PROFIBUS現場總線技術及其在電力行業中的應用

一、引 言
20世紀中期，我國引進了一批先進的大型火電機組，同時也把分散控制系統和PLC引進了中國。一般在汽機、鍋爐應用DCS，在電廠輔助系統中使用PLC控制。近年來，隨著網絡技術的發展，現場總線的概念越來越多的應用到各種領域。一個新的名詞-FCS(FIELDBUS CONTROL SYSTEM)已深入到各種過程控制領域，而且在國外的電廠已開始廣泛應用。使用現場總線技術，可以減少用于連接分散的I/O設備的電纜，可以減少用于連接儀表的電纜并增加可靠性，因此可以大量的節省機械安裝、連接和布線的成本、并增加了系統的可靠性。
二、現場總線技術
2.1 現場總線的概念
現場總線是用于過程自動化和制造自動化，連接傳感器、控制器和執行器等現場設備的一種全數字化、全分散化、智能、雙向、多變量、多站的通信系統。現場總線的特點:可靠性高，穩定性好，抗干擾能力強，通信速率快，系統安全，符合環境保護要求、價格低、維護成本低。
傳統的4-20mA信號連接，信息量有限，嚴重制約了企業信息集成和企業綜合自動化的實現。現場總線技術把孤立的現場級設備帶進了企業信息網絡中。
2.2 Profibus 技術介紹
當前現場總線的標準很多，如Profibus、FF、Lonworks、WorldFIP等，目前的現場總線技術正趨于統一，國際電工委員會制定了IEC 61158的國際標準。
Profibus是德國于90年代初制訂的國家工業現場總線協議標準，代號DTN19245，目前是IEC 61158國際標準中的Type3部分。現在它成為不依賴于設備生產商、開放的、國際化的現場總線標準之一。廣泛應用于制造自動化、流程工業自動化、樓宇、交通、電力等領域的自動化控制系統中。
Profibus網絡協議也是以ISO的OSI七層參考模型為基礎，對第三層到第六層進行了簡化。
TEC61158中Type3的第一部分定義了Profibus的物量層和鏈路層協議，其技術指標如下:
物理接口標準：EIA RS-485
網絡接口：sub-D9 芯插頭
網絡拓撲：線性總線兩端加終端電阻
存取方式:鏈路層采用混合介質存取方式，主站間按令牌環方式，主站和從站間按主從方式工作。
站點數:主從站最多127個，每段最多32站，段間采用中繼器連接。
電纜:屏敝雙絞線截面>0.22mm2，阻抗120Ω
傳輸波特率：9.6k---l2M
傳輸距離:1200m以下，與傳輸波特率成反比，可用Repeater(中繼器)增加傳輸距離。
TEC61158中Type3的第二部分定義了應用層協義，稱為FMS。FMS提供強有力的通信功能。
TEC61158中Type3的第三部分定義了DP協議，用于傳感器和執行器級的高速數據傳輸:其傳輸速率可達12Mbit/s，一般構成單主站系統，在SIMATIC中FMS和DP可混合工作。
TEC61158中Type3的第四部分為PA協議，用于安全性較高的場合，設備行規定義了設備自有的功能，設備描述語言及功能塊允許對設備進行完全的內部操作。
IEC61158中Type3的第一部分分別與第二、第三、第四部分構成了Profibus的三個兼容部分，即:Profibus-FMS、Profibus-DP、Profibus-PA,分別應用于不同的場合。
圖l為Profibus通訊協議的結構示意

PROFIBUS總線具有下面特點:
1.用一根串行的數字總線替代傳統的并行24V信號和4～2OmA模擬信號
2.通過一根雙芯屏蔽電纜連接中央控制器和現場設備
3.同樣適用于防爆環境和有安全要求的應用:一個系統適合于不同的應用
4.數據和電源通過同一根電纜傳輸(PA)
5.對于所有的設備，只需要一個通用的組態和工程工具
6.連接不同廠商的設備
7.開放的、不依賴于廠商的現場總線，并符合IEC61158國際標準(Type3)
三、Profibus系統在循環流化床鍋爐控制系統的應用方案
在下面的論述中，我們將以電廠循環流化床鍋爐機組控制系統為例，介紹一下現場總線技術在電廠的應用。
電廠控制分成:過程控制系統和輔機控制系統
主機控制系統:
· 數據采集 (DAS)
· 模擬量控制 (MCS)
· 發電機-變壓器組和廠用電源系統順序控制 SCS(G/A)]
· 鍋爐爐膛安全監控系統 (FSSS)
· 汽輪機電液控制系統 (DEH)
· 輔機控制系統:
· 輸煤程控:
· 化學水處理:
· 除塵除灰:
· 脫硫系統:
近年來，循環流化床鍋爐在國內外都得到了廣泛的應用，其高效、節能、環保等優點是眾所周知的
3.1 系統構成
控制系統選用了西門子公司的過程控制系統。采用西門子工控機，配有STEP7 V5.2 編程軟件，WinCC6.0監控軟件為上位機監控系統。
下位機監控系統組成:兩套西門子PLC—CPU 417-2DP,四個ET2OOM工作站。以PROFI-BUS-DP和PROFIBUS-PA作為其現場總線，CP連接的以支持Profibus協議的PROFIBUS作為系統總線。
3.2 監控系統:
監控系統由一個操作員站和一個工程師站組成。操作員站主要完成與下位機的數據交換(數據采集)，顯示各種已組態好的系統流程畫面、參數顯示畫面、控制畫面、趨勢曲線、報警畫面，報表打印及控制參數設置等功能。使操作員可以及時的了解整個鍋爐的運行情況，并采用有效的控制，以保證生產穩定運行。工程師站主要完成整個監控系統的運行組態，監控數據庫組態及顯示，各種顯示及控制畫面的組態，報警組態，事件紀錄及顯示和實事及歷史趨勢顯示。
3.3 控制方案說明
在控制方案中床溫及鍋爐負荷采用模糊控制;鍋爐液位、過熱蒸汽溫度，爐膛壓力、料床高度、除氧壓力、除氧器液位都采用了傳統的PID調節回路。
在WINCC中建立模糊控制規則輸入表。通過多變量模糊控制設計工具，并且在WinCC畫面中編輯了脫硫配方的計算及鍋爐效率，水、煤、氣、電等參數累計及瞬時的顯示。WINCC中建立模糊控制規則輸入表建立連接，即可將模糊控制規則下載到PLC中去。規則控制表可根據鍋爐的實際工作情況進行適時修改。
由于西門子冗余系統采用了時間同步的專利技術，可以保證以最快的速度進行主從切換，而且其現場總線網絡也采用了冗余的PROFIBUS技術，保證了系統的可靠性。對于儀表總線可采Y-LINK連接到Profibus PA儀表上。
系統過程控制級的硬件結構如圖2所示。

在這個系統中，充分體現了西門子新一代過程控制系統的優勢。使用的組態軟件是西門子的STEP75.2，由于其友好的用戶功能，標準化的PLC編程語言，結構化的編程思想，優良的測試功能，用戶帶來了很大的方便。利用其集成的標準PID控制軟件包，能很好的實現傳統的PID調節。利用模糊控制軟件包可建立模糊系統。模糊控制可用于自動化的所有層次，從單獨的控制器到整個系統的優化。將模糊控制與經典的PID控制器相結合，可以達到最優的控制目的。
對于系統的監視和控制，西門子的WlNCC 6.0，它是在PC基礎上的全面開放的新一代的人機界面監控系統。WINCC提供成熟可靠的操作，無論簡單、復雜任務，都能有效的組合，恰當的處理。
四、結束語
Profibus技術從2000年開始已成功應用于輔機程控中，特別是在四川廠安電廠輔機控制系統中，現場設備的控制全部采用了Profibus技術，得到了用戶的高度評價。尤其是與傳統集中控制比較，從系統設計、安裝調試、維護及擴展上，現場總線技術的優勢十分明顯，為實現無人值守的自動化遠程監控提供了技術裝備基礎。