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Profibus现场总线技术在大型百万火电机组中的应用

发表时间：2020/1/8 来源：《科技新时代》2019年11期作者：龚大虎

[导读] 现场总线(FCS)技术作为一种新型技术，对工业发展起着非常重要的作用，已经广泛应用于化工、冶金、石油等行业。

龚大虎
        中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司济南市 250102



        摘要：现场总线(FCS)技术作为一种新型技术，对工业发展起着非常重要的作用，已经广泛应用于化工、冶金、石油等行业。在电力行业中，作为连接生产现场显示仪表、控制设备、变频器等自动化装置的通信网络，FCS在设计、安装、投运等方面具很大的优越性，在电厂自动控制领域中具有广阔前景。现场总线控制已成为一种成熟的控制，应用现场总线技术是电力系统信息集成化的需要。基于此，简单介绍了Profibus现场总线的特点，以及现场总线在某电厂锅炉系统中的应用情况。及在总线安装和调试过程中遇到的问题和解决办法。
        关键词：Profibus；现场总线；技术；火电机组
        1.Profibus介绍
        目前应用比较广泛的FCS技术主要有P-NET、Profibus、FF。Profibus现场总线技术是由西门子公司等13家企业和5家研究机构在德国联合开发，于1996年成为欧洲标准EN50170、1999年成为国际电工委员会的现场总线国际标准IEC61158的组成部分；Profibus只采用了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层；支持纯主方式、主从方式、多主多从的通信方式。包括Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三个兼容部分，其特点和应用范围：
        Profibus－DP具有高速的通信连接，是通信速率最快的总线，最高通信速率可达12M。主要使用于工厂自动控制系统以及设备级分散I/O之间通信设计。使用Profibus-DP模块可取代价格昂贵的24V或0-20mA并行信号线，用于分布式控制系统数据传输。Profibus-PA过程通信总线，具有Profibus-DP测量值和状态传输的基本功能，以及对现场装置进行参数设置和操作的Profibus-DP扩展功能。适用于过程控制自动化设计，标准的本征安全的传输技术，实现了IEC1158-2中规定的通信规程，用于对安全性要求较高的场合及由总线供电的站点。Profibus-FMS、解决车间级通用性通信任务，提高大量的通信服务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、可编程程序控制器、低压开关设备等一般自动化控制的特点和应用范围。
        2．Profibus在某电厂锅炉系统中的应用
        该电厂一期工程建设规模为2台1000M高效超超临界燃煤清洁发电机组，几乎实现了现场总线的全覆盖，信息集成化度高。在锅炉系统中，共设有16个就地总线柜（控制柜）。所有调节型电动门和大部分开关型电动门采用Profibus-DP通信控制。炉八角24台喷嘴摆动气动执行器和大部分压力、流量智能变送器采用Profibus-PA通信控制。基本实现了总线的全覆盖。

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        在该系统中使用了适合于现场层高速传送数据执行机构的Profibus-DP总线控制，通过Profibus接入DCS系统。该系统采用支持Profibus-PA现场总线的智能变送器和气动执行机构，以及支持Profibus-DP的电动执行机构，实现测量值和状态的传输。挂接在现场总线上的所有变送器都由总线供电，总线链路接口和总线电源均为冗余配置，执行机构也连接在冗余总线上。
        3．总线的敷设和接线过程中应注意的事项
        3.1总线敷设注意事项
        为保证现场总线设备通信不受竖井、桥架等动力电缆的干扰以及便于今后的维护，要求敷设安装专门的现场总线电缆桥架，专门的总线竖井。若部分现场总线电缆桥架或槽盒附近出现380V电源电缆，则需利用套管将电源电缆进行隔离并保证10CM以上的安全距离；总线电缆与10KV动力电缆必须分桥架进行敷设，且应保证20CM以上的安全距离；总线电缆应与变频设备的动力电缆保持至少1M以上的安全距离；总线通信柜与变频动力柜应保证至少2M以上的安装距离。每个PA网段的干线总长度不得超过800M，分支长度不应超过30M。速率为500K的DP网段总长度不得超过400M；总线网段电缆需标记清晰，每条总线网段需标记清楚该网段中所属各总线设备连接的先后顺序，PA总线盒上需标记清楚来自哪个总线通信柜的哪个网段，并且标记清楚每个通道口所连接的设备名称及KKS编码；电缆槽盒到总线设备这段总线需要套金属软管，且在槽盒一端使用接头固定，保证金属软管与槽盒接地；DP及PA通信电缆的敷设应以网段为单位，若该网段上有设备未安装，电缆也应照常敷设并预留未装设备所需的长度。
        3.2接线注意事项
        连接冗余设备（电动执行机构、电气的马达保护装置等）的总线电缆应按“1进”、“1出”、“2进”、“2出”的方式标记清楚；9针插头若只连接一根总线，则接在插头的进线处，并且将拨码拨至“ON”，若连接两根总线，则分别接在进线和出线上，并且将拨码拨至“OFF”；现场总线通信线的接线方式为：红线接B(+)，绿线接A(-)；通信线剥出的没有屏蔽的接线部分应尽量短，应控制在5cm以内；任意两个相邻的PROFIBUSDP、PA设备间的电缆长度不应小于1m；ProfibusDP总线设备需多点接地；PA总线要求单点接地，即所有的PA设备屏蔽需汇总到现场总线通信柜中集中接地。PA总线盒中原有的接地线需解除，且现场PA设备一端的PA总线屏蔽层剪掉并用绝缘胶布包好；PA总线接线先接就地PA盒的线，再接总线箱的线，防止烧坏卡件
        总的来说，总线的敷设和接线的大部分注意事项，其目的就是尽可能的防止信号干扰，保证设备的精确快速控制。
        4.调试中常见的通讯问题
        4.1通信主站无法与设备建立正常的通信连接，物理层连接有误：主要可能性为电缆或光缆断路，电缆的A\B线短路，电缆的A/B线接反，通信距离超过允许范围；设备参数设置有误：主要可能性为设备通信地址设置错误，将网段中间的设备设置成终端从而导致后续设备断路；通信主站出现故障
        4.2设备与主站通信正常但无法远控，该问题的主要原因为设备的通信参数未设置正确，很多执行机构需要设置总线型才可操作。
        4.3设备通信不稳定
        通信电缆和动力电缆的距离过近（解决方法：将通信电缆和动力电缆之间的距离扩大到20cm以上，最好可以分线槽敷设）；总线网段的终端未安装终端电阻或终端电阻未上电；
        （解决方法：检查终端电阻安装是否到位，是否与网段设备接通，供电是否正常）；设备未接地或总线电缆的屏蔽层未正常接入设备（解决方法：检查设备接地和电缆的屏蔽是否正常接入）。
        5.结语
        鉴于目前现场总线在单元机组控制应用中处在发展阶段，现场总线的应用，不仅要考虑到造价、功能、效益和方便性，还必须兼顾技术和安全性；虽然现场总线技术在电厂中开始广泛应用，但还有很多问题没有完全解决，所以现场总线并没有完全应用到现场DCS系统中，但随着现场总线技术越来越成熟，相应产品越来越完善，现场总线技术必将是今后电厂自动化的潮流趋势。我相信，随着科技的蓬勃发展，工业控制无线化的兴起，未来技术肯定会将总线和无线有机的整合起来，控制系统将会是一片崭新的局面。

        参考文献：
        【1】崔逸群,李昱,颜渝坪,etal.国产Profibus现场总线控制系统在火电厂的全面应用[J].中国电力,45(10).
        【2】陈静.Profibus现场总线技术在新建电厂中的应用[D].华北电力大学(北京),2016.