肇庆电厂现场总线技术及应用.ppt

现场总线技术 肇庆电厂现场总线应用 热控专业 张程亮 2013年4月9日 一 现场总线基本概念 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备 仪表与控制室内的自动控制装置 系统之间的一种穿行 数字式 多点 双向通信的数据总线 现场总线将传统dcs系统的io模块从电子间延伸至就地设备本身中 在智能设备中就完成了数据的采集和处理 大大减少了io模块及电缆的使用 现场总线控制网络是由多个分散在生产现场 具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而形成的 以现场总线作为通信连接的纽带 完成测量控制任务的网络系统 控制系统 肇庆电厂采用的是profibus现场总线技术 profibus现场总线包含dp和pa两种通信技术 相对应的传输技术 物理层 分别是rs485和mbp rs485传输技术是一种简单的 低成本的传输技术 主要用于需要高传输速率的任务 它使用有一对导体的屏蔽双绞铜质电缆 rs485传输技术容易使用 安装电缆无需专门知识 总线结构允许随时增加或拆除站或逐步投运系统而不影响其它的站 后来的扩展 在定义的限制内 也不影响已经投入运行的站 可以在9 6kbit s到12mbit s之间选择各种传输速率 投运系统时 在总线上的所有站应选择相同的传输速度 最多可以连接32个站 每个总线段 可允许的最大总线长度取决于传输速率 profibus现场总线技术 mbp是使用固定传输速率31 25kbit s和manchester编码的同步传输技术 此传输技术通常用于过程自动化领域 因为它满足化学工业和石化工业的特殊要求 即使用双线技术的本质安全和总线供电 表2 4中概述了这种技术的特点 这就是说profibus也可以用于有爆炸危险的区域 是本质安全品质的 数值变送技术的发展 4 20ma hart fieldbus digital analog digital hybrid analog 4 20ma 过程控制processcontrol 0 65535 10 38 10 38 1 更精确的数值 二 总线系统的优势 生产装置运行参数的测量值 控制量 阀门的工作位置开关状态 报警状态设备的资源信息与维护信息 零点量程调校信息系统组态 参数修改信息等 2 更丰富的数据 3 减少接线reducedwiring 传统模式conventional 总线系统fieldbus processnearcomponent processnearcomponent 控制柜cabinet 连接件connectionelements i o模块module 总线耦合器buscouplerex i 接线架marshallingrack 接线架marshallingrack 接线盒junctionbox 传统硬接线方式下一台开关型电动门需要设计6个di do点 占用6根通信电缆 而采用现场总线技术后 一条总线电缆最多可以连接12台电动门 肇庆电厂设计要求 大幅减少了电缆的使用量 图1 图2 3 减少接线reducedwiring 4 网络化的设备管理及诊断 现场线技术的一个重要的特点是不仅能够传送过程i o信号 也能够将非过程数据通过总线进行输送 现场总线通讯能使设备管理软件从集中控制室直接与遍及全厂的设备进行对话 现场总线可从现场设备和仪表取得更多的维护诊断数据 自诊断例行程序对设备的健康状况进行检查 并将该设备产生的信息是否准确可信告知系统的其余部分 通过先进的自诊断功能找出设备的故障是整个现场总线功能链中的第一步 它将为整个工厂在生命周期内节约运行成本 德国尼德豪森电厂 1 950mw 控制系统为西门子txp 2000 除锅炉安全监控系统 fsss 汽轮机控制和保护系统 deh ets 重要的模拟量采用常规方案外 总线的应用基本集中在被控对象 即profibus dp的应用 仪表部分采用了hart协议 机组已投产 运行情况良好 三 国内外现场总线在电厂应用情况 德国诺伊拉特电厂1100mw的f机组和g机组 早期被称为尼德豪森二期工程 控制系统为西门子txp 3000 与尼德豪森一期工程相比 不仅被控对象采用了profibus dp协议 仪表也全部采用了profibus pa协议 同时在常用电源系统还采用了iec61850协议 每台单元机组的现场总线仪表与控制设备数量约有6700个 两台机组已经在2011年6月和12月分别投产 德国尼德豪森电厂 德国尼德豪森电厂控制室 德国诺伊拉特电厂 三 国内外现场总线在电厂应用情况 近几年 国内已经有相当一部分燃煤电厂在辅助车间系统采用了现场总线技术 如华能玉环电厂 2 1000mw 化学水处理 工业废水系统 广东河源电厂 2 600mw 净废水处理系统 华能巢湖电厂 2 600mw 化学水处理系统 华能九台电厂 2 600mw 水 煤 灰 全厂辅助车间系统 国华宁海电厂 2 1000mw 的脱硫系统等 同时也有一些电厂在主厂房机炉主系统上应用了现场总线技术 如河北三河电厂 2 350mw 的热网系统 天津北疆电厂 2 1000mw 的热网系统等 以及在2009年底投入运行的华能九台电厂 2 600mw 单元机组 华能金陵电厂 2 1000mw 单元机组 其中九台电厂约有30 的仪表控制系统采用了现场总线设备 金陵电厂约有50 的仪表控制系统采用了现场总线设备 中国神华胜利发电厂2 660mw机组 约有60 左右的仪表控制系统采用了现场总线设备 是目前国内最大的应用现场总线技术的燃煤机组项目 国电肇庆电厂一期工程是国电集团第一个运用数字化电厂建设模式 全厂采用分层分级的数字网络结构的电厂 全厂网络由厂级管理信息系统 mis 厂级监控信息系统 sis 机组dcs 辅助控制系统现场总线设备构成 为了实现数字化电厂管理 主厂房炉 机 电及其部分辅助系统采用现场总线设计方案 全厂dcs系统采用现场总线技术 对现场智能仪表 智能执行器 电动门 ac380v电动机进行监控 dcs要求实现与现场总线profibusdp pa的无缝结合 辅助车间的辅助控制系统采用辅控网集中监控 控制系统与主机一致 配置现场总线技术以及电磁阀岛设计方案 四 肇庆电厂现场总线应用情况 1 现场总线设计原则 本着保证机组安全可靠运行 稳妥的指导思想 机组控制系统 dcs 的现场总线部分 如下 凡故障直接危急机组安全运行 主机和主要辅机保护的功能不纳入现场总线 如 fsss deh ets meh mets等 要求快速控制检测的对象和要求时间分辩率高的检测参数 不纳入dcs现场总线系统 如 旁路控制系统 事故顺序记录 soe 为保证每个区域监控功能的实时性及合理的组态 要求 允许 dcs系统的每对控制器 站 具有同时既可配置常规i o 又能配置profibus现场总线接口 应用的profibus现场总线技术包括锅炉 汽轮发电机及其辅助系统的部分监测 控制 温度 压力 流量 液位等 其中包括调节型电动执行机构 开关型阀门电动装置 气动调节门 气动开关门 380v电动机等 2 现场总线dcs的配置 dcs系统采用国电智深基于pr0fibus总线技术的edpf nt 控制系统 两台机组共使用了59对冗余控制器 不包含deh控制器 连接了81对pb卡 用作现场总线网络的profibus主站 锅炉侧现场总线通信柜26个 汽机侧现场总线通信柜21个 公用系统现场总线通信柜25个 包括水岛 循环水泵房 供热系统 空压机房 氨区 全厂的总线对象共计2200余个 其中dp设备包括电动执行机构 马达控制器 分析仪表 变频器等 pa设备包括压力变送器 温度变送器 流量计 定位器及液位计等 冗余profibus网络覆盖整个单元机组的锅炉房 汽机房及电气mmc间 为了提高总线控制的可靠性 我们采取了dp冗余总线配置方案 现场dp设备选用dp双冗余接口 2 现场总线dcs的配置 pb卡本项目使用的pb卡是国电智深公司研发的profibus主站卡 pb卡作为现场总线网络的主站 完成和总线网络中从站的数据交换 并将采集的数据映射到dcs系统的以太网络中 起到协议转换的作用 且pb卡集成了一类主站和二类主站的功能 使得从站设备的控制和管理功能都能通过pb卡得以实现 3 现场总线设备介绍 现场总线通信箱分布在就地设备附近 电子间控制柜引出的光纤在通信箱中经光电转换器转为dp电缆去就地连接dp从站设备或在通信箱中经耦合器转为pa电缆去就地连接pa设备 每个网段在连接完就地总线设备后都要回到通信柜中连接有源终端电阻 确保网段的通信质量 现场总线通信箱 光电转换器由于电子间到就地通讯箱的距离比较远 profibus dp电缆在500kbit s的通讯速率下的最大传输距离只有400m 在没有使用中继器的情况下 因此需要使用光电转换器将电信号转换成光信号 延长传输距离 使用多模光纤 有效通信距离长达2km 本项目使用的光电转换器均为卓越tsctmmp210系列产品 3 现场总线设备介绍 dp pa耦合器dp pa耦合器是profibus现场总线系统中profibus dp和profibus pa之间的物理连接器 可以将profibus dp网络转换为profibus pa网络 本项目采用的耦合器为倍加福公司的紧凑型sk3系列 p f耦合器在网络中为透传的 不占用总线地址 且不需要组态 该耦合器为一分二模式 可以将单路dp网转为双路pa网络 根据需要使用pa网段的数量 3 现场总线设备介绍 pb ylinkpb ylink模块是pb卡的扩展模块之一 是实现北京国电智深公司的profibus主站与其他公司profibus dp从站通讯连接的智能模块 非冗余profibus dp从站可以通过pb ylink模块转化为冗余接口的profibus dp从站接入冗余主站的profibus冗余网络 3 现场总线设备介绍 pb ylink模块具有2种工作模式 冗余主站单从站和单主站双从站 通过短接硬件电路上的跳线jp2来实现模式选择 该模块支持4种通讯波特率 500kpbs 187 5kpbs 93 75kpbs 45 45kpbs 通过硬件电路的拨码开关来实现选择 终端电阻为了减少信号反射 保障通讯质量 一般在网段的末端位置需要加设终端电阻 信号传输电路由于各种传输线都有其特性阻抗约220 当信号在传输线中传输至终端时 如果它的终端阻抗和特性阻抗不同时 将会造成反射 而使信号波形失真 凹陷或凸出 该失真的现象在传输线短时并不明显 但随着传输线的加长会更加严重 致使无法正确传输 这时就必须加装终端电 terminator 同时终端电阻还可以确保在没有数据传输时总线上的电压是收发器认可的零信号电压 3 现场总线设备介绍 pa分配盒将单根pa信号拆分为多根pa信号 用于从主干线上连接现场仪表 有1个到12个分支可选 多数接线箱带短路保护和过载保护 可提高通讯可靠性 为了最大限度的降低成本 选择现场接线箱并将其靠近现场仪表安装 以减少分支电缆长度 本项目使用p f公司产品 3 现场总线设备介绍 电动执行机构采用了rotorkiq iqt系列 emgdmc imatic系列 siposflash5系列 auma 上仪ai系列产品 阀门定位器采用了西门子sipartps2pa系列产品 压力 差压变送器采用了rosemount3051系列 主要在1号机使用 abb2600t系列 主要在2号机使用 横河eja 主要在化水范围使用 温度变送器和磁翻板液位计使用的都是西门子th400现场总线变送器 导波雷达液位计采用了e hlevelflexmflp40系列物位计 主要应用在七 八号低加液位和凝汽器热井水位测量 分析仪表采用了哈希仪表提供的支持profibus dp协议的产品 主要应用在汽水取样系统和水岛部分 4 就地现场总线从站设备介绍 4 就地现场总线从站设备介绍 马达控制器采用了四方csc831系列 380v 东大金智wdz 5200系列 6kv 雅达yd 2202系列 380v 西门子simocod3uf7系列 仅在脱硝系统使用 变频器采用了施耐德avt312系列产品 主要应用在水岛部分 超声波液位计采用了西门子sitransprobelu7ml5221 1ba21系列产品 电磁流量计采用e hpromag50系列产品 阀岛采用了numatics产品 肇庆现场总线网络拓扑图 首先也是最重要的是就地设备的接线问题 由于现场总线系统的接线方式有别于常规dcs系统的接线 常规系统的设备是点对点的接线方式 每个设备是孤立的 接线比较有针对性 而现场总线设备都是串联在一条总线上 互相关联影响 接线不能有错误 5 现场总线设备调试总结 5 现场总线设备调试 如图所示为emgdmc系列电动执行结构的冗余通道接线板 左边两根紫线是1通道进线和出线 右边是2通道的进线和出线 刚开始接线的时候在现场就发现施工人员将将左边一对端子当成1 2通道的进线 右边一对端子当成1 2通道的出线来接线 显然是错误的 造成调试时网络不通 接线的问题中还有屏蔽的接地也非常重要 失去了屏蔽层的保护 数字信号很容易受到外界噪声的干扰 从而影响通讯质量 造成设备不能稳定正常在线 5 现场总线设备调试总结 其次就是就是要确认各从站设备的设置是否正确 主要有地址 通讯方式 冗余方式 终端电阻开关状态的选择必须正确 从站设备的地址在网段设计阶段就已经分配好 因此只需根据总线分段图中的地址对应设置好从站的地址 确保同一网段中不出现地址冲突的现象 否则会造成地址冲突的设备不能正常通讯 部分从站设备会支持几种通讯方式 在调试期间需选择好与控制系统匹配的通讯方式 例如 siposflash5系列执行机构的通讯方式选择菜单里就有poscntrcurrinp poscntrbusinp permcontbininp permcontbus wo wire control等方式选择 而对于调节型我们应该选poscntrbusinp 开关型应该选择permcontbus 一般从站设备都会支持几种冗余方式 例如rotork执行机构就有fr和sr两种冗余方式的选择 我们的系统采用的是sr冗余方式 5 现场总线设备调试总结 5 现场总线设备调试总结 如图为emgdmc系列电动执行机构的总线通讯板 左上角两个旋钮是地址选择开关 左边旋钮是地址的地位 右边旋钮是地址的高位 注意 s4和s6的拨码开关位置除了s4的第一个开关拨至on位置 其余拨码开关全部拨至off位置 这样才能保证和主站通讯正常 还有网段中的设备自带的终端电阻拨码应全部拨到off位置 因为每个网段都在通信柜中连接了有源终端电阻 为了保证控制系统dpu与就地设备的正常且正确数据交换 上位机的组态工作必须准确无误 主要有两步工作 第一是pb卡的组态 确保从站和主站的正常通讯 第二是对dpu的组态确保dpu和pb卡之间的通讯无误 pb卡组态前需明确该主站下连接的总线设备的品牌和型号 以获得设备相对应的gsd文件 利用fdt软件加载gsd文件到pb卡中 并根据需要选择合适的输入输出模块 以获得控制相关的信息 组态前期就出现使用错误的gsd文件造成通讯一直失败的情况 pb卡组态工作完成后对dpu进行组态工作 在sama图中添加相应的pbm pbs模块 填写和fdt组态中对应的地址 包括设备地址及输入输出地址 及正确的输入输出通道的数据类型 电动门的阀位一般为占用两个字节的unit16数据 变送器及定位器的输入数据一般为float 状态位的5字节数据 5 现场总线设备调试总结 5 现场总线设备调试总结 5 现场总线设备调试总结 注意 目前部分智能型电动执行机构在结构上不存在调节型和开关型的区别 可以根据不通的组态实现调节型和开关型的灵活使用 例如 rotork执行机构 如下图所示 rotork执行机构的输入通道1为一actcon寄存器 bit4置1时开启定位功能 此时执行机构变为调节型 bit4置0时时定位功能失效 此时执行机构变为开关型 因此在组态rotork执行机构时 我们要根据现场的需要 按不同的要求来组态 5 现场总线设备调试总结 在采用了现场总线技术后控制系统能够采集到的信息量大幅增加 这些信息包括与控制相关的dp v0 周期性 数据及和设备管理相关的dp v1 非周期性 数据 dp v0部分 由于前期设计院只按照常规控制要求设计了io点 造成还有一部分从站设备的输入信息没有被提取出来 特别是设备的一些具体的故障报警信息 像电动门只设计了一个故障的点 只是一个笼统的表述 不利于快速查找故障 5 现场总线设备调试总结 例如主给水电动门为sipos 只设计了一个主给水电动门故障的di点 而设备能提供的故障信息远多于一个点 如右图所示为sipos执行机构的输入状态截取部分 dp v1部分 版本dp v1的主要特性是用于非循环通信的扩展功能 在运行期间为了对总线上的现场设备进行参数化和校验 calibration 以及确认的报警报文的传输 这些扩展功能是必须的 执行非循环的数据传输类似于循环的数据通信 但使用较低的优先权 一类主站持有令牌并能够按固定的顺序向从站1 然后从站2等发送报文或从这些从站那里接收报文 直到它完成了与当前从站表中最后一个从站的通信为止 然后 它把令牌传送给二类主站 一类主站执行周期性数据交换 二类主站执行非周期数据交换 5 现场总线设备调试总结 profibus dp协议 周期的和非周期的 1 dp v0提供dp基本功能