一、引言 進入二十世紀九十年代以后，現場總線控制系統（FCS—Fieldbus Control System）走向實用化，目前已成為自動化技術中的一個熱點。隨著電力建設的迅速開展，以及現場總線技術和產品的成熟，在新建和改造電站工程中引入現場總線技術和相關產品的呼聲越來越高。經過數年的爭論和實踐，當初“DCS必然被現場總線控制系統完全代替而消亡”的斷論，逐漸被一種更理性和寬容的觀點所補正，現在一般認為：現場總線控制系統并不能在所有的地方都能發揮它的優勢，尤其是在發電廠這樣一些測點和現場裝置密集、控制邏輯復雜的領域，一段時間內將存在著傳統DCS、數字網絡通訊技術和現場總線等多種技術的復合應用局面。但是，推廣應用現場總線系統，實現現場設備級的數字化是實現火電廠全面數字化的關鍵一步，國內外已有一些電廠進行了應用。本文以浙江國華寧海電廠一期工程為例，介紹現場總線技術在國產600MW機組上的應用嘗試。 二、PROFIBUS及在電廠的應用 （一）PROFIBUS總線技術 PROFIBUS是德國于90年代初制訂的國家工業現場總線協議標準，代號DTN19245，目前是IEC 61158國際標準中的Type3部分。PROFIBUS網絡協議以ISO的OSI七層參考模型為基礎，對第三層到第六層進行了簡化。在TEC61158中Type3的第一部分定義了PROFIBUS的物量層和鏈路層協議，物理接口采用EIA RS-485標準，網絡拓撲為線性總線兩端加終端電阻，采用sub-D9 芯網絡接口插頭。在鏈路層采用混合介質存取方式，主站間按令牌環方式，主站和從站間按主從方式工作。主從站最多127個，每段最多32站，段間采用中繼器連接，最大傳輸距離1200m。 根據總線結構與實現任務的不同，PROFIBUS系列分為PROFIBUSDP、PROFIBUSPA 、PROFIBUSFMS三個兼容部分。分別在IEC61158中Type3的第二、第三、第四部分進行定義。其中第二部分定義了應用層協義，稱為PROFIBUS-FMS，它提供強有力的通信功能。第三部分定義了DP協議，用于分散外設間的高速數據傳輸，是一種經過優化的高速通信連接，專為自動控制系統與設備級分散I/O之間通信設計的，其傳輸速率可達12Mbit/s。第四部分為PA協議，用于安全性較高的場合。 PROFIBUS上連接著的每一總線設備在用戶接口中存在著GSD（設備性能描述文件），用于描述設備所具有的不同性能特征，包括如I/O數量、診斷信息以及總線參數等，以達到即插即用。 與其它現場總線系統相比，PROFIBUS經實際應用驗證具有普遍性。市場調查確認，在德國和歐洲市場中PROFIBUS占開放性工業現場總線系統的市場份額超過40%。不久前PROFIBUS國際組織宣布，截止2003年底，工廠和過程自動化應用系統所安裝的PROFIBUS設備已經歷史性地突破了一千萬套，比其它任何現場總線解決方案都高出許多。 （二） PROFIBUS在電廠的應用 早在九十年代末，就有報道現場總線控制系統就已經在美國、墨西哥、巴西等國家的電廠中得到應用。西門子作為全球工業自動化領域的供貨商，在電站自動化設備方面一直致力于支持ROFIBUS現場總線協議的技術和設備的開發，其產品和解決方案幾乎應用于所有工業行業當作。其它眾多電力設備廠商也提供了對PROFIBUS的支持。在國內，PROFIBUS技術從2000年開始已成功應用于電站的輔機程控中，例如在四川廠安電廠輔機控制系統中，現場設備的控制全部采用了PROFIBUS技術，得到了用戶的高度評價[1]。在連云港新海發電廠在200 MW 12號機組的DCS改造工程中，采用了南京西門子公司的DCS，增加 PROFIBUS-DP接口，直接控制現場設備，也并取得成功[2]。 三、寧電工程分散控制系統 （一）系統概貌 浙江國華寧海發電廠一期工程建設四臺亞臨界600MW燃煤發電機組，三大主機由上海電氣集團提供。采用四機一控的集控方案，DCS采用南京西門子電站自動化有限公司的Teleperm-XP系統，該系統在國內已有多套投入運行。系統采用電廠總線、終端總線兩級總線結構，通信介質為光纖。分為3個信息級： 1．自動控制級，自動控制單元AS620掛于電廠總線工業以太網上，用以實現過程任務的控制； 2．過程級，包括組控制和單獨控制,信息處理單元（PU）和信息服務單元（SU）位于電廠總線與終端總線之間，用以處理、協調和儲存來自底層的自動控制級及上層操作員級的信息； 3．操作監視級：操作員終端（OT）以及廠級信息系統接 口與終端總線相連。兩級總線網通過星型耦合器監視模件中的開斷點，實現環形結構。 AS620自動控制單元是T-XP與過程的界面。它被用來采集從現場儀表送出的模擬量及開關量過程信息。AS620根據這些信息做相應的開閉環控制算法處理，再輸出操作指令到執行機構（電動機、閥門等）。它的核心是自動處理器AP。AP硬件的基礎在于強有力的SIMATIC中央處理單元。 （二）總線通訊以及系統互連技術 總線系統分為各自冗余的SINEC HI FO工廠總線和終端總線，采用星形耦合器通過光纖電纜連接構成虛擬環型結構，其通訊速度為100Mbps。最大為1024個子站，單環光纜總長最大為4.3Km，可用率高、通訊速度快、容錯性好。 所有互連的T-XP組件使用統一的通訊機理和數據結構，并采用統一的時鐘，以保持同步。SIMATIC NET總線由電廠總線和終端總線組成，電廠總線用于AS620、OM650、ES680之間的通訊；終端總線用于PU/SU和OT之間的通訊。 T-XP有多種接口模塊用于內部系統之間以及和外部系統的互連，其中，IM308-B/C接口模件用于分布式I/O站ET200與AP之間相連。采用基于PROFIBUS-DP的SINEC L2 DP總線系統，一個PROFIBUS-DP總線鏈可以鏈接多達8個IM318-B/C 模塊。ET200站通過接口模件IM153/ IM318成為PROFIBUS總線系統的DP從站，多個接口模件可構成冗余配置，形成與DCS的無縫鏈接。PROFIBUS總線可以是雙芯電纜或光纖。 四、PROFIBUS-DP在寧海電廠的應用 PROFIBUS總線技術在寧海電廠的應用分為2種情況，一種是簡單地采用PROFIBUS總線通訊，通過T-XP系統的PROFIBUS接口模件，將遠程I/O站或者其它系統無縫納入DCS；由于就地設備未能完全實現數字化，這樣的系統只能稱為數字化DCS的一種形式。另外一種方式是在外圍或者相對獨立的系統中實現到設備級的現場總線控制。下面分別以DEH和閉式循環水系統為例進行分析。 （一）采用PROFIBUS-DP總線的系統互連 本工程汽輪機組采用了由西門子公司提供的純電調和高壓抗燃油液壓伺服系統組成的數字式電液控制系統，主機型號為AS417H。由于汽輪機控制的快速性，DEH需要10ms左右的控制周期，而PROFIBUS-DP適合于分散外設間的高速數據傳輸，是一種經過優化的高速通信連接，能滿足快速控制的需要。 DEH控制系統I/O接口是AddFEM模塊，其它信號采集采用其它遠程I/O站掛在PROFIBUS總線上。AddFEM模塊是專用于汽輪機控制的數據采集處理模塊，屬于西門子Add7系列，采用專門設計，信號采集周期快達1ms，以適應汽輪機控制中對各種信號的快速采集與處理，其總線地址通過面板上的發光二極管設置。整個汽機控制回路周期為6ms。 為了提高可靠性，主機AS417的CPU、PROFIBUS總線和AddFEM模塊都采用雙冗余，2個AP通過機柜總線通訊。所有進入控制和保護系統的重要模擬量（轉速、功率、壓力等）三重冗余，重要開關量三重或雙重冗余。冗余信號分別進入不同的AddFEM模塊，2個AP并行地進行處理，但是只有主AP輸出控制信號。 （二）閉式循環水的現場總線控制系統 1．系統結構 閉式水系統就地設備分布廣，就地的控制相對又簡單，適于發揮現場總線系統的優點，為此我們在閉式水系統控制中采用了現場總線方案。單元機組開閉式水系統約有34個現場總線設備（智能電動執行機構），分成兩個不同區域。 為了提高安全性可靠性，總線光纖、作為總線上的第一類DP主站的AP和相應的光電轉換裝置也都采用了冗余結構。AP以及其接口模塊IM308C和2臺光電轉換裝置置于電子室DCS的機柜中，就地另外有總線I/O柜，內含2臺光電轉換裝置，置于汽機房零米層。 2．執行機構 電動執行機構采用原裝進口德國歐瑪公司的產品一體化智能型產品AUMA MATIC，帶有雙通道PROFIBUS-DP冗余總線接口，作為DP從站掛在總線上。開關型電動執行機構可以接受開、關、停數字量控制信號。本體配置手輪和手/自動切換機構以及開、關按鈕，并有相應的位置指示燈，以實現就地操作。 3．系統組態與運行 DP主站的AP中的IM308C模件具有用于通信的CPU和存儲單元FLASHROM（快速可擦寫可編程只讀存儲器），PROFIBUS-DP網絡結構圖及相應的用戶通信程序可灌入該模件的FLASHROM中。當IM308C啟動時，將運行于FLASHROM中的用戶程序建立網絡結構，通過對AUMA電動門芯片上地址（設備編號）的辨認建立網絡連接，而后根據電動門廠家提供的GSD（設備性能描述文件）中讀取的參數，最終識別出該設備，從而讀取來自執行機構的信息，并發送命令至該設備。 每臺AUMA作為總線上的單獨從站，其總線地址通過設備上的LED（發光二極管）分別輸入。在就地AUMA的面板上，可以設置與閥門有關的參數。一部分與控制相關的參數存儲在AP中，并可以通過工程師站修改，即直接通過現場總線修改閥門參數。 通過現場總線與DCS的通信，執行機構的開/關反饋、設備故障等一些情況就可得以基本反應，操作員在集控室中，遠方對執行機構進行手動控制。執行機構的閉環運算功能以及與其它設備間連鎖等開環運算功能，在主站AP中以10ms為周期進行運算，運算結果作為數字量直接傳至AUMA中的PROFIBUS-DP接口，對電動執行機構進行控制。 五、應用體會 現場總線技術已經在新建和改造電廠中的得到大量應用，但是在新建國產600MW大型電站工程中的一定規模的運用還未見報道，寧電工程在這方面邁出創新的一步。通過工程實施，我們有如下體會供借鑒： 1．現場總線的安全性問題一直受到關注。采用現場總線后，取消了大量的控制電纜，現場總線的保護措施可以提高，降低了故障率，所以現場總線網絡不采用冗余方式是可以接受的。但是，總線上的某個節點機故障而封鎖總線時，將影響總線大部分設備的工作。由于對可靠性和安全性的要求，我們采用了AP和雙總線的冗余配置，這在一定程度上抵消了現場總線節省布線的優點，增加了工程造價。今后結合電廠的實際情況，采取什么樣的冗余方案，值得探討。 2．由于原DCS冗余控制器的所有功能都分散到各個現場智能儀表中，危險已經完全分散，一個現場智能儀表的故障只影響到本身或相關的少量智能設備，其影響范圍遠低于DCS冗余控制器故障的波及面，就地智能儀表的功能塊設計可保證故障時相關智能設備置于安全位，因此每個現場智能儀表CPU不冗余是完全可行的。 3．現場總線系統有一個重要特征，就是信息處理現場化。主要含意就是在智能現場裝置中植入控制模塊，使其具備控制器功能。但是目前用于電站的具有這樣功能的智能執行機構的可選品種很少，限制了現場總線系統在電站工程中進一步的應用。進一步地，如何用智能現場裝置來實現復雜的功能組級及協調級控制，還需要研究和實踐的探討。 4．以智能化現場儀表為基礎的現場總線系統，若能把管理自動化和遠程診斷功能納入系統，更能發揮現場總線系統降低運行維護費用的優勢。但是，出于盡快安全順利投產等各方面原因，我們應用的系統和范圍是有限的，現場總線系統的總體優勢一時不能體現，相關的二次系統的開發更是有待時日。 六、結語 現場總線控制系統已經成為一種成熟的控制系統，在電廠中應用現場總線控制系統的條件已經成熟，也是企業信息集成化的需要，但也需要在電站工程實踐中不斷擴大應用范圍和進行試點等努力。國華寧電工程在國產600MW機組控制系統中進行了應用現場總線技術的積極嘗試，積累了設計和工程經驗。根據應用經驗和實際效果，將在后續工程中作適當推廣，從而為實現寧海電廠的全面數字化生產和管理奠定基礎。