存在着一定的缺陷，要获得更大应用空间还需要突破下列问题:

a.当单DP网络运行时，或PA网络运行时，一条总线上挂接的设备较多，一旦总线断开，或总线卡件故障，挂接在总线上的所有设备将处于“掉线”状态，系统可能产生不可预知的后果。因此在火电厂实时性要求较高的主机重要保护设备应用还需要探索和研究。

b.根据现场总线本安防爆技术的要求，挂接负载供电的关联设备输出电压和电流控制在一个安全的水平上，这个要求将牵制总线系统可挂接负载数的增加。从某种程度上限制了节省电缆的优势。

c.总线网络通信中数据包的传输延迟，且在传输过程中有一定的误码和丢包率，会使控制系统分析与综合情况变得复杂。在全厂范围内的应用还需要克服这些问题，目前现场总线还不能完全取代DCS，使用程度和范围在某种程度上还取决于使用者的决心，应用现场总线的火电厂大都是与DCS共存的使用状态，以发挥两者各自的优势。

3.现场总线技术应用

现场总线技术在电力、石油等行业普遍使用。博贺电厂采用Profibus。Profibus是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线。ISO／OSI模型也是其参考模型，由Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。博贺电厂采用DP和PA两类设备，Profibus-DP网络的通信速率是500KB/s(理论上可以达到12MB/s)，采用RS-485方式传输，适合于高速数据传输，专门用于设备级控制系统与分散式I/O的通信，使用Profibus-DP信号传输。Profibus-PA网络通信速率是31.25KB/s，主要是为了过程控制的特殊要求而设计的，他取代了过程控制中传统的4～20mA标准信号，以模拟量控制为主。通信协议有两种，一种通讯协议为DP-V0，通信方式为循环数据通信，另一种通信协议为DP-V1，通信方式不仅有循环数据通信，而且还有非循环数据通信。网络拓扑结构如下图所示

博贺煤电有限公司一期工程建设规模为2台1000MW燃煤机组。DCS采用HOLLiAS_MACS6.5.3系统。控制系统大量采用分散控制形式，通过就地设置总线控制箱的方式，达到数据采集分散而控制系统集中的目的。总线设备通讯采用DP和PA两种方式，其中DP设备采用冗余/单路通讯配置，PA设备采用树形分支结构，通过和利时系统开发的DP、PA卡实现与系统的信息交换。鉴于汽轮机数字电液控制系统(DEH)、小汽轮机数字电液控制系统(MEH)、汽轮机危机遮断控制系统(ETS)、小汽轮机危机遮断控制系统(METS)、旁路控制系统(BPS)、炉膛安全监视系统(FSSS)、汽轮机轴承监测系统(TSI)、6KV重要辅机等对机组安全运行至关重要，回路处理速度要求高的系统，博贺电厂上述系统仍采用常规控制方式。除上述系统外，博贺电厂其余系统均采用现场总线控制技术。包括主机系统、厂用低压动力段的马达保护装置的启停操作、脱硫脱硝系统、化学补给水系统、除灰除尘系统。总线设备类型有电动门、气动门、压力变送器、料位计、流量计、化学分析仪表、阀岛、马达（保护器）控制器等。

4.Profibus总线技术的应用效果

现场总线技术已经在我厂中得到广泛的应用，应用结果表明：

A.节省初期投资成本

现场总线技术的应用大大节省了安装费用，降低了企业初期投资成本。由于现场总线通讯电缆为专用通讯电缆，内为两芯电缆，数据通过一条电缆传输，所以现场总线系统的接线的方式简单快捷，出错率较低。现场总线设备通常由单路电缆或双路冗余但通讯，所以一条总线电缆可以串接多个设备。这样节省了大量的电缆，桥架槽盒端子等。连接设计与对线工作也有所降低。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有电缆上既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装和材料费用60％以上

B.节省维护开销。

由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备运行情况、诊断维护信息，以便在故障早期分析原因并快速排除，缩短了维护时间。比如，炉侧汽水系统测点均有保温防护箱，箱内温度的高低直接影响设备测量结果，传统模式下只能通过敷设电缆传至卡件上，而采用现场总线控制的变送器可以将其膜盒温度自动上传并显示，同时上位机做出低限报警，一旦温度低于正常值后根据报警便可及时查找原因。

5.结束语

国际上现场总线的标准有20种之多，迄今为止，还没有一种现场总线能覆盖所有的工程应用，各个行业需要根据自身的特点择优选择适用的现场总线标准，根据总线标准的含义和工程实际应用经验，FF现场总线标准和Profibus现场总线标准是电厂控制系统应用较多的总线标准，可在今后电厂建设中采用。现场总线技术代表着数字化火电厂的发展方向，目前在国内外火电厂已经有了一定规模的使用，由于其自身的特点和结构，大多数都应用在重要程度较弱的辅助车间，主机多是与DCS共存的使用状态。为保证机组安全和回路响应速度等，FSSS中涉及锅炉本体保护的部分、DEH中涉及转速、应力和负荷控制的部分、ETS、MEH、METS以及SOE等系统不采用现场总线控制，仍采用常规控制方式。同时应用现场总线设备管理和故障诊断软件，可极大提升电厂的运行和维护管理水平，增加信息量，从而降低运行维护及以后改造、扩建的成本，可连续监测智能设备的健康状况，减少维修人员维护工作量，为预防性维护提供设随着网络技术和控制技术的发展，尤其是简化网络结构，采用高速的以太网协议理念的推出，对突破现场总线应用瓶颈以达到全厂范围内采用现场总线具有现实意义。

参考文献

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