PROFIBUS现场总线技术及其在电力行业中的应用
摘要：本文概要介绍了现场总线的概念和Profibus技术，论述了Profibus技术在电厂电控系统中的应用及设计原则，总结了系统采用Profibus技术后的特点。
一、引 言
20世纪中期，我国引进了一批先进的大型火电机组，同时也把分散控制系统和PLC引进了中国。一般在汽机、锅炉应用DCS，在电厂辅助系统中使用PLC控制。近年来，随着网络技术的发展，现场总线的概念越来越多的应用到各种领域。一个新的名词-FCS(FIELDBUS CONTROL SYSTEM)已深入到各种过程控制领域，而且在国外的电厂已开始广泛应用。使用现场总线技术，可以减少用于连接分散的I/O设备的电缆，可以减少用于连接仪表的电缆并增加可靠性，因此可以大量的节省机械安装、连接和布线的成本、并增加了系统的可靠性。
二、现场总线技术
2.1 现场总线的概念
现场总线是用于过程自动化和制造自动化，连接传感器、控制器和执行器等现场设备的一种全数字化、全分散化、智能、双向、多变量、多站的通信系统。现场总线的特点:可靠性高，稳定性好，抗干扰能力强，通信速率快，系统安全，符合环境保护要求、价格低、维护成本低。
传统的4-20mA信号连接，信息量有限，严重制约了企业信息集成和企业综合自动化的实现。现场总线技术把孤立的现场级设备带进了企业信息网络中。
2.2 Profibus 技术介绍
当前现场总线的标准很多，如Profibus、FF、Lonworks、WorldFIP等，目前的现场总线技术正趋于统一，国际电工委员会制定了IEC 61158的国际标准。
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。现在它成为不依赖于设备生产商、开放的、国际化的现场总线标准之一。广泛应用于制造自动化、流程工业自动化、楼宇、交通、电力等领域的自动化控制系统中。
Profibus网络协议也是以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。
TEC61158中Type3的第一部分定义了Profibus的物量层和链路层协议，其技术指标如下:
物理接口标准：EIA RS-485
网络接口：sub-D9 芯插头
网络拓扑：线性总线两端加终端电阻
存取方式: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。
站点数:主从站最多127个，每段最多32站，段间采用中继器连接。
电缆:屏敝双绞线截面>0.22mm2，阻抗120Ω
传输波特率：9.6k---l2M
传输距离:1200m以下，与传输波特率成反比，可用Repeater(中继器)增加传输距离。
TEC61158中Type3的第二部分定义了应用层协义，称为FMS。FMS提供强有力的通信功能。
TEC61158中Type3的第三部分定义了DP协议，用于传感器和执行器级的高速数据传输:其传输速率可达12Mbit/s，一般构成单主站系统，在SIMATIC中FMS和DP可混合工作。
TEC61158中Type3的第四部分为PA协议，用于安全性较高的场合，设备行规定义了设备自有的功能，设备描述语言及功能块允许对设备进行完全的内部操作。
IEC61158中Type3的第一部分分别与第二、第三、第四部分构成了Profibus的三个兼容部分，即:Profibus-FMS、Profibus-DP、Profibus-PA,分别应用于不同的场合。
图l为Profibus通讯协议的结构示意。
PROFIBUS总线具有下面特点:
1.用一根串行的数字总线替代传统的并行24V信号和4～2OmA模拟信号
2.通过一根双芯屏蔽电缆连接中央控制器和现场设备
3.同样适用于防爆环境和有安全要求的应用:一个系统适合于不同的应用
4.数据和电源通过同一根电缆传输(PA)
5.对于所有的设备，只需要一个通用的组态和工程工具
6.连接不同厂商的设备
7.开放的、不依赖于厂商的现场总线，并符合IEC61158国际标准(Type3)
三、Profibus系统在循环流化床锅炉控制系统的应用方案
在下面的论述中，我们将以电厂循环流化床锅炉机组控制系统为例，介绍一下现场总线技术在电厂的应用。
电厂控制分成:过程控制系统和辅机控制系统
主机控制系统:
· 数据采集 (DAS)
· 模拟量控制 (MCS)
· 发电机-变压器组和厂用电源系统顺序控制 SCS(G/A)]
· 锅炉炉膛安全监控系统 (FSSS)
· 汽轮机电液控制系统 (DEH)
· 辅机控制系统:
· 输煤程控:
· 化学水处理:
· 除尘除灰:
· 脱硫系统:
近年来，循环流化床锅炉在国内外都得到了广泛的应用，其高效、节能、环保等优点是众所周知的
3.1 系统构成
控制系统选用了西门子公司的过程控制系统。采用西门子工控机，配有STEP7 V5.2 编程软件，WinCC6.0监控软件为上位机监控系统。
下位机监控系统组成:两套西门子PLC—CPU 417-2DP,四个ET2OOM工作站。以PROFI-BUS-DP和PROFIBUS-PA作为其现场总线，CP连接的以支持Profibus协议的PROFIBUS作为系统总线。
3.2 监控系统:
监控系统由一个操作员站和一个工程师站组成。操作员站主要完成与下位机的数据交换(数据采集)，显示各种已组态好的系统流程画面、参数显示画面、控制画面、趋势曲线、报警画面，报表打印及控制参数设置等功能。使操作员可以及时的了解整个锅炉的运行情况，并采用有效的控制，以保证生产稳定运行。工程师站主要完成整个监控系统的运行组态，监控数据库组态及显示，各种显示及控制画面的组态，报警组态，事件纪录及显示和实事及历史趋势显示。
3.3 控制方案说明
在控制方案中床温及锅炉负荷采用模糊控制;锅炉液位、过热蒸汽温度，炉膛压力、料床高度、除氧压力、除氧器液位都采用了传统的PID调节回路。
在WINCC中建立模糊控制规则输入表。通过多变量模糊控制设计工具，并且在WinCC画面中编辑了脱硫配方的计算及锅炉效率，水、煤、气、电等参数累计及瞬时的显示。WINCC中建立模糊控制规则输入表建立连接，即可将模糊控制规则下载到PLC中去。规则控制表可根据锅炉的实际工作情况进行适时修改。
由于西门子冗余系统采用了时间同步的专利技术，可以保证以最快的速度进行主从切换，而且其现场总线网络也采用了冗余的PROFIBUS技术，保证了系统的可靠性。对于仪表总线可采Y-LINK连接到Profibus PA仪表上。
系统过程控制级的硬件结构如图2所示。
在这个系统中，充分体现了西门子新一代过程控制系统的优势。使用的组态软件是西门子的STEP75.2，由于其友好的用户功能，标准化的PLC编程语言，结构化的编程思想，优良的测试功能，用户带来了很大的方便。利用其集成的标准PID控制软件包，能很好的实现传统的PID调节。利用模糊控制软件包可建立模糊系统。模糊控制可用于自动化的所有层次，从单独的控制器到整个系统的优化。将模糊控制与经典的PID控制器相结合，可以达到最优的控制目的。
对于系统的监视和控制，西门子的WlNCC 6.0，它是在PC基础上的全面开放的新一代的人机界面监控系统。WINCC提供成熟可靠的操作，无论简单、复杂任务，都能有效的组合，恰当的处理。
四、结束语
Profibus技术从2000年开始已成功应用于辅机程控中，特别是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。尤其是与传统集中控制比较，从系统设计、安装调试、维护及扩展上，现场总线技术的优势十分明显，为实现无人值守的自动化远程监控提供了技术装备基础。
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