智能电厂现场总线技术及其应用

智能电厂现场总线技术及其应用

王帆

大唐三门峡发电有限责任公司   472143

摘要：作为下一代控制系统，现场总线技术(FCS)克服了DCS专用通信网络的缺点，将DCS集中分散的结构升级为新的全分布式结构，同时将控制功能完全卸载到现场。开放、分散和数字通信是现场总线系统的最显着特点。现场总线技术是实现现场设备数字化和联网的一种新的分散、完全开放和完全数字化的控制手段，其基本目标是实现设备整个技术过程的信息数字化，特别是来自基本控制级别的信息，这些信息通过现场总线大量地传送至控制室，从而实现现场设备的在线故障预测和在线维护。大量的现场设备实时信息也为操作决策提供了参考和依据。

关键词：现场总线技术；智能电厂；设备智能化

引言

现场总线也称为第五代控制系统，是近年来电气工程和自动化科学技术领域最常用的工业数据总线。它通常用于解决智能仪表、控制器、执行器等控制设备之间的数字通信。在现代工业中，作为通讯系统，它使用一类传输介质(如双绞线、光纤等)，用比特串传输，将分散的现场设备(如传感器、执行机构、驱动器、变送器等)连线到中央控制或管理系统。现场总线具有方便性、可靠性和高性价比等诸多优点，得到了大多数发电企业的好评。

1现场总线技术

根据现场总线基金会的定义，“现场总线（PROFIBUS）是连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信链路，它是用于工业自动化领域的许多局域网之一”。常见的现场总线有PROFIBUS、 MODBUS、FF、CONTROL NET等几种。我们现场使用的是基于PROFIBUS的现场总线。

PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS传送速度可在9.6kbit/s～12Mbit/s范围内选择，且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。

PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。主要使用主-从方式，通常周期性地与传动装置进行数据交换。我厂的系统中主要用到以下协议：

PROFIBUS–DP(Decentralized Peripherals)传输速度快，数据量大。是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代24VDC或4－20mA信号传输。主要用于DCS系统内以及DCS与阀岛，变频器，智能马达控制器，现场执行器之间的通讯。

PROFIBUS–PA(Process Automation)传输速度慢，数据量小，专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范，总线可以给仪表供电、本质安全。主要用于DCS与现场仪表的通讯。

2 发电厂现场总线结构图

主站（DP主站）：索取数据的站。

从站（DP从站）：提供数据的站。

地址号：给每个站分配的地址编号（0-126）。

光电转换器：链接光纤盒双绞线这两种通讯介质的中继设备。

终端电阻：布置在总线两端，用来消除在通信电缆中的信号反射。

浪涌保护器：当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。

魏德米勒分线盒：PA网段分线盒，其下最多可挂四个PA设备，电流有三个档位可调20，40，60，通过拨码调整。

3 故障排查

PROFIBUS是一种抗干扰性比较强的现场总线，但不时还会发生一些故障。在处理故障的过程中我们发现，造成PROFIBUS通讯出现故障的原因，80％都是最常见的原因，比如：链路末端的终端电阻未连接，总线电缆短接或者反接，总线电缆屏蔽地接地不良、布线时与动力电缆没有分开等等；因此为了避免PROFIBUS网络后期运行时出现故障，首先应该注意按照PROFIBUS的规范进行网络设计，同时严格遵守安装规范的要求进行现场施工。PROFIBUS现场总线通讯故障主要有可能来自三个方面，通信主站、连接线路、通信从站，在实际通信故障的排除过程中将这三方面隔离判断可以快而准确的发现故障。在实际过程中可以采用以相同或类似的设备替代主站，分段或改变连接线路，减少或交叉替换从站等方法有效排除故障。

4故障诊断方法

PROFIBUS总线通讯正常时，主站与现场从站设备数据交换正常，用PROFITRACE诊断工具侦听总线数据，没有错误帧，没有同步帧（主站与从站重新建立通讯。如果组态了该设备，但是设备没有连接到现场总线上或者设备掉电则出现SYNC同步帧是正常的）。

PROFIBUS总线通讯故障表现为从站设备无法与主站建立正常通讯、主站与从站通讯时好时坏、总线上数据出现错帧、无效数据。用PROFIBUS总线故障排查工具PROFITRACE侦听总线上的通讯报文，观察主站与从站之间的通讯是否正常，一般情况下周期数据交换正常，无红色帧（ErrFrame、WrongSD、ParityError，无SYNC帧即为正常。如果没有周期数据交换，有红色错帧（ErrFrame、WrongSD、ParityError），有SYNC帧则表明通讯有异常。

PROFIBUS-DP网段故障，当在操作员在线调试发生仪表无法操作的情况，首先检查组态和逻辑，确保组态的GSD文件和地址就地仪表对应。如核对组态无误后，需检查现场排查机柜故障。

PROFIBUS PA网段故障，同PROFIBUS-DP网段故障一样，先检查组态和逻辑，如果组态和逻辑无误后总线机柜光电收发器是否正常工作，以及从光电收发器到K-JNCT01模块的接线是否正确。如果以上无误，需检查现场排查机柜故障。

5现场总线在发电厂的应用

为了保证机组正常运行的稳定性和可靠性，目前现场总线在发电厂中主要运用在主机纯显示或不参与自动、保护逻辑运算的测点（如压力变送器、气动执行器定位器等），以及非重要电动执行机构、电泵的控制等。在电厂相对独立的辅助公用系统中也得到了广泛应用，如以下系统，化学水处理系统、污水处理系统、输煤系统、干除灰系统、除渣系统、空压机系统、氢站、油库等，这些系统主要是以开关量信号为主，模拟量调节较少，因此应用较多。

结束语

现场总线技术在发电厂的应用，能够实现对现场运行设备信息的在线分析，远程故障排除等，大大提高了设备管理水平，使用数字信息进行交流，减少了设备的维护量。对于新建电厂来说，电缆用量少，造价低，有效地减少了新建电厂的成本，得到了发电企业的广泛应用。

参考文献

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[2]赵婧.基于现场总线技术的智能化电厂设计[J].数字通信世界,2019

[3]冯言勇,李昱,方俊伟.国内大型火电机组基于现场总线技术的智能化电厂设计[J].中国仪器仪表,2019

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[5]陈建斌.现场总线技术及其应用要点[J].热力发电,2019