現(xiàn)場總線系統(tǒng)PROFIBUS的特點優(yōu)勢及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展

前言

安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備與控制室內(nèi)的自控裝置之間的數(shù)字式、串行和多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。由于現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)，推動了現(xiàn)場智能設(shè)備和智能儀表的發(fā)展，促進了傳統(tǒng)DCS 系統(tǒng)和PLC 系統(tǒng)的融合，并推動了FCS（以現(xiàn)場設(shè)備為基礎(chǔ)形成的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)）的出現(xiàn)、發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

自現(xiàn)場總線概念提出以來，全球各大知名自控和儀表公司開發(fā)了數(shù)十種現(xiàn)場總線，目前在全球范圍內(nèi)被廣泛認可的現(xiàn)場總線系統(tǒng)包括：PROFIBUS、FF、ControlNet、PROFINET、PNET等十大總線系統(tǒng)。

隨著電力改革的深入，實行廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)的政策，各電廠為降低運行成本、減少設(shè)備檢修維護成本、縮短維護周期、實行狀態(tài)檢修，就需要對設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)視，并將各工藝段自動化系統(tǒng)整和在一起?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的出現(xiàn)，徹底解決了自動化孤島問題，使電廠基于設(shè)備狀態(tài)的檢修成為可能。

PROFIBUS 現(xiàn)場總線系統(tǒng)介紹

PROFIBUS 是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標準之一，以其獨特的技術(shù)特點、嚴格的認證規(guī)范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已成為最重要的和應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線標準。

PROFIBUS 現(xiàn)場總線通訊協(xié)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(yīng)用于自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信。

? PROFIBUS PA：電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)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(tǒng)中系統(tǒng)級和車間級的過程數(shù)據(jù)交換

采用PROFIBUS 現(xiàn)場總線的自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

從圖中可以看出，采用PROFIBUS 現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)可以分成現(xiàn)場控制層、監(jiān)控層和企業(yè)管理層三層。

現(xiàn)場控制層

現(xiàn)場控制層由現(xiàn)場智能設(shè)備、現(xiàn)場智能儀表、遠程I/O 和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成?，F(xiàn)場控制涉及PROFIBUS 協(xié)議PROFIBUS-DP 和PROFIBUS-PA 兩個部分。

PROFIBUS-DP 是高速網(wǎng)絡(luò)，通訊速率達到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠程I/O、執(zhí)行機構(gòu)、智能馬達控制器、人機界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設(shè)備， 一條PROFIBUS-DP 總線可以最多連接123 個從站設(shè)備。PROFIBUS-DP 的拓撲結(jié)構(gòu)可以是總線型、星型和樹型，通訊介質(zhì)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(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)，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(jié)構(gòu)。PROFIBUS-PA 主要用于連接現(xiàn)場智能儀表，如壓力、溫度、液位、流量等變送器及其執(zhí)行機構(gòu)等?？梢圆捎闷帘坞p絞線電纜，也可采用非屏蔽雙絞線電纜，可通過總線供電。

監(jiān)控層

監(jiān)控層由高速工業(yè)以太網(wǎng)以及連接在總線上的擔(dān)任監(jiān)控作務(wù)的工作站或顯示操作站、工程師站、PLC/DCS 控制器組成。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)的通訊速率也在不斷提高，目前工業(yè)級的千兆以太網(wǎng)已經(jīng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域大量應(yīng)用。

企業(yè)管理層

企業(yè)管理層由各種服務(wù)器和客戶機組成，主要由SIS、MIS 和ERP 系統(tǒng)構(gòu)成。其主要目的是在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，將電廠各工藝段（例如DCS 系統(tǒng)、輔機程控系統(tǒng)等）的數(shù)據(jù)和信息（如過程數(shù)據(jù)、報警信息和設(shè)備狀態(tài)等）進行匯總，從而集成企業(yè)的各種信息，實現(xiàn)與Internet 的連接，完成管理、決策和商務(wù)應(yīng)用的各種功能。通過管理層，公司和集團領(lǐng)導(dǎo)可以實時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，并通過授權(quán)還可以對各系統(tǒng)進行組態(tài)。

PROFIBUS 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)點

開放性

PROFIBUS 是一個完全開放的、與制造商無關(guān)的、無知識產(chǎn)權(quán)保護的現(xiàn)場總線標準，全球有超過250 家公司可以生產(chǎn)超過2000 種支持PROFIBUS 的系統(tǒng)和設(shè)備。PROFIBUS 的開放性保證了不同制造廠商的產(chǎn)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(shè)備和儀表，這些連接只需要產(chǎn)品制造商提供相應(yīng)的GSD 文件或EDD 文件，然后進行簡單組態(tài)即可實現(xiàn)。目前國際知名的自動化系統(tǒng)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(chǎn)品。在電力行業(yè)知名的DCS 制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON、FOXBORO 等都支持PROFIBUS 現(xiàn)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(xiàn)場總線已安裝運行節(jié)點數(shù)超過1000 萬個，大大高于其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)。PROFIBUS 是IEC61158 的重要組成部分，并于2001 年成為中國的行業(yè)標準JB/T 10308.3-2001。PROFIBUS 的可靠性表現(xiàn)在以下幾個方面：

? PROFIBUS 總線上的數(shù)據(jù)傳輸是完全基于數(shù)字信號實現(xiàn)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(xiàn)場智能設(shè)備，可以減少大量接線點，減少了由于接線不牢或接線不規(guī)范引起的故障。

? PROFIBUS 連接智能設(shè)備，減少了A/D 轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，提高了自動化系統(tǒng)的采集精度，為精確控制提供保障。

? PROFIBUS 上各設(shè)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(fēng)險；同時PROFIBUS 接頭可以保證總線上任何一個節(jié)點故障不影響系統(tǒng)通訊。

? 支持冗余總線系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。

靈活擴展

采用PROFIBUS 總線結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，擴展非常方便靈活，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

? 拓撲結(jié)構(gòu)靈活，可以支持總線型、星型、樹型、冗余環(huán)型等多種拓撲結(jié)構(gòu)。

? 支持光纖和雙絞線作為通訊介質(zhì)，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(guī)約的設(shè)備都可以連接到系統(tǒng)中。目前全球有超過1200 家公司可以生產(chǎn)超過2000 種支持PROFIBUS 的產(chǎn)品，因此具有很強的開放性和可擴展性。

? 提供多種接口設(shè)備，用于將冗余DP 總線轉(zhuǎn)換成單DP 總線和將冗余DP 總線轉(zhuǎn)換成PA 總線，可以將DP 總線轉(zhuǎn)換成Asi 總線等，非常便于擴展。

? PROFIBUS 同時可以支持PROFIsafe 協(xié)議，一條總線上既可以傳輸標準數(shù)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(lǐng)域的接口模塊，可以支持在危險區(qū)域的應(yīng)用。

實時性

采用PROFIBUS 總線的系統(tǒng)具有很高的實時性，這是由PROFIBUS 總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(xiàn)場總線。

計算PROFIBUS-DP 總線的響應(yīng)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(shù)，表示一個DP 從站建立通訊連接所需的數(shù)據(jù)位；

第一個N 表示整個PROFIBUS-DP 總線上的從站數(shù)量；

第二個N 表示整個PROFIBUS-DP 總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總數(shù)，單位為字節(jié)。

如果總線系統(tǒng)中還有PA 總線，則PA 總線的響應(yīng)時間為：

t Cycle_PA-channel = （317 x （nSlaves） + 8 x （nBytes） ） x Tbit

整個PROFIBUS-DP 系統(tǒng)的響應(yīng)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(yīng)時間為10ms，一個典型的通過PA 總線連接的執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)時間為15ms。

一個PROFIBUS-DP 從站的響應(yīng)時間《0.3ms。

因此可以確定PROFIBUS 總線系統(tǒng)是一個實時的系統(tǒng)。

PROFIBUS 現(xiàn)場總線系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計

在進行PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計需考慮如下問題：

? 需要什么樣的網(wǎng)絡(luò)功能

? 是否用于過程自動化

? 是否需要安全協(xié)議

? 是否通過總線連接驅(qū)動設(shè)備等…

? 是采用4-20 mA， 4-20mA/HART? 還是采用數(shù)字設(shè)備

? 通過PA 還是通過DP 連接

? 用于安全領(lǐng)域還是危險區(qū)域

? 現(xiàn)場需要多長的電纜，長度限制是多少

? 需要哪些過程數(shù)據(jù)（是否需要設(shè)備狀態(tài)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(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間是多少

? DP 響應(yīng)時間

? PA 響應(yīng)時間

當(dāng)用戶的要求清楚之后，我們就可以根據(jù)用戶的需求設(shè)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(tǒng)為例來簡單說明。

我們知道補給水系統(tǒng)由預(yù)處理系統(tǒng)、化學(xué)除鹽系統(tǒng)和酸堿系統(tǒng)構(gòu)成，主要工藝設(shè)備包括陰床、陽床、混床、酸堿箱、風(fēng)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(tǒng)，我們可以采用PROFIBUS 總線來完成監(jiān)控任務(wù)。

對于這樣的系統(tǒng)，我們可以采用遠程I/O 加智能DP/PA 儀表的方式來實現(xiàn)，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(shè)備的參數(shù)，IP65/67 防護等級的ET200X 直接安裝在現(xiàn)場，同時ET200X 提供模塊化的閥島模塊和馬達模塊，可以集中監(jiān)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(tǒng)中。

如下圖所示：

我們可以看到采用PROFIBUS-DP 的補給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡潔，但可以帶來很多好處：

? 設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)視；

? 基于設(shè)備狀態(tài)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(jiān)控電機啟停次數(shù)；

? 節(jié)省大量電纜；

? 真正分布式控制；

? 采用閥島模塊可以實現(xiàn)氣動革膜閥的集中控制，節(jié)約壓縮空氣；

? 縮短安裝周期，提前投入運行等。

應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)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(fā)的，完全是為了滿足工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，并且在各行業(yè)特別是冶金、石化、市政等行業(yè)都有很多應(yīng)用。

電力行業(yè)是一個自動化程度非常高的行業(yè)，如主機DCS 系統(tǒng)、脫硫DCS 系統(tǒng)以及主要輔機程控系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都存在可靠性要求高、監(jiān)控設(shè)備和對象多而復(fù)雜、實時性要求高等特點。特別是主機DCS 系統(tǒng)，涉及數(shù)百臺壓力和差壓變送器，數(shù)百臺電動或啟動執(zhí)行機構(gòu)，數(shù)百個溫度測點，系統(tǒng)要進行復(fù)雜的閉環(huán)控制、串級控制、三沖量控制、比率控制，要進行設(shè)備連鎖控制，要進行復(fù)雜的鍋爐燃燒管理、機爐協(xié)調(diào)控制。所有這些都需要有高可靠性的控制系統(tǒng)來保證整個生產(chǎn)過程的安全、穩(wěn)定、可靠運行。

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)和日臻成熟和電廠信息化要求的提高，基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)將為電力行業(yè)自動化系統(tǒng)提供更好的選擇。

目前制約基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)在電廠應(yīng)用主要問題，我認為主要包括以下幾個方面：

? 支持現(xiàn)場總線的智能設(shè)備造成初期投資的提高；

? 有些設(shè)備和儀表不帶總線接口；

? 哪些設(shè)備、儀表信息可以傳送；

? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何變化，如何構(gòu)筑一個基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)；

? 通訊是否可靠；

? 設(shè)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(jīng)多有論述，下面針對上海某化工廠CO 回收裝置自控系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)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(tǒng)的安裝調(diào)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(zhí)行機構(gòu)、變頻器、智能馬達控制器、閥門定位器等的條件已經(jīng)成熟，因為很多知名的儀表、設(shè)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(tǒng)和設(shè)備，而且價格也越來越與常規(guī)智能設(shè)備接近。而且基于HART 協(xié)議連接變送器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)在很多電廠獲得應(yīng)用，在集中校驗、提高采集精度等方面取得用戶的好評。而現(xiàn)場總線是比HART 協(xié)議更全面的總線，因此具有更好的應(yīng)用前景。在新建電廠的DCS、FGD DCS 和輔機程控系統(tǒng)都可以采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)，并且已經(jīng)有很多非常成功的應(yīng)用。

對于老電廠的改造系統(tǒng)，由于大量采用非智能儀表和執(zhí)行機構(gòu)，全面更換、更新可能性很小，對于這樣的系統(tǒng)，PROFIBUS 也可以提供很好的解決方案?？梢圆捎眠h程I/O 的方式，通過常規(guī)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(zhí)行機構(gòu)可以按設(shè)備生命周期逐批更換。

部分應(yīng)用實例

PROFIBUS 在電力行業(yè)最典型的應(yīng)用是德國尼德豪森電廠2X950MW 機組的DCS 系統(tǒng)。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(lián)產(chǎn)方式，總出力達到1012MW，由于采用了過程優(yōu)化技術(shù)，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(tǒng)中由于采用了PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備智能化，設(shè)備狀態(tài)和狀態(tài)信息都能通過總線傳輸

到DCS 系統(tǒng)中，是目前全球范圍智能化程度最高，采用總線技術(shù)最全面，裝機容量最大的機組。

除了DCS 系統(tǒng)之外，西門子公司還提供了汽機的DEH 系統(tǒng)、智能儀表、執(zhí)行機構(gòu)、SIS、MIS、馬達保護裝置等系統(tǒng)和設(shè)備，并承擔(dān)了控制室的設(shè)計任務(wù)。

DCS 系統(tǒng)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(guān)量輸入3798 個、開關(guān)量輸出67 個，這些信號中采用常規(guī)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(xié)議的儀表通過HART 協(xié)議與遠程I/O ET200 通訊。整個系統(tǒng)包括721 臺馬達、670 個電磁閥、957 個閥門定位器、698 臺電動執(zhí)行機構(gòu)和350 個現(xiàn)場控制器，這些智能設(shè)備均通過PROFIBUS-DP 與DPU 相連。

整個系統(tǒng)于2002 年12 月投入商業(yè)運行，整個系統(tǒng)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(tǒng)采用PROFIBUS 總線，柏林北部電廠DCS 系統(tǒng)采用PROFIBUS 總線，慕尼黑電廠DCS 系統(tǒng)采用PROFIBUS 總線，禮克林豪森電廠DCS 系統(tǒng)采用PROFIBUS 總線等很多國外電廠的DCS 系統(tǒng)都采用了PROFIBUS 總線結(jié)構(gòu)。

在國內(nèi)電力系統(tǒng)中也有很多應(yīng)用，如江蘇夏港電廠DCS 系統(tǒng)采用PROFIBUS 總線，韓峰電廠DCS 系統(tǒng)采用PROFIBUS 總線，山東萊程電廠DCS 系統(tǒng)以及華能玉環(huán)電廠主廠房外補給水系統(tǒng)均采用了PROFIBUS-DP 總線結(jié)構(gòu)。

因此，可以毫不夸張地說，采用PROFIBUS 現(xiàn)場總線的新一代過程控制系統(tǒng)必將成為保證電廠安全可靠運行的生力軍。

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