現場總線技術PROFIBUS在電廠的應用
安裝在制造或過程區域的現場設備與控制室內的自控裝置之間的數字式、串行和多點通信的數據總線稱為現場總線。由于現場總線技術的出現，推動了現場智能設備和智能儀表的發展，促進了傳統DCS 系統和PLC 系統的融合，并推動了FCS（以現場設備為基礎形成的網絡集成式全分布控制系統）的出現、發展和廣泛應用。
自現場總線概念提出以來，全球各大知名自控和儀表公司開發了數十種現場總線，目前在全球范圍內被廣泛認可的現場總線系統包括：PROFIBUS、FF、ControlNet、PROFINET、PNET等十大總線系統。
隨著電力改革的深入，實行廠網分開、競價上網的政策，各電廠為降低運行成本、減少設備檢修維護成本、縮短維護周期、實行狀態檢修，就需要對設備狀態進行監視，并將各工藝段自動化系統整和在一起。現場總線系統的出現，徹底解決了自動化孤島問題，使電廠基于設備狀態的檢修成為可能。
PROFIBUS 現場總線系統介紹
PROFIBUS 是目前國際上通用的現場總線標準之一，以其獨特的技術特點、嚴格的認證規范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發展的應用行規，已成為最重要的和應用最廣泛的現場總線標準。
PROFIBUS 現場總線通訊協議包括三個主要部分：
• PROFIBUS DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應用于自動化系統中單元級和現場級通信。
• PROFIBUS PA：電源和通信數據通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統中單元級和現場級通訊。
• PROFIBUS FMS：定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動化系統中系統級和車間級的過程數據交換
采用PROFIBUS 現場總線的自動化系統結構：
從圖中可以看出，采用PROFIBUS 現場總線的控制系統可以分成現場控制層、監控層和企業管理層三層。
現場控制層
現場控制層由現場智能設備、現場智能儀表、遠程I/O 和網絡設備構成。現場控制涉及PROFIBUS 協議PROFIBUS-DP 和PROFIBUS-PA 兩個部分。
PROFIBUS-DP 是高速網絡，通訊速率達到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠程I/O、執行機構、智能馬達控制器、人機界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設備， 一條PROFIBUS-DP 總線可以最多連接123 個從站設備。PROFIBUS-DP 的拓撲結構可以是總線型、星型和樹型，通訊介質可以是屏蔽雙絞線、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線時，不加中繼器最遠通訊距離可達1.2 公里，最多可以采用9 個中繼器，最遠通訊距離可達9 公里。采用光纖時，最遠通訊距離可達100 公里以上，其中采用多膜光纖，兩點間最遠距離可達3 公
里，采用單膜光纖時，兩點間最遠距離可達3 公里。
PROFIBUS-PA 是低速現場級網絡，通訊速率為31.25kb/s，支持點對點連接、總線型、混合型、樹型拓撲結構。PROFIBUS-PA 主要用于連接現場智能儀表，如壓力、溫度、液位、流量等變送器及其執行機構等。可以采用屏蔽雙絞線電纜，也可采用非屏蔽雙絞線電纜，可通過總線供電。
監控層
監控層由高速工業以太網以及連接在總線上的擔任監控作務的工作站或顯示操作站、工程師站、PLC/DCS 控制器組成。隨著網絡技術的不斷發展，工業以太網的通訊速率也在不斷提高，目前工業級的千兆以太網已經在工業自動化領域大量應用。
企業管理層
企業管理層由各種服務器和客戶機組成，主要由SIS、MIS 和ERP 系統構成。其主要目的是在分布式網絡環境下，將電廠各工藝段（例如DCS 系統、輔機程控系統等）的數據和信息（如過程數據、報警信息和設備狀態等）進行匯總，從而集成企業的各種信息，實現與Internet 的連接，完成管理、決策和商務應用的各種功能。通過管理層，公司和集團領導可以實時監控現場設備，并通過授權還可以對各系統進行組態。
PROFIBUS 現場總線系統的優點
開放性
PROFIBUS 是一個完全開放的、與制造商無關的、無知識產權保護的現場總線標準，全球有超過250 家公司可以生產超過2000 種支持PROFIBUS 的系統和設備。PROFIBUS 的開放性保證了不同制造廠商的產品的互連，例如西門子公司的DCS 或PLC 可以通過PROFIBUS 連接第三方的遠程I/O、智能設備和儀表，這些連接只需要產品制造商提供相應的GSD 文件或EDD 文件，然后進行簡單組態即可實現。目前國際知名的自動化系統制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON 等和知名的儀表制造商如：SIEMENS、EMERSON 等都可以提供豐富的支持PROFIBUS 的產品。在電力行業知名的DCS 制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON、FOXBORO 等都支持PROFIBUS 現場總線，知名的PLC 品牌如：SIEMENS、MODICON、AB 也都可以支持PROFIBUS 總線。
可靠性
PROFIBUS 現場總線已安裝運行節點數超過1000 萬個，大大高于其它現場總線系統。PROFIBUS 是IEC61158 的重要組成部分，并于2001 年成為中國的行業標準JB/T 10308.3-2001。PROFIBUS 的可靠性表現在以下幾個方面：
• PROFIBUS 總線上的數據傳輸是完全基于數字信號實現的，這樣可以大幅提高信號傳輸過程中的抗干擾能力。
• 采用PROFIBUS 總線直接連接現場智能設備，可以減少大量接線點，減少了由于接線不牢或接線不規范引起的故障。
• PROFIBUS 連接智能設備，減少了A/D 轉換的環節，提高了自動化系統的采集精度，為精確控制提供保障。
• PROFIBUS 上各設備的連接非常簡單，并可以通過專用剝線工具和PROFIBUS 接頭，減少接線風險；同時PROFIBUS 接頭可以保證總線上任何一個節點故障不影響系統通訊。
• 支持冗余總線系統，提高系統可靠性。
靈活擴展
采用PROFIBUS 總線結構的控制系統，擴展非常方便靈活，主要表現在以下幾個方面：
• 拓撲結構靈活，可以支持總線型、星型、樹型、冗余環型等多種拓撲結構。
• 支持光纖和雙絞線作為通訊介質，采用多模光纖時，兩個光電模塊間的距離可達3KM，采用單模光纖時，兩個光電模塊間的距離可達26KM；采用雙絞線不加中繼的A&D AS/PT_SI Newsletter_1_application 4
最遠通訊距離可達1KM，采用中繼時最遠可達9KM。
• 一條PROFIBUS-DP 總線最多可以連接123 個DP 從站，所有滿足PROFIBUS-DP通訊規約的設備都可以連接到系統中。目前全球有超過1200 家公司可以生產超過2000 種支持PROFIBUS 的產品，因此具有很強的開放性和可擴展性。
• 提供多種接口設備，用于將冗余DP 總線轉換成單DP 總線和將冗余DP 總線轉換成PA 總線，可以將DP 總線轉換成Asi 總線等，非常便于擴展。
• PROFIBUS 同時可以支持PROFIsafe 協議，一條總線上既可以傳輸標準數字信號，也可以同時傳輸故障安全的信號。
• 提供可用于危險領域的接口模塊，可以支持在危險區域的應用。
實時性
采用PROFIBUS 總線的系統具有很高的實時性，這是由PROFIBUS 總線系統的數據傳輸速率高所決定的。
PROFIBUS-DP 總線的傳輸速率可達12M，是目前通訊速率最高的現場總線。
計算PROFIBUS-DP 總線的響應時間可以按下面的計算公式進行計算：
t Cycle_DP = (317 x (nSlaves) + 11 x (nBytes) ) x Tbit
317 是一個常數，表示一個DP 從站建立通訊連接所需的數據位；
第一個N 表示整個PROFIBUS-DP 總線上的從站數量；
第二個N 表示整個PROFIBUS-DP 總線上傳輸的數據總數，單位為字節。
如果總線系統中還有PA 總線，則PA 總線的響應時間為：
t Cycle_PA-channel = (317 x (nSlaves) + 8 x (nBytes) ) x Tbit
整個PROFIBUS-DP 系統的響應時間為：
t Cycle = t Cycle_PA-channel + t Cycle_DP + t Acylic
從上面的公式可以看到，一個典型的通過PA 總線連接的智能儀表的響應時間為10ms，一個典型的通過PA 總線連接的執行機構的響應時間為15ms。
一個PROFIBUS-DP 從站的響應時間<0.3ms。
因此可以確定PROFIBUS 總線系統是一個實時的系統。
PROFIBUS 現場總線系統應用設計
在進行PROFIBUS 網絡設計需考慮如下問題：
• 需要什么樣的網絡功能
• 是否用于過程自動化
• 是否需要安全協議
• 是否通過總線連接驅動設備等…
• 是采用4-20 mA, 4-20mA/HART® 還是采用數字設備
• 通過PA 還是通過DP 連接
• 用于安全領域還是危險區域
• 現場需要多長的電纜，長度限制是多少
• 需要哪些過程數據（是否需要設備狀態信息）
• 需要什么樣的DP 主站接口，接口有什么樣的限制
• DP 從站有什么樣的限制
• 要求的網絡響應時間是多少
• DP 響應時間
• PA 響應時間
當用戶的要求清楚之后，我們就可以根據用戶的需求設計一套適用的解決方案。以一個新建電廠的補給水程控系統為例來簡單說明。
我們知道補給水系統由預處理系統、化學除鹽系統和酸堿系統構成，主要工藝設備包括陰床、陽床、混床、酸堿箱、風機、水泵等，主要測量儀表包括壓力變送器、差壓變送器、液位計、流量計、溫度、酸度計、堿度計、硅表、鈉表、濁度計等；另外還有大量的氣動隔膜閥、電機等。對于這樣的系統，我們可以采用PROFIBUS 總線來完成監控任務。
對于這樣的系統，我們可以采用遠程I/O 加智能DP/PA 儀表的方式來實現，我們采用IP65/67 防護等級的ET200X 遠程I/O 來采集陰床、陽床、混床、酸堿箱等設備的參數，IP65/67 防護等級的ET200X 直接安裝在現場，同時ET200X 提供模塊化的閥島模塊和馬達模塊，可以集中監控氣動革膜閥和小型電機（<5.5KW）。其他的電機可以通過SIMOCODE 連接到PROFIBUS-DP。所有的儀表（溫度傳感器除外）都通過DP 或PA 總線連接到系統中。
如下圖所示：
我們可以看到采用PROFIBUS-DP 的補給水系統結構非常簡潔，但可以帶來很多好處：
• 設備狀態信息監視；
• 基于設備狀態的檢修；
• 儀表控制室集中校驗；
• 采用智能馬達控制器，簡化電控柜接線，并可監控電機啟停次數；
• 節省大量電纜；
• 真正分布式控制；
• 采用閥島模塊可以實現氣動革膜閥的集中控制，節約壓縮空氣；
• 縮短安裝周期，提前投入運行等。
應用現狀及發展前景
PROFIBUS-DP 是由國際知名的自動化公司，如：SIEMENS、ABB 等公司研發的，完全是為了滿足工業自動化領域的應用的現場總線系統，并且在各行業特別是冶金、石化、市政等行業都有很多應用。
電力行業是一個自動化程度非常高的行業，如主機DCS 系統、脫硫DCS 系統以及主要輔機程控系統，這些系統都存在可靠性要求高、監控設備和對象多而復雜、實時性要求高等特點。特別是主機DCS 系統，涉及數百臺壓力和差壓變送器，數百臺電動或啟動執行機構，數百個溫度測點，系統要進行復雜的閉環控制、串級控制、三沖量控制、比率控制，要進行設備連鎖控制，要進行復雜的鍋爐燃燒管理、機爐協調控制。所有這些都需要有高可靠性的控制系統來保證整個生產過程的安全、穩定、可靠運行。
隨著現場總線技術的出現和日臻成熟和電廠信息化要求的提高，基于現場總線的控制系統將為電力行業自動化系統提供更好的選擇。
目前制約基于現場總線的控制系統在電廠應用主要問題，我認為主要包括以下幾個方面：
• 支持現場總線的智能設備造成初期投資的提高；
• 有些設備和儀表不帶總線接口；
• 哪些設備、儀表信息可以傳送；
• 系統結構如何變化，如何構筑一個基于現場總線的控制系統；
• 通訊是否可靠；
• 設備選型的局限性等。
對于用戶的這些疑問，我們實際上在前面已經多有論述，下面針對上海某化工廠CO 回收裝置自控系統投資情況進行一下比較分析。
從上表可以看出，造成硬件成本升高的主要因素是自動化系統設備成本提高約10%，PA儀表成本升高約10%。但是可以大幅減少電纜橋架、控制電纜等附件的費用，同時可以大幅降低安裝施工和自控系統的安裝調試費用，縮短工期。
對于新建電廠，我認為選用帶總線接口的儀表、執行機構、變頻器、智能馬達控制器、閥門定位器等的條件已經成熟，因為很多知名的儀表、設備制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON 等都可以提供多種可供選擇的成熟的帶總線接口的系統和設備，而且價格也越來越與常規智能設備接近。而且基于HART 協議連接變送器的結構已經在很多電廠獲得應用，在集中校驗、提高采集精度等方面取得用戶的好評。而現場總線是比HART 協議更全面的總線，因此具有更好的應用前景。在新建電廠的DCS、FGD DCS 和輔機程控系統都可以采用現場總線系統，并且已經有很多非常成功的應用。
對于老電廠的改造系統，由于大量采用非智能儀表和執行機構，全面更換、更新可能性很小，對于這樣的系統，PROFIBUS 也可以提供很好的解決方案。可以采用遠程I/O 的方式，通過常規I/O 模塊采集非智能儀表的信號，然后通過PROFIBUS-DP 總線連接到中央控制器。儀表和執行機構可以按設備生命周期逐批更換。
部分應用實例
PROFIBUS 在電力行業最典型的應用是德國尼德豪森電廠2X950MW 機組的DCS 系統。德國尼德豪森電廠隸屬于德國RWE 電力公司，該電廠K 機組采用了熱電聯產方式，總出力達到1012MW，由于采用了過程優化技術，整個機組的效率達到了45%。K 機組為超超臨界機組，主汽溫度為580℃，主汽壓力達到27MPA。整個機組的DCS 系統中由于采用了PROFIBUS 現場總線技術，實現了現場設備智能化，設備狀態和狀態信息都能通過總線傳輸到DCS 系統中，是目前全球范圍智能化程度最高，采用總線技術最全面，裝機容量最大的機組。
除了DCS 系統之外，西門子公司還提供了汽機的DEH 系統、智能儀表、執行機構、SIS、MIS、馬達保護裝置等系統和設備，并承擔了控制室的設計任務。
DCS 系統包括2700 個模擬量輸入、模擬量計算點845 個、模擬量輸出點3 個、流量計輸入點63 個、開關量輸入3798 個、開關量輸出67 個，這些信號中采用常規信號的，通過ET200 遠程I/O 進行采集并通過PROFIBUS-DP 與DPU 相連；采用HART 協議的儀表通過HART 協議與遠程I/O ET200 通訊。整個系統包括721 臺馬達、670 個電磁閥、957 個閥門定位器、698 臺電動執行機構和350 個現場控制器，這些智能設備均通過PROFIBUS-DP 與DPU 相連。
整個系統于2002 年12 月投入商業運行，整個系統只需配備一個操作員，大大提高了電廠的自動化水平。
除了尼德豪森電廠外，還有德國曼海姆電廠DCS 系統采用PROFIBUS 總線，柏林北部電廠DCS 系統采用PROFIBUS 總線，慕尼黑電廠DCS 系統采用PROFIBUS 總線，禮克林豪森電廠DCS 系統采用PROFIBUS 總線等很多國外電廠的DCS 系統都采用了PROFIBUS 總線結構。
在國內電力系統中也有很多應用，如江蘇夏港電廠DCS 系統采用PROFIBUS 總線，韓峰電廠DCS 系統采用PROFIBUS 總線，山東萊程電廠DCS 系統以及華能玉環電廠主廠房外補給水系統均采用了PROFIBUS-DP 總線結構。
因此，可以毫不夸張地說，采用PROFIBUS 現場總線的新一代過程控制系統必將成為保證電廠安全可靠運行的生力軍。
文章版權歸西部工控xbgk所有，未經許可不得轉載。
服務咨詢