現場總線控制系統在火電廠的成功嘗試

　　現場總線技術自80年代末至90年代初, 逐步形成第五代過程控制體系結構(現場總線制式FCS：Fieldbus Control System)，FCS在國外的制造、石化、樓宇等行業應用較廣泛，在國內石化、化工、冶金等過程控制領域也開始推廣。到目前為止，國外火電廠FCS仍以中、小型工程的示例居多，完整FCS網絡應用于大型電站的示例目前只有德國尼德豪森電廠的報道。在國內，個別電廠部分設備和局部系統采用了現場總線技術，但缺乏完整系統的應用示例。

　　華能玉環電廠4×1000MW超超臨界燃煤機組水處理控制系統采用Profibus現場總線技術，進行了全新的設計、開發、試驗、安裝、調試。該系統完全按照現場總線技術的設計理念，構建了監控層網絡(冗余工業以太網)、控制層網絡(冗余Profibus光環)和現場設備層網絡(Profibus-DP,PA);系統中采用了多種現場總線智能儀表和設備，并集成不同公司的Profibus產品，實現互聯和互操;開發了中文界面的信息診斷和設備管理軟件，充分利用現場總線儀表和設備提供的狀態和診斷信息，發揮現場總線技術本質的優越性。該套FCS系統已于2006年2月底投入穩定、長期運行。

　　一、華能玉環電廠Profibus現場總線控制系統網絡結構

　　華能玉環電廠水處理FCS控制和監視系統，包含了鍋爐補給水處理和工業廢水處理兩個子系統。兩個子系統各配置一對冗余PLC控制器(西門子 S7-417H)，冗余控制器通過冗余Profibus-DP光環與現場冗余通訊鏈路器(Y-LINK)相聯。現場Y-LINK產生的Profibus-DP支路掛接DP通訊接口的儀表、控制單元;通過DP/PA耦合器產生Profibus-PA支路，掛接現場的PA變送器。鍋爐補給水和廢水處理各自的PLC控制器形成2個獨立的主控Profibus-DP冗余光環。廢水控制系統的控制器通過冗余光纖聯到鍋爐補給水控制機柜內的交換機上。水處理FCS控制監視系統配置2個操作員站，1個工程師站(可兼操作員站)，安裝在鍋爐補給水控制室。操作員站、工程師站、控制站通過工業級交換機連接到雙星型工業以太網中。

　　由于目前Profibus-DP和PA儀表和設備均無冗余通訊接口，因此在儀表和設備相對集中的現場設計DP或PA支路，連接這些設備。而不同區域之間的DP、PA支路，通過Y-LINK接入冗余DP光環。這樣既保證了電廠通訊網絡的可靠性，又滿足了Profibus現場總線設備的通訊條件。水處理FCS監控系統的網絡總體結構如圖1-1所示。　　

　　圖1-1華能玉環電廠水處理FCS監控系統網絡總體示意圖

　　在Profibus-DP支路上連接了四類DP儀表和設備：超聲波液位計(單點或雙點)、電機保護和控制單元(SIMOCODE)、變頻器、開關量控制單元(ET200x)及氣動閥島。在Profibu-PA支路上連接了三類PA儀表：差壓(流量)變送器、壓力變送器、磁翻板液位變送器。這些儀表和設備來自西門子、ABB、FESTO(費斯托)等國外公司和上海某儀表公司。

　　二、現場總線儀表和設備的應用

　　國際上有上百家公司支持Profibus標準，生產符合該現場總線國際標準的產品。集成和應用現場總線儀表和設備是FCS的關鍵技術之一，特別是實現不同公司產品的互聯、互操具有重要的工程意義。以下簡要介紹幾類典型的Profibus設備和儀表的集成和組態。

　　2.1電機保護和控制單元(SIMOCODE)

　　SIMOCODE具有Profibus-DP通訊接口，通過軟件組態可實現對電機的正轉、反轉、停止控制，還具有過流報警、過流和堵轉保護跳閘、起動曲線設定、過流冷卻保護等功能。通過Profibus網絡，能夠在工程師站對SIMOCODE進行監視、調整參數和修改軟件組態。

　　SIMOCODE通過DP總線與控制器交換的數據能夠組態設定，循環周期通訊數據可組態為輸出4字節，輸入4～12字節。我們根據現場設備配備的實際情況，組態了4字節輸入和4字節輸出(循環周期通訊數據)，讀入非循環周期通訊數據20字節，包括報警、診斷、統計數據，用于信息診斷和設備管理。

　　控制邏輯向SIMOCODE發出的的控制指令字節，包括正轉、反轉、停止、過載測試、緊急啟動、就地手動/遠方自動、故障復位、CPU故障/正常;控制器讀入SIMOCODE的反饋字節，包括電機電流(模擬量，2字節)、電機運行、停止、過載報警、就地手動/遠方自動、電氣總報警、電氣總故障、接觸器異常失電、母線電壓低、斷路器保護跳閘。我們利用SIMOCODE的智能控制，組態了現場的保護跳閘功能：接觸器異常失電、母線電壓低、斷路器斷開等條件出現，即刻自動跳閘電動機，不需要控制器的指令。

　　2.2 開關量控制單元(ET200x)和閥島

　　ET200X是一種分布式I/O控制單元，設計的保護等級為IP65/IP67。在系統中，它作為DP從站，需要通過編程與控制器主站進行數據交換。ET200x(西門子)輸出指令控制閥島模塊(FESTO公司)，實現對氣動閥門的控制。我們定義了4字節輸入和4字節輸出，包含了氣動閥門的控制指令和氣動閥的開、關反饋。每個氣動閥門電磁閥箱中，配置一套ET200x和閥島單元。

　　ET200x可通過2組DP通訊接口與DP主站交換數據，經過實驗室和現場多次研究和試驗，實現了穩定、可靠的通訊。

　　2.3差壓和壓力變送器

　　采用了ABB公司的Profibus- PA 現場總線儀表。在國內以往的工程中，西門子設備與ABB公司現場總線儀表沒有集成在一個系統中運行的經驗，所以系統建立之初出現了通訊無法建立的現象。經過研究、試驗，解決了通訊協議、接口和電子描述軟件匹配的問題，并進行硬件設置調整，最終建立了穩定的通訊。

　　經過組態，PA差壓和壓力變送器在循環數據通訊中向DP主站傳送10字節數據，分為2組。第1組5字節是流量或差壓測量值(浮點數)及其狀態。第2組5字節為差壓或溫度測量值及其狀態。狀態字節共8位分三段，分別表示測量值質量好、壞或值不確定三類狀態，在每類狀態中還細分為多個子狀態。磁翻板液位變送器的輸入數據為5字節，數據結構與上述相似。

　　根據變送器的循環數據通訊，開發了中文界面的狀態、診斷信息功能。

　　三、中文界面的現場實時信息診斷和設備管理軟件

　　現場總線技術的本質性優點在于突破了信號傳輸的“點對點”模式，現場儀表和設備能夠與主控單元、HMI進行雙向數據傳輸。豐富的數據需要實用的軟件進行處理、分析和綜合成為有用的信息，實現高層次的診斷、管理、優化功能。

　　在華能玉環電廠水處理FCS系統中，采用了西門子公司的SIMATIC PDM(過程設備管理)軟件用于PA儀表管理。PDM軟件有一定的局限性，表現在：①PDM是基于EDD標準的軟件，儀表生產商必須開發和提供EDD軟件，才能被PDM管理，如超聲波液位計不能提供EDD就無法管理;②PDM軟件需要人工激活，無法自動循環采集現場儀表和設備狀態和診斷信息;③PDM軟件界面沒有漢化。針對上述存在的問題，在本項目中設計并開發了適合火電廠運行及熱工維護人員使用的“化水和廢水系統信息診斷和設備管理軟件”。該軟件分別在下位控制器和上位工程師站、操作員站運行，上位機畫面使用IFIX3.5設計友好的中文人機界面，使電廠運行和熱工維護人員比較容易掌握、便于使用。

　　該軟件分兩部分，一部分運行在控制器CPU，自動完成循環通訊數據采集，還可根據工程師站的指令，完成非循環通訊數據的采集，然后對數據進行處理和分析成為狀態和診斷信息。這些信息通過OPC通訊方式存儲到工程師站的數據庫中。軟件的另一部分運行在工程師站和操作員站，如OPC通訊、圖形處理、指令處理等。呈現在運行和維護人員面前的是中文界面的狀態診斷信息和遠程設備管理的窗口。

　　3.1變送器信息和診斷

　　如2.3節所述，差壓變送器的循環數據通訊有10字節，分為2組。如某變送器定義在控制器內存中映射地址I524～I533。它們代表變送器測量的2個物理量及其狀態。第1組I524～I527是第一測量值(浮點數)，I528是其狀態值。第2組I529～I532為第二測量值，I533是其狀態。狀態字節共8位分三段，分別表示測量值質量好、壞或值不確定三類狀態，分析每類狀態中的子狀態，設計了中文界面的狀態、診斷信息窗。“質量好”的子狀態包括正常、高1/高2報警、低1/低2報警、事件更新;“質量壞”子狀態包括設置錯誤、設備故障;“值不確定”子狀態包括超出范圍、設備重啟未更新、手動模擬狀態、補償傳感器失靈。中文界面窗口見圖3-1。

　　圖3-2 變送器信息診斷窗口

　　3.2 超聲波液位計診斷信息和管理

　　超聲波液位計由于不具備EDD文件，所以PDM軟件無法管理。在研究了該設備通訊數據結構的基礎上，編程組態了循環周期通訊數據-輸出7個字，輸入10個字，開發了狀態診斷信息顯示和遠程參數設置的功能。中文界面窗口見圖3-2。該軟件功能使運行和熱工維護人員能夠在集控室監視儀表的運行狀況，進行參數檢查和維護設置。這樣不僅減輕了勞動強度，提高了工作效率，而且增強了系統的可靠性和可維護性。　　

　　圖3-2 超聲波液位計診斷和管理窗口

　　3.3 電機控制和保護單元(SIMOCODE)

　　利用其循環通訊數據，形成了狀態和診斷信息，這些信息包括：正、反轉、停止、自動/手動、過載報警、電氣報警、電氣故障等狀態，以及斷路器保護跳閘、斷路器異常失電、母線電壓低等電機跳閘原因。模擬量為電動機電流。這些信息顯示在供運行員使用的窗口中(參見圖3-3)。