基于maxDNA系統的PROFIBUS現場總線的設計

0 引言

目前，國內火電機組裝機容量越來越大，機組參數變大，機組設備增多，現場工藝更加趨向于復雜化。面對如此情況，傳統的分散控制系統（DCS）信號傳輸一般采用現場設備與控制器單點單線的模式，這種方式使得DCS控制器獲取現場設備信息量大大減少（比如流量，DCS一般傳輸只是傳輸流量本身，而流量密度、溫度、累積流量等無法傳輸），極大地限制了現場自動化程度。PROFIBUS現場總線通過單根線纜連接多個設備，通過PROFIBUS協議可獲取大量設備信息，簡單便捷高效，遠方DCS側實時監測更多有效設備數據信息，設備安全性得到提高，自動化程度提高。PROFIBUS現場總線全廠化的應用對于數字化智慧電廠的建設有著重要意義。

某電廠在二期2×1 000 MW超超臨界二次再熱機組主機和輔網均采用國電南自maxDNA系統，采取了PROFIBUS總線和硬接線相結合的模式。本文分析了基于maxDNA系統的PROFIBUS現場總線的設計、施工、調試、后期維護要求和所遇問題的解決辦法。

1 maxDNA系統現場總線控制

1.1 maxDNA現場總線控制

maxDNA系統是中國華電集團引進的大型分散控制系統（DCS），已成功在國內多臺百萬機組成功運行；現場總線技術在多家電廠均有應用。某電廠二期全廠均采用了maxDNA系統，實現全廠DCS一體化。

maxDNA控制系統中，maxPAC PROFIBUS總線模塊可以提供1～4通道通信接口，可以根據現場實際情況提供1～4條現場總線[1]。其支持的PROFIBUS-DP協議，可以通過DP和PA轉換器實現PROFIBUS-PA總線的通信。maxPAC PROFIBUS總線模塊中每條網段可支持31個總線從站，可支持最大傳輸速率為12 Mbit/s，對應DP總線線纜長度100 m?？偩€傳輸速率高，相對地可支持總線電纜傳輸距離就會縮短，對應關系如表1所示。

為了保證從站設備與主站之間的有效傳輸性和快速響應性，某電廠總線網段配置12～14總線從站設備，傳輸比特率設置為500 kbit/s或者187.5 kbit/s，總線線纜長度均設置為最長不超過400 m。

maxDNA控制系統所設計網段中，DP總線為雙路冗余設計模式，PA總線為單路設計模式。某電廠二期各系統總線配置如表2所示，輔網各系統總線配置如表3所示。DP網段數量共計176×2條，DP設備數量約1 664臺；PA網段數量設計為106條，PA設備數量約851臺。

1.2現場總線在某電廠應用

PROFIBUS是由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS三部分組成。PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分散型外圍設備）主要用于控制器通過高速串行線同分散的現場設備進行通信；PROFIBUS-PA（Process Automation，過程自動化）是通過PROFIBUS協議將現場溫度、壓力、液位、流量等模擬量信號與DCS控制系統進行通信，從而代替傳統的4～20 mA硬接線方式[2]。某電廠二期采用PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA兩種總線模式。

某電廠二期工程輔網系統中包括鍋爐補給水系統、海水制氯系統、海水淡化系統、脫硫廢水系統、采暖空調系統、精處理系統、除灰系統、輸煤系統，主機側鍋爐、汽機、電氣、脫硫、公用均采用硬接線和PROFIBUS總線相結合的方式。所涉及的總線設備包括：（1）恒春、弗瑞特、SIPOS7型、行力、Limitorque等多種電動執行機構；（2）ABB550型號變頻器；（3）融達興RDX100、RDX200系列的380 V電動機智能控制裝置，金智科技5200系列的10 kV開關設備；（4）FESTO系列閥島；（5）Fisher、ABB等閥門定位器以及E+H、奧立龍、羅斯蒙特、西門子等多種型號的流量計、液位計、壓力表、溫度計和各種分析儀表。涵蓋系統廣泛，涉及現場總線設備繁多，提高了現場數據傳輸能力，同時獲取了大量硬接線無法獲取的現場信號。

某電廠二期工程全廠總線的應用，是該廠建立數字化智慧電廠的重要組成部分，對于該廠實現數字化智慧電廠具有重要意義。

1.3 maxDNA系統總線調試步驟

maxDNA系統下PROFIBUS-DP總線調試步驟為：根據設備GSD組態并下裝、編譯功能塊。

1.3.1總線通信組態

maxDNA系統中采用SyCon軟件來配置總線組態，組態配置根據實際設計的網段上所掛載的從站設備進行配置。SyCon軟件配置如圖1所示。FBM為maxPAC PROFIBUS總線模塊，作為通信主站，主要配置主站信息、通信速率；網段上設備作為通信從站，主要配置從站地址、設備型號、從站設備描述、GSD文件中數據交換所需要的Module參數。

在配置完成后，需要通過maxDNA系統自帶的總線下裝軟件Profibus Download將SyCon中配置好的組態信息下裝到maxPAC PROFIBUS總線模塊對應的通道即對應的FBM中，并自動存儲在其中。

1.3.2編譯功能塊

maxDNA系統自帶主站通信功能塊，從站通信功能塊需要根據不同設備的GSD文件來進行功能編譯。

DP總線冗余模式，即A網段和B網段發送相同通信數據到DCS側。為了區分上位數據具體由哪一條網段發送，某電廠編譯了切換功能塊。其功能為當A、B網段均為正常通信時，接收A網段數據信息；當A網段出現故障或者通信質量差時，自動切換至B網段數據信息；當A網段故障解決并且邏輯判斷其通信正常時，自動切換至A網段數據信息。

從站設備功能塊編譯，maxDNA系統總線功能塊編譯完之后，在功能塊中根據現場實際輸入地址、所屬網段、Module參數即可。功能塊編譯完成，查找無誤后即可下裝至控制器中。

2 現場總線施工注意事項

從提高總線的通信質量方面考慮，結合已有項目實際工程調試經驗，工程實施時要關注的幾個地方如下：

（1）總線設備的選用應該嚴格按照預定的總線協議來選型，必須要符合PROFIBUS-DP協議，否則無法實現通信。必要情況下，需要送至DCS廠商處進行通信檢測，確認可以通信后，方可用于現場實際建設。

（2）網段的劃分要根據現場設備實際位置和設備所屬系統來進行。由于現場橋架和設備安裝位置的不確定性，總線網段的排版需要在現場根據設備位置和設備所屬系統進行劃分。

（3）施工方在放PROFIBUS-DP線纜時，一定要嚴格按照總線網段設計最終版進行順序放線，否則會對后期調試和投產維護產生比較大的干擾和影響。

（4）一般情況下，DP總線每個網段的PROFIBUS-DP線纜不超過400 m，前后設備之間的DP線纜不應該少于1.5 m；如果現場設備必須超過400 m長度，需在設備端增加光纖通信來延長PROFIBUS總線通信距離。

（5）為保證PROFIBUS-DP總線不受外部干擾，要求DP線纜單獨設計金屬橋架，在金屬橋架上每隔20～30 m作一次接地；防止高壓電纜和其他干擾源對PROFIBUS-DP總線線纜產生干擾從而影響通信質量。

（6）每條網段最后都會設計有源終端，從站設備自帶的終端電阻模塊需要設置為OFF。有源終端防止信號反射的效果遠比無源終端要好。

（7）設備接線時，PROFIBUS-DP總線線纜需使用專業總線剝線鉗和一定剝線接線順序，確保銅芯、屏蔽層、外層包裝依次成型。

3 通信故障診斷和處理方法

3.1機組調試期間故障分析

PROFIBUS現場總線在調試期間會遇到很多處理起來困難棘手的問題，某電廠二期在基建調試期間也遇到過很多問題，歸結如下：

（1）錯用GSD文件，很多廠家在提供GSD文件的時候往往會不注意設備具體型號，如ABB ACS510和ACS550。GSD文件錯誤，會導致設備無法通信。

（2）設備接線正負端接反，正常DP線纜分為紅綠兩種顏色，紅B綠A。

（3）設備參數配置出錯。一般設置主要參數：地址、總線模式、開關指令反饋等信號對應的數據位、總線使能等。設置錯誤或者少設置選項會導致無法通信。

（4）設備通信說明書與現場實際不符。

（5）DCS側對設備GSD文件配置錯誤。DCS側配置組態時選擇錯誤Module導致無法通信。

（6）總線專用橋架中放置了高壓電纜造成干擾。信號電纜遭受高壓電纜線路電感應和磁感應產生的電壓和電流足以影響電信回路的正常運行，如傳輸質量降低、信號失真等[3]。

（7）有源終端未設置ON模式，導致無法通信或通信質量差。有源終端未設置ON模式，PROFIBUS數據傳輸過程中會導致信號反射干擾原信號的現象，從而導致出現數據丟包或通信中斷。

（8）DP頭即總線連接9針D型連接器損壞。國際性的PROFIBUS標準EN 50170推薦使用9針D型連接器，用于總線站與總線的連接[4]。

3.2機組投產后維護故障分析

PROFIBUS現場總線在機組投運后也可能會遇到問題，某電廠二期機組投產后現場總線就遇到了一些問題。電廠熱控維護人員按照總線畫面中通信中斷位置、中斷節點對現場故障點進行有效判斷，可以高效處理解決總線問題。根據現場運行期間的實際經驗，總結出以下幾條問題及處理方法：

（1）現場設備的通信模塊損壞。冗余模式下，一般此類問題如其中一路通信模塊出現問題，不影響設備運行，DCS側會出現報警提示此類問題，提示盡快處理。

（2）DCS側PROFIBUS總線卡件損壞。出現此類問題現象為卡件所帶所有總線從站設備通信全部斷線，需更換總線卡件。

（3）有源終端出現故障。有源終端故障導致信號傳輸發生反射干擾原信號的現象，影響通信。

（4）機組長期運行，總線從站設備9針D型連接器出現松動。

4 結語

隨著現場總線的廣泛應用，自動化程度不斷加深，現場總線已經成為數字化智慧電廠的重要組成部分。某電廠二期2×1 000 MW超超臨界二次再熱機組投產以后，全廠一體化maxDNA控制系統及基于maxDNA系統的PROFIBUS現場總線運行穩定，完全滿足現場控制要求，數據傳輸穩定可靠、設備信息全面。

審核編輯：劉清