PROFIBUS现场总线控制系统在国华宁海电厂中应用

一、引言

进入二十世纪九十年代以后，现场总线控制系统(FCS—Fieldbus Control System)走向实用化，目前已成为自动化技术中的一个热点。随着电力建设的迅速开展，以及现场总线技术和产品的成熟，在新建和改造电站工程中引入现场总线技术和相关产品的呼声越来越高。经过数年的争论和实践，当初“DCS必然被现场总线控制系统完全代替而消亡”的断论，逐渐被一种更理性和宽容的观点所补正，现在一般认为：现场总线控制系统并不能在所有的地方都能发挥它的优势，尤其是在发电厂这样一些测点和现场装置密集、控制逻辑复杂的领域，一段时间内将存在着传统DCS、数字网络通讯技术和现场总线等多种技术的复合应用局面。但是，推广应用现场总线系统，实现现场设备级的数字化是实现火电厂全面数字化的关键一步，国内外已有一些电厂进行了应用。本文以浙江国华宁海电厂一期工程为例，介绍现场总线技术在国产600MW机组上的应用尝试。

二、PROFIBUS及在电厂的应用

(一)PROFIBUS总线技术

PROFIBUS是德国于90年代初制订的国家工业现场总线协议标准，代号DTN19245，目前是IEC 61158国际标准中的Type3部分。PROFIBUS网络协议以ISO的OSI七层参考模型为基础，对第三层到第六层进行了简化。在TEC61158中Type3的第一部分定义了PROFIBUS的物量层和链路层协议，物理接口采用EIA RS-485标准，网络拓扑为线性总线两端加终端电阻，采用sub-D9 芯网络接口插头。在链路层采用混合介质存取方式，主站间按令牌环方式，主站和从站间按主从方式工作。主从站最多127个，每段最多32站，段间采用中继器连接，最大传输距离1200m。

根据总线结构与实现任务的不同，PROFIBUS系列分为PROFIBUSDP、PROFIBUSPA 、PROFIBUSFMS三个兼容部分。分别在IEC61158中Type3的第二、第三、第四部分进行定义。其中第二部分定义了应用层协义，称为PROFIBUS-FMS，它提供强有力的通信功能。第三部分定义了DP协议，用于分散外设间的高速数据传输，是一种经过优化的高速通信连接，专为自动控制系统与设备级分散I/O之间通信设计的，其传输速率可达12Mbit/s。第四部分为PA协议，用于安全性较高的场合。

PROFIBUS上连接着的每一总线设备在用户接口中存在着GSD(设备性能描述文件)，用于描述设备所具有的不同性能特征，包括如I/O数量、诊断信息以及总线参数等，以达到即插即用。

与其它现场总线系统相比，PROFIBUS经实际应用验证具有普遍性。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场份额超过40%。不久前PROFIBUS国际组织宣布，截止2003年底，工厂和过程自动化应用系统所安装的PROFIBUS设备已经历史性地突破了一千万套，比其它任何现场总线解决方案都高出许多。

(二) PROFIBUS在电厂的应用

早在九十年代末，就有报道现场总线控制系统就已经在美国、墨西哥、巴西等国家的电厂中得到应用。西门子作为全球工业自动化领域的供货商，在电站自动化设备方面一直致力于支持ROFIBUS现场总线协议的技术和设备的开发，其产品和解决方案几乎应用于所有工业行业当作。其它众多电力设备厂商也提供了对PROFIBUS的支持。在国内，PROFIBUS技术从2000年开始已成功应用于电站的辅机程控中，例如在四川厂安电厂辅机控制系统中，现场设备的控制全部采用了PROFIBUS技术，得到了用户的高度评价[1]。在连云港新海发电厂在200 MW 12号机组的DCS改造工程中，采用了南京西门子公司的DCS，增加 PROFIBUS-DP接口，直接控制现场设备，也并取得成功[2]。

三、宁电工程分散控制系统

(一)系统概貌

浙江国华宁海发电厂一期工程建设四台亚临界600MW燃煤发电机组，三大主机由上海电气集团提供。采用四机一控的集控方案，DCS采用南京西门子电站自动化有限公司的Teleperm-XP系统，该系统在国内已有多套投入运行。系统采用电厂总线、终端总线两级总线结构，通信介质为光纤。分为3个信息级：

1.自动控制级，自动控制单元AS620挂于电厂总线工业以太网上，用以实现过程任务的控制;

2.过程级，包括组控制和单独控制,信息处理单元(PU)和信息服务单元(SU)位于电厂总线与终端总线之间，用以处理、协调和储存来自底层的自动控制级及上层操作员级的信息;

3.操作监视级：操作员终端(OT)以及厂级信息系统接 口与终端总线相连。两级总线网通过星型耦合器监视模件中的开断点，实现环形结构。

AS620自动控制单元是T-XP与过程的界面。它被用来采集从现场仪表送出的模拟量及开关量过程信息。AS620根据这些信息做相应的开闭环控制算法处理，再输出操作指令到执行机构(电动机、阀门等)。它的核心是自动处理器AP。AP硬件的基础在于强有力的SIMATIC中央处理单元。

(二)总线通讯以及系统互连技术

总线系统分为各自冗余的SINEC HI FO工厂总线和终端总线，采用星形耦合器通过光纤电缆连接构成虚拟环型结构，其通讯速度为100Mbps。最大为1024个子站，单环光缆总长最大为4.3Km，可用率高、通讯速度快、容错性好。

所有互连的T-XP组件使用统一的通讯机理和数据结构，并采用统一的时钟，以保持同步。SIMATIC NET总线由电厂总线和终端总线组成，电厂总线用于AS620、OM650、ES680之间的通讯;终端总线用于PU/SU和OT之间的通讯。

T-XP有多种接口模块用于内部系统之间以及和外部系统的互连，其中，IM308-B/C接口模件用于分布式I/O站ET200与AP之间相连。采用基于PROFIBUS-DP的SINEC L2 DP总线系统，一个PROFIBUS-DP总线链可以链接多达8个IM318-B/C 模块。ET200站通过接口模件IM153/ IM318成为PROFIBUS总线系统的DP从站，多个接口模件可构成冗余配置，形成与DCS的无缝链接。PROFIBUS总线可以是双芯电缆或光纤。

四、PROFIBUS-DP在宁海电厂的应用

PROFIBUS总线技术在宁海电厂的应用分为2种情况，一种是简单地采用PROFIBUS总线通讯，通过T-XP系统的PROFIBUS接口模件，将远程I/O站或者其它系统无缝纳入DCS;由于就地设备未能完全实现数字化，这样的系统只能称为数字化DCS的一种形式。另外一种方式是在外围或者相对独立的系统中实现到设备级的现场总线控制。下面分别以DEH和闭式循环水系统为例进行分析。

(一)采用PROFIBUS-DP总线的系统互连

本工程汽轮机组采用了由西门子公司提供的纯电调和高压抗燃油液压伺服系统组成的数字式电液控制系统，主机型号为AS417H。由于汽轮机控制的快速性，DEH需要10ms左右的控制周期，而PROFIBUS-DP适合于分散外设间的高速数据传输，是一种经过优化的高速通信连接，能满足快速控制的需要。

DEH控制系统I/O接口是AddFEM模块，其它信号采集采用其它远程I/O站挂在PROFIBUS总线上。AddFEM模块是专用于汽轮机控制的数据采集处理模块，属于西门子Add7系列，采用专门设计，信号采集周期快达1ms，以适应汽轮机控制中对各种信号的快速采集与处理，其总线地址通过面板上的发光二极管设置。整个汽机控制回路周期为6ms。

为了提高可靠性，主机AS417的CPU、PROFIBUS总线和AddFEM模块都采用双冗余，2个AP通过机柜总线通讯。所有进入控制和保护系统的重要模拟量(转速、功率、压力等)三重冗余，重要开关量三重或双重冗余。冗余信号分别进入不同的AddFEM模块，2个AP并行地进行处理，但是只有主AP输出控制信号。