盧定興，吳曉欣，鄭松

(1.福建中海創(chuàng)集團(tuán)研究院，福建 福州 350008;2.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

1 引言

現(xiàn)場總線(Fieldbus)技術(shù)是在80年代后期發(fā)展起來的一種先進(jìn)的現(xiàn)場工業(yè)控制技術(shù)［1］，用于過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。由于現(xiàn)場總線簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，因而受到了許多標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體和計(jì)算機(jī)廠商的高度重視，近年來現(xiàn)場總線技術(shù)得到飛速發(fā)展，支持現(xiàn)場總線的設(shè)備廠家和控制系統(tǒng)廠家也越來越多，為現(xiàn)場總線的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)場總線在電廠輔機(jī)程控中的應(yīng)用概況

在國內(nèi)，早期現(xiàn)場總線主要應(yīng)用于石化行業(yè)，在電力行業(yè)一直以來都未有全廠使用現(xiàn)場總線的案例。現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用在國內(nèi)電廠試點(diǎn)已進(jìn)行了十多年，控制范圍從最初的輔助車間部分系統(tǒng)到全部系統(tǒng)，目前已逐步擴(kuò)展到機(jī)組主控系統(tǒng)。經(jīng)過多年的摸索，現(xiàn)場總線在火力發(fā)電廠主輔機(jī)中的應(yīng)用已越來越成熟，也成為國內(nèi)數(shù)字電廠的一個(gè)標(biāo)志。本文以福建石獅鴻山2*1000MW發(fā)電機(jī)組為例，介紹現(xiàn)場總線在百萬機(jī)組輔機(jī)程控中的應(yīng)用情況。

福建石獅鴻山1000MW發(fā)電機(jī)組采用了全廠輔控一體化的設(shè)計(jì)，范圍涵蓋了輸煤、化水、暖通、除灰、空壓機(jī)、制冷等系統(tǒng)，形成了除主控DCS外的一個(gè)大范圍DCS控制系統(tǒng)。根據(jù)輔機(jī)程控工藝流程的特點(diǎn)，該廠主要在凝結(jié)水精處理、鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)中采用了大量的現(xiàn)場總線技術(shù)，涉及智能馬達(dá)、閥島、智能變送器、智能儀表以及電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

3 現(xiàn)場總線類型及技術(shù)特點(diǎn)分析

目前主流的幾種總線主要有:①基金會(huì)現(xiàn)場總線(FoundationFieldbus簡稱 FF);②CAN(ControllerAreaNetwork控制器局域網(wǎng));③Lonworks;④DeviceNet;⑤PROFIBUS;⑥HART;⑦CC－Link;⑧WorldFIP;⑨INTERBUS。

每種總線都有其應(yīng)用的領(lǐng)域，比如 FF、PROFIBUS－PA適用于石油、化工、醫(yī)藥、冶金、電力等行業(yè)的過程控制領(lǐng)域，而這些劃分也不是絕對的，每種現(xiàn)場總線都力圖將其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，彼此滲透。當(dāng)前國內(nèi)外，在電力行業(yè)以基金會(huì)現(xiàn)場總線和Profibus應(yīng)用較為廣泛。

基金會(huì)現(xiàn)場總線(Foundation Fieldbus簡稱FF)這是以美國Fisher－Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首的聯(lián)合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協(xié)議于1994年9月合并的。該總線在過程自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。FF分低速H1和高速H2兩種通信速率，前者傳輸速率為31.25Kbit/s，通信距離可達(dá)1900m，可支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。后者傳輸速率為1Mbit/s和2.5Mbit/s，通信距離為750m和500m，支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符號IEC1158－2標(biāo)準(zhǔn)［2］。

PROFIBUS是德國標(biāo)準(zhǔn)(DIN19245)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN50170)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUS——DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA系列組成。DP用于分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動(dòng)化領(lǐng)域。PA用于過程自動(dòng)化的總線類型，服從IEC1158－2標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS支持主－從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6Kbit/s下為1200m，在12Mbit/s小為200m，可采用中繼器延長至10km，傳輸介質(zhì)為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。在福建石獅鴻山1000MW發(fā)電機(jī)組中，結(jié)合當(dāng)前這兩大總線類型的技術(shù)特點(diǎn)以及現(xiàn)場設(shè)備廠家和控制系統(tǒng)廠家的支持情況，最終選擇以Profibus－DP為主的現(xiàn)場總線技術(shù)。

4 Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要分為四種:總線型、樹型、菊花鏈型和點(diǎn)到點(diǎn)型［3］。

總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由一條干線和連接在干線上不同點(diǎn)的若干支線所組成。干線的兩端設(shè)終端器，支線的長度可以根據(jù)需要從1～120m不等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總線型

圖2 樹型

樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由一條干線和連接在干線端點(diǎn)上的若干條支線所組成的。與總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，在干線的兩端裝設(shè)終端器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

菊花鏈型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是用電纜把一臺設(shè)備依次連接到下一臺設(shè)備，一直到最后一臺設(shè)備和終端器為止。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可認(rèn)為是支線長度為零的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。菊花鏈上每臺設(shè)備上的進(jìn)線和出線應(yīng)連接在一起，以免脫落時(shí)造成鏈的中斷。RS－485一直推薦菊花鏈連接方式，因?yàn)門型頭會(huì)反射電氣信號。反射信號會(huì)妨礙真實(shí)信號的讀取——反射信號越大，讀取越困難。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 菊花鏈型

當(dāng)一條現(xiàn)場總線上只連接兩個(gè)設(shè)備時(shí)就形成了點(diǎn)到點(diǎn)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，一臺變送器和一臺執(zhí)行器組成的就地控制，如果不連接其他設(shè)備時(shí)，就是這樣的情況。由于這種結(jié)構(gòu)沒有發(fā)揮出現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中極少采用這種結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在這四種總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，菊花鏈型以其靈活性和方便性，在實(shí)際現(xiàn)場得到大量的應(yīng)用，福建石獅鴻山1000MW機(jī)組輔機(jī)中就大量采用了菊花鏈型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，取得了良好的應(yīng)用效果，圖5顯示的是鴻山1000MW機(jī)組鍋爐補(bǔ)給水現(xiàn)場總線的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)際鏈接。

圖4 點(diǎn)對點(diǎn)型

圖5 鍋爐補(bǔ)給水現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5 Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)段劃分原則

Profibus現(xiàn)場總線采用的RS485令牌環(huán)網(wǎng)技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中對網(wǎng)段劃分理論上來說只要滿足Profibus技術(shù)規(guī)范即可，但是通常根據(jù)目前積累的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在行業(yè)已形成一套網(wǎng)段劃分的原則，供參考:

(1)一條Profibus DP網(wǎng)段宜不多于16個(gè)節(jié)點(diǎn)(設(shè)備);所有Profibus DP網(wǎng)段(segment)配置光電轉(zhuǎn)換器(OLM);且要求光電轉(zhuǎn)換器布置于就地(就地設(shè)備相對集中的合適位置)，以保證DP網(wǎng)段通訊速率不小于1MB;Profibus DP網(wǎng)段分支電纜長度應(yīng)不大于3m。

(2)現(xiàn)場總線網(wǎng)段的配置以分布式配置為基本，每個(gè)控制站最多配置10個(gè)單DP網(wǎng)(5個(gè)冗余DP網(wǎng))，每個(gè)網(wǎng)段最多帶15個(gè)設(shè)備，其中調(diào)節(jié)設(shè)備控制在5個(gè)以內(nèi)。如果以整個(gè)發(fā)電機(jī)組DCS控制系統(tǒng)30個(gè)控制站為參考配置，這樣整個(gè)DCS的帶載能力為4500個(gè)總線設(shè)備(冗余為2250個(gè)設(shè)備);

(3)同一閉環(huán)控制回路的被控參數(shù)信號與被驅(qū)動(dòng)智能設(shè)備應(yīng)在同一總線分支接入;變速驅(qū)動(dòng)設(shè)備應(yīng)由兩個(gè)Profibus節(jié)點(diǎn)組成，即電動(dòng)機(jī)保護(hù)與控制設(shè)備和變頻調(diào)速控制器。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)連接在同一個(gè)Profibus DP網(wǎng)段;每個(gè)網(wǎng)段上掛接的現(xiàn)場總線數(shù)量按不超過相應(yīng)總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大數(shù)量的40%～50%為宜。

(4)冗余設(shè)置的現(xiàn)場儀表應(yīng)接入不同網(wǎng)段;工藝上并列運(yùn)行或冗余配置的設(shè)備，其相關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)連接在不同的網(wǎng)段上;控制閥門和其旁路閥門(如有)應(yīng)連接到不同的現(xiàn)場總線網(wǎng)段;控制邏輯相關(guān)(同一控制回路中)的儀表和控制對象原則上掛接在同一總線網(wǎng)段上。

(5)根據(jù)工藝流程合理配置總線數(shù)量和掛接的現(xiàn)場設(shè)備，確保任何一條總線故障時(shí)，只產(chǎn)生工藝系統(tǒng)的局部故障，不會(huì)引起機(jī)組的危急狀態(tài)，造成整個(gè)工藝系統(tǒng)停運(yùn)，并將這一影響限制到最小。

(6)FF現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)段拓樸結(jié)構(gòu)的安裝推薦采用樹型、分支或組合現(xiàn)場拓樸結(jié)構(gòu)。不宜采用菊花鏈拓樸結(jié)構(gòu)。一條FF/PA網(wǎng)段宜不多于8個(gè)節(jié)點(diǎn)(設(shè)備)，根據(jù)設(shè)備在工藝系統(tǒng)的重要性可適當(dāng)減少;FF/PA網(wǎng)段分支長度不宜大于30m;

在福建石獅鴻山1000MW發(fā)電機(jī)組輔機(jī)程控中，根據(jù)以上這些原則和現(xiàn)場的實(shí)際情況，對現(xiàn)場總線的網(wǎng)段進(jìn)行了劃分。以凝結(jié)水精處理為例，凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)大約有190個(gè)，其中掛到DP網(wǎng)段上的設(shè)備有127個(gè)，主要是:用于非重要調(diào)節(jié)回路的電動(dòng)機(jī)控制器、電磁閥閥島、變頻器和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。掛接到PA網(wǎng)段上的設(shè)備有63個(gè)，主要是:智能變送器、液位計(jì)和分析儀表。凝結(jié)水精處理系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了12個(gè)Profibus－DP子網(wǎng)段、10個(gè)Profibus－PA子網(wǎng)段，其中Profibus－DP網(wǎng)段連接121個(gè)DP現(xiàn)場總線設(shè)備和23個(gè)閥島，Profibus－PA網(wǎng)段連接63個(gè)PA現(xiàn)場總線設(shè)備。具體設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 凝結(jié)水精處理系統(tǒng)DP網(wǎng)段設(shè)計(jì)

6 現(xiàn)場總線設(shè)備程序控制實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的硬接線控制系統(tǒng)與采用現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)對于控制而言，本質(zhì)上是沒有區(qū)別，只不過是信號的接入方式不同，具體體現(xiàn)在控制程序上就是IO的處理方式不同。

傳統(tǒng)的硬接線控制系統(tǒng)采用輸入輸出模塊的接入方式，每個(gè)輸入輸出模塊映射到控制系統(tǒng)中的一塊內(nèi)存，這個(gè)內(nèi)存包括了輸入輸出模塊每個(gè)通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及輸入輸出模塊的設(shè)置參數(shù)。用戶只需要訪問這塊內(nèi)存，就相當(dāng)于訪問實(shí)際輸入輸出模塊，剩下的處理由系統(tǒng)通過自身總線完成，只不過是輸入輸出模塊反饋或控制的現(xiàn)場設(shè)備信號數(shù)量與其通道數(shù)成確定性關(guān)系，無法擴(kuò)展增加。

采用現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，沒有了傳統(tǒng)的硬件線以及輸入輸出模塊，取而代之的是現(xiàn)場總線通信模塊與現(xiàn)場同樣帶通信端口的設(shè)備進(jìn)行連接，所有現(xiàn)場設(shè)備信息的傳遞采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議進(jìn)行傳輸。同樣現(xiàn)場總線接入設(shè)備的控制信息也是映射到控制系統(tǒng)的一塊內(nèi)存中，這個(gè)內(nèi)存也包括了控制設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，控制信號和設(shè)置參數(shù)，用戶也同樣只需要訪問這塊內(nèi)存就相當(dāng)于訪問實(shí)際現(xiàn)場的控制設(shè)備，剩下的由總線模塊處理。不同的是，現(xiàn)場總線設(shè)備接入的信息是可定義的，具體由現(xiàn)場總線設(shè)備廠家提供的GSD文件決定，而且這個(gè)GSD文件是可升級擴(kuò)展的，也就是說現(xiàn)場總線設(shè)備接入到控制系統(tǒng)的信息構(gòu)成是可組態(tài)的，只要設(shè)備具有這個(gè)信息。與傳統(tǒng)硬接線控制系統(tǒng)最大不一樣的是，現(xiàn)場總線設(shè)備傳遞給控制系統(tǒng)的信息要大得的多，這也是現(xiàn)場總線技術(shù)的最大優(yōu)勢之一，可以為控制系統(tǒng)的控制和維護(hù)，提供更多更實(shí)時(shí)的決策信息。

福建石獅鴻山1000MW發(fā)電機(jī)組輔機(jī)采用的IAP(工業(yè)自動(dòng)化通用技術(shù)平臺)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)最大的一個(gè)特點(diǎn)是跨平臺控制，也就是控制系統(tǒng)的監(jiān)控和程序組態(tài)軟件可以兼容不同廠家的硬件控制站，目前IAP可以支持硬件控制站有SIEMENS S7－300/400 PLC，RockWell 1756系列 PLC，OMRON CJ/CS系列PLC，Schneider Quantum 系列 PLC和 GE PAC3i/7i系列PLC等。

IAP控制系統(tǒng)在硬件支持跨平臺，同樣在傳統(tǒng)硬接線模塊和現(xiàn)場總線技術(shù)之間也很好地實(shí)現(xiàn)兼容控制，對于控制系統(tǒng)的邏輯組態(tài)界面和功能塊來說，并沒有差異，只通過輸入輸出功能塊的屬性參數(shù)就實(shí)現(xiàn)了兩者之間的融合，其工作原理如圖6所示。

在融合了硬接線設(shè)備和現(xiàn)場總線設(shè)備控制信息的接入處理后，對于控制策略來說就無差異了，圖7是現(xiàn)場總線設(shè)備的控制邏輯示例。

圖6 IAP硬接線輸入輸出和現(xiàn)場總線輸入輸出處理原理

圖7 現(xiàn)場總線設(shè)備控制邏輯示例

采用現(xiàn)場總線技術(shù)后的明顯優(yōu)勢之一就是人機(jī)界面顯示的設(shè)備信息更多了，便于用戶實(shí)時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，提高對設(shè)備的維護(hù)效率。在設(shè)計(jì)上，考慮到與傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)兼容，在設(shè)備操作窗上增加一個(gè)“FCS”按鈕，用于聯(lián)動(dòng)調(diào)出現(xiàn)場總線設(shè)備的輔助信息。圖8是人機(jī)監(jiān)控畫面——現(xiàn)場設(shè)備的操作窗和信息窗。

圖8 現(xiàn)場總線設(shè)備人機(jī)監(jiān)控畫面示例

7 結(jié)束語

隨著自動(dòng)化控制技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)和現(xiàn)場總線設(shè)備的完善和不斷發(fā)展，現(xiàn)場總線在火力發(fā)電廠的應(yīng)用也越來越廣泛，并以其數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，將火電廠的自動(dòng)化控制提高到一個(gè)新的水平，也促進(jìn)了現(xiàn)代化數(shù)字電廠的建設(shè)。福建石獅鴻山2*1000MW火力發(fā)電機(jī)組凝結(jié)水精處理和鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)的成功應(yīng)用，提高了電廠的自動(dòng)化管理水平，也有效地降低電廠的運(yùn)行和維護(hù)成本。

［1］雷霖.現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004:134－157.

［2］張興龍.基于現(xiàn)場總線技術(shù)的工業(yè)控制系統(tǒng)研究［J］.黑龍江造紙，2006(1):53－54.

［3］喻剛，舒志兵.基于CAN總線的ELMO伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［J］.機(jī)床與液壓，2008，36(7):302－305