基于proteus的现场总线的控制系统设计论文

摘要现场总线技术是电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术的发展成果，现场总线技术和现场总线控制系统已成为世界自动化技术的热点。现场总线技术已在国内外化工、石油、冶金等领域取得成功的应用，但在国内大型电站单元机组中的全面应用目前仍然是空白。在国外，现场总线系统在发电厂中的推广应用速度也比其它行业要慢，全面应用的业绩也仍属少数。随着发电厂生产过程控制全面数字化的呼声日益增高，现场总线技术及现场总线控制系统在电力行业中的推广应用已经向我们提出了新的挑战。论文研究了现场总线技术的发展背景和趋势，论述了其特点和优点及目前现场总线技术在国内外发电厂中的应用状况，并分析了基金会现场总线、PROFIBUS、HART、ASI等几种有影响且适用于发电厂的现场总线标准。通过收集现场总线控制系统以及现场总线型电动执行机构、电气控制设备、变送器等现场总线产品的发展情况，并针对数字化发电厂控制的特点及需求，对数字化发电厂采用现场总线技术的总线选取、应用层面、方案配置、设计原则、注意事项等逐一进行了技术经济分析。根据对现场总线的技术、经济研究，论文给出了推荐的发电厂应用设计总体方案，并以1000MW燃煤发电厂机组控制采用SIEMENS公司的SPPAT3000系统平台和PROFIBUS总线标准为例，进行实际的应用设计。通过技术经济的分析以及实际的应用设计可以得出，应用现场总线技术将带来全厂管控数字化和全生命周期的设计、安装、调试、运行维护成本节省等有利因素，由此引起的投资增加是应该可以接受的，在充分关注系统可靠性、实时性和故障影响性等问题后，推荐在数字化发电厂中积极采用现场总线技术。论文共分为七章第一章为绪论，介绍了课题研究的背景和现状；第二章对现场总线技术的发展及现状进行概括的介绍；第三章对现场总线产品的基本情况进行了举例介绍；第四章分析了数字化发电厂过程控制的需求，对采用现场总线进行了技术分析，并对工程造价进行了比较；第五章以1000MW燃煤发电机组为例，进行了实际的应用设计；第六章则从推广应用的角度出发，提出应用中可能出现的问题，以及对应的预防措施；第七章为全文的总结，及对现场总线技术在发电厂应用的展望。关键词电厂，现场总线，PROFIBUSAPPLICATIONINVESTIGATIONOFFIELDBUSINDIGITALPOWERPLANTSABSTRACTTHEFIELDBUSANDFIELDBUSCONTROLSYSTEMBECAMETHEFOCUSOFAUTOMATICTECHNOLOGYINTHEWORLD,FOLLOWINGTHEDEVELOPMENTOFELECTRONIC,INSTRUMENTATION,COMPUTERANDNETWORKTECHNOLOGYTHEFIELDBUSHADALREADYBEENAPPLIEDTOTHEAREASOFCHEMICAL,PETROLEUMANDMETALLURGYSUCCESSFULLYBUTTHEREISVACANCYOFFULLAPPLICATIONINDOMESTICLARGECAPACITYPOWERPLANTUNITCONTROLOVERSEAS,THESPEEDOFFIELDBUSCONTROLSYSTEMAPPLICATIONINPOWERPLANTSISALSOSLOWERTHANOTHERAREAS,ANDFULLAPPLICATIONISALSOMINORITYWITHTHEVOICEOFPOWERPLANTPROCESSFULLYDIGITIZEDCONTROLINCREASING,APPLICATIONOFFIELDBUSANDFIELDBUSCONTROLSYSTEMINTHEPOWERPLANTSHASBEENMADETOOURNEWCHALLENGESTHEPAPERINVESTIGATESTHEDEVELOPMENTBACKGROUNDANDTRENDOFFIELDBUS,ANDDISCUSSESITSCHARACTERSANDADVANTAGEITALSOINTRODUCESTHEAPPLICATIONSTATESOFFIELDBUSTECHNOLOGYINPOWERPLANTSANDANALYZESSEVERALWELLKNOWNFIELDBUSSTANDARDS,WHICHAREADAPTEDTOPOWERPLANTS，SUCHASFOUNDATIONFIELDBUS,PROFIBUS,HARTANDASIBASEDONTHEDEVELOPMENTOFFIELDBUSCONTROLSYSTEMS,MOTORDRIVENACTUATORS,ELECTRICALCONTROLDEVICESANDTRANSMITTERS,WHICHAREDESIGNEDWITHFIELDBUSINTERFACES,ANDTHECHARACTERSANDREQUIREMENTSOFPOWERPLANTCONTROL,ITANALYZESTHESTANDARDSELECTION,APPLICATIONAREA,SYSTEMCONFIGURATION,DESIGNPRINCIPLEANDPOTENTIALAPPLICATIONPROBLEMSWHENUSINGFIELDBUSINPOWERPLANTCONTROLACCORDINGTOTHERESEARCHOFFIELDBUSTECHNOLOGY,ITGIVESTHERECOMMENDEDSCHEMEFORPOWERPLANTAPPLICATIONITALSOGIVESTHEDESIGNINUNITCONTROLOF1000MWFOSSILPOWERPLANT,WITHPROFIBUSANDSIEMENSSPPAT3000PLATFORMWITHTHETECHNOLOGYANDCOSTANALYSISANDTHEFIELDBUSAPPLICATIONDESIGN,ITINDICATESTHATAPPLICATIONSOFFIELDBUSTECHNOLOGYWILLLEADTOTHEDIGITALINTEGRATIONOFCONTROLANDMANAGEMENTINTHEWHOLEPLANT,INCREASERUNNINGLIFE,REDUCECOSTSOFDESIGN,INSTALLATION,ADJUSTMENTANDMAINTENANCE,ANDINCREASEOFINVESTMENTRESULTINGFROMTHEFIELDBUSAPPLICATIONISACCEPTABLESO,THEAPPLICATIONOFFIELDBUSTECHNOLOGYSHOULDSTEPUPINPOWERPLANTCONTROLTHISPAPERCOMPRISESSEVENCHAPTERSCHAPTERIISEXORDIUM,INWHICHTHESIGNIFICANCEANDSTATUSQUOOFTHETHESISAREINTRODUCEDAGENERALINTRODUCTIONOFDEVELOPMENTANDSTATUSQUEOFFIELDBUSTECHNOLOGYAREINCHAPTERIIINCHAPTERIII,SOMEEXAMPLESOFDEVICESDESIGNEDWITHFIELDBUSINTERFACESARECARRIEDOUTINCHAPTERIV,THEREQUIREMENTSOFPROCESSCONTROLINDIGITALPOWERPLANTSAREANALYZEDTHETECHNOLOGYANDCOSTANALYSISFORFIELDBUSAPPLICATIONAREGIVENINCHAPTERV,APRACTICALAPPLICATIONOF1000MWFOSSILPOWERPLANTISDESIGNEDASANEXAMPLEINCHAPTERVI,THEPOTENTIALAPPLICATIONPROBLEMSWHENUSINGFIELDBUSAREGIVENASWELLASTHECORRESPONDINGPREVENTIVEMEASURESFROMTHEPOINTOFAPPLICATIONTHEMAINWORKOFTHEPAPERISSUMMARIZEDANDTHEAPPLICATIONOFFIELDBUSTECHNOLOGYINPOWERPLANTISPROSPECTEDINTHECHAPTERVIIKEYWORDSPOWERPLANT,FIELDBUS,PROFIBUS1绪论11现场总线的产生与发展控制论的创始人NORBETWIENER说，“如果一门科学是真正具有生命力的，它的引人兴趣的中心就必须而且应该随着岁月而转移。”自动控制技术的历史，就是从简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能化到高级智能化的发展过程。现场总线控制系统是在自动检测控制技术和计算机网络技术飞速发展的推动下形成的，它是现代计算机技术和通信技术和检测控制技术的集成，人们称之为3C（COMPUTERCOMMUNICATIONCONTROL）技术。现场总吸纳控制系统（FCS,FIELDBUSCONTROLSYSTEM）是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、数字计算机集中控制系统和集散式控制系统（DCS，DISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM）后的新一代控制系统。FCS是信息数字化、控制功能分散化、开放式可互操作的工业自动化控制系统，同时也是智能化、数字化、网络化向生产过程现场的发展。现代工业控制思想的核心是“分散控制，集中监控”，使得“危险分散，控制分散”。现场总线控制系统吧控制彻底的下放到现场，由现场的智能仪表完成诸如数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等大部分功能，只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才有上位机完成，而且现场节点之间可以相互通信实现互操作，现场节点也可以把自己的诊断数据传给上位机，有益于设备管理1。在发达国家，现场总线技术从20世纪80年代开始出现并被逐步推广，现在已经被广泛接受和使用。2002年欧洲有40自动化工程项目采用了现场总线控制系统。在国内，现场总线首先用在外国公司在华投资的生产线，如外资汽车生产企业的生产线大多用到了现场总线技术，后来啤酒灌装、烟草加工、机械装配、产品包装等生产线也大量使用现场总线。此外，市政工程、楼宇、智能化小区建设也开始使用现场总线。可以预见，随着现场总线技术发展及其在工业自动化领域的不断深入，传统的DCS必将被FCS所全面取代。现场总线技术的推广虽然只有短短二三十年，但其技术的先进性已经带到了工业界的广泛认可，其良好的应用前景和广阔的市场受到诸如SIEMENS、MOTOROLA、HONEYWELL等诸多世界大公司的高度重视。就国内而言，自二十世纪末以来，现场总线技术的研究开始进入起步阶段，1997年5月中国现场总线（FF）专业委员会建立，并筹建FF现场总线产品认证中心；同年7月中国现场总线（PROFIBUS）专业委员会组建，同时开始筹建现场总线（PROFIBUS）产品演示及认证实验室。此后，包括清华大学、浙江大学在内的许多高校、科研院先后建立自己的现场总线实验室，用于现场总线控制技术的教学实践与研究开发。2001年11月，国家发展计划委员会在当前优先发展的高技术产业化重点领域指南（2001年度）中将现场总线技术及其智能仪表的研究、开发及推广应用列为优先发展的高科技重点领域之一。作为新一代的过程控制系统，现场总线控制系统无疑具有十分广阔的发展前景。它的出现，必将对控制领域产生深刻的变革，并对社会生产力的发展起到极大的促进作用。对于我国这样的发展中国家而言，其意义更为重大。必须抓住有利条件，积极开展对现场总线控制系统的跟踪研究，用于尝试这项先进技术，尽早提高我国企业自动化水平。12现场总线的技术优势现场总线技术的发展，促使工厂底层自动化系统及信息集成技术产生变革，新一代、基于现场总线的自动化监控系统已初露端倪，图1所示为基于现场总线技术的现场级与车间级自动化监控系统模式，该模式的系统具有以下优点操作员监控站操作员接口交换机I/O连线控制器或智能化现场设备现场总线现场总线图1现场级与车间级自动化监控系统（1）增强了现场级信息集成能力现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代420MA信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。（2）开放式、互操作性、互换性、可集成性不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。（3）系统可靠性高、可维护性好基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。（4）降低了系统及工程成本对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。13流行现场总线简介现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产品，系统集成商门能按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问题。国际上著名自动化产品及现场设备生产厂家，意识到现场总线技术是未来发展方向，纷纷结成企业联盟，推出自己的总线标准及产品，在市场上培养用户、扩大影响，并积极支持国际标准组织制定现场总线国际标准。能否使自己总线技术标准在未来国际标准中占有较大比例成份，关系到该公司相关产品前途、用户的信任及企业的名誉。而历史经验证明国际标准都是采用一个或几个市场上最成功的技术为基础。因此，各大国际公司在制定现场总线国际标准中的竞争，体现了各公司在技术领先地位上的竞争，而其最终还是要归结到市场实力的竞争。据说目前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种。具有一定影响和已占有一定市场份额的总线有如下几种131PROFIBUS现场总线1996年3月15日批准为欧洲标准，即DIN50170V2。PROFIBUS产品在世界市场上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率25。目前支持PROFIBUS标准的产品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。在世界范围内已安装运行的PROFIBUS设备已超过200万台，到1998年5月，适用于过程自动化的PROFIBUSPA仪表设备在19个国家的40个用户厂家投入现场运行。1985年组建了PROFIBUS国际支持中心；1989年12月建立了PROFIBUS用户组织（PNO）。目前在世界各地相继组建了20个地区性的用户组织，企业会员近650家。1997年7月组建了中国现场总线（PROFIBUS）专业委员会，并筹建现场总线PROFIBUS产品演示及认证的实验室。PROFIBUS主要应用领域有制造业自动化汽车制造（机器人、装配线、冲压线等）、造纸、纺织。过程控制自动化石化、制药、水泥、食品、啤酒。电力发电、输配电。楼宇空调、风机、照明。铁路交通信号系统132FF现场总线1994年由ISP基金会和WORLDFIP北美两大集团合并成立FF基金会，其宗旨在于开发出符合IEC和ISO标准的、唯一的国际现场总线（FUNDATIONFIELDBUS）。低速总线（H1）协议已于1996年发表。已完成开发的高速总线（H2）拟于1998年内表。1997年5月建立了中国现场总线（FF）专业委员会，并筹建FF现场总线产品认证中心。目前，FF现场总线的应用领域以过程自动化为主。如化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。133LONWORKS总线LONWORKS现场总线全称为LONWORKSNETWORKS，即分布式智能控制网络技术，希望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目前LONGWORKS应用范围广泛，主要包括工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA系统等。国内主要应用于楼宇自动化方面。134CANBUS现场总线CANBUS现场总线已由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准IOS11898（通讯速率小于1MBPS）和ISO11519（通讯速率小于125KBPS）。CANBUS主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I/O。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。135WORLDFIP现场总线9091年FIP现场总线成为法国国家安全标准。96年成为欧洲标准（EN50170V3）。下一步目标是靠近IEC标准，现在技术上已做好充分准备。WORLDFIP国际组织在北京设有办事处，即WORLDFIP中国信息中心，负责中国的技术支持。WORLDFIP现场总线采用单一总线结构来适应不同应用领域的需求，不同应用领域采用不同的总线速率。过程控制采用3125KBIT/S,制造业为1MBIT/S,驱动控制为125MBIT/S。采用总线仲裁器和优先级来管理总线上（包括各支线）的各控制站的通信。可进行1对1、1对多点（组）、1对全体等多重通信方式。在应用系统中，可采用双总线结构，其中一条总线为备用线，增加了系统运行的安全性。WORLDFIP现场总线适用范围广泛，在过程自动化、制造业自动化、电力及楼宇自动化方面都有很好的应用。136PNET现场总线PNET现场总线筹建于己于1983年。1984年推出采用多重主站现场总线的第一批产品。1986年通信协议中加入了多重网络结构和多重接口功能。1987年推出PNET的多重接口产品。1987年PNET标准成为开放式的完整标准，成为丹麦的国家标准。1996年成为欧洲总线标准的一部分（EN50170V1）。1997年组建国际PNET用户组织，现有企业会员近百家，总部设在丹麦的SIEKEBORG，并在德国、英国、葡萄牙和加拿大等地设有地区性组织分部。PNET现场总线在欧洲及北美地区得到广泛应用，其中包括石油化工、能源、交通、轻工、建材、环保工程和制造业等应用领域。2现场总线控制系统基本理论21PROFIBUS概述目前世界流行的现场总线及总线标准有很多种，其中PROFIBUS现场总线是欧洲标准，其产品在世界市场上已被普遍接受，在中国也组建了PROFIBUS现场总线专业委员会，它是目前世界上最成功的现场总线之一，长沙八水厂自控系统便是采用了该总线。现场总线PROFIBUS协议由PROFIBUSDP、PROFIBUSFMS和PROFIBUSPA三个兼容部分组成。采用了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层，支持主从系统、纯主系统、多主多从系统通信方式。主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权，取得控制权的主站可向从站发送、获取信息。根据应用特点可分为三个兼容版本（1）PROFIBUSDP以其较快的传输速度和强抗干扰能力而应用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通讯（2）PROFIBUSFMS主要解决车间级的通用型通信任务,可以提供灵活而大量的通信服务（3）PROFIBUSPA则专为过程自动化设计,它直接和现场的传感器或执行器连接,并可通过DP/PA接口与DP总线连接,使用于安全性要求较高以及由总线供电的场合。22PROFIBUS的协议结构PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际准，以开放式系统互联网络（OPENSYSTEMINTERCONNECTIONSIO）作为参考模型的。该模型共有七层，如下图2所示图2PROFIBUS协议结构第一层物理层（PHYSICALLAYER）定义了网络信道上的信号与连接方式、传输介质、传输速率、每条线路连接仪表的数量、最大传输距离、电源等。当处于数据发送状态时，该层接受数据链路层（DLL）下发的数据，并将以某种电气信号进行编码并发送当处于数据接受状态时，将相应的电气信号编码为二进制数，并送到链路层。第二层数据链路层（DATALINKLAYER）定义了一系列服务于应用层的功能和向下与物理层的接口，使用物理层的服务，提供了介质存取控制功能、信息传输的差错检验。DLL提供原语服务和相关事件、与原语服务相关的参数格式，以及这些服务及事件之间的相关关系，DLL为用户提供了可靠且透明的数据传送服务。数据链路层是现场总线的核心。所有连接到同一物理通道上的应用进程实际上都是通过链路层的实时管理来协调的。为了突出实时性，现场总线没有采用以往IEE8024标准中定义的分布式物理通道管理，而是采用了集中式管理方式。在这种方式下，物理通道被有效地利用起来，并可有效地减少或避免实时通信的延迟。第三层应用层（FIELDBUSAPPLICATIONLAYER）为用户提供了一系列的服务，拥有简化或实现分布式控制系统中应用进程之间的通信，同时为分布式现场总线控制系统提供了应用接口的操作标准，实现了系统的开放性。应用层与其它层的网络管理机构一起对网络数据流动、网络设备及网络服务进行管理。第四层用户（USERLAYER）是专门针对工业自动化领域现场装置的控制和具体应用而设计的，它定义了现场设备数据库间互相存取的统一规则，用户凭标准功能块可组态成系统，实现用户的应用程序，这是使现场总线标准超过一项通信标准而成为一项系统标准的关键，也是使现场总线控制系统开放与可互操作性的关键。此外，现场总线基金会系统结构还为每个设备定义了一个网络管理代理，可提供组态管理、性能管理和差错管理的功能。系统管理负责完成设备地址分配、功能块执行调度、时钟同步和标记定位等功能。（1）PROFIBUSDP定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUSDP设备的设备行为。（2）PROFIBUSFMS定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范（FIELDBUSMESSAGESPECIFICATIONFMS）和低层接口（LOWERLAYERINTERFACELLI）。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。（3）PROFIBUSPAPA的数据传输采用扩展的PROFIBUSDP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC11582标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。23PROFIBUSDP概述PROFIBUSDP用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUSDP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。231PROFIBUSDP的基本功能（1）传输技术RS485双绞线、双线电缆或光缆。波特率从96KBIT/S到12MBIT/S。（2）总线存取各主站间令牌传递，主站与从站间为主从传送。支持单主或多主系统。总线上最多站点（主从设备）数为126。（3）通信点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。循环主从用户数据传送和非循环主主数据传送。（4）运行模式运行、清除、停止。（5）同步控制指令允许输入和输出同步。同步模式输出同步；锁定模式输入同步。（6）功能DP主站和DP从站间的循环用户数据传送。各DP从站的动态激活和可激活。DP从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断信息。输入或输出的同步。通过总线给DP从站赋予地址。通过总线对DP主站（DPM1）进行配置。每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。（7）可靠性和保护机制所有信息的传输按海明距离HD4进行。DP从站带看门狗定时器（WATCHDOGTIMER）。对DP从站的输入/输出进行存取保护。DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。（8）设备类型第二类DP主站（DPM2）是可进行编程、组态、诊断的设备。第一类DP主站（DPM1）是中央可编程序控制器，如PLC、PC等。DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。232PROFIBUSDP基本特征（1）速率在一个有着32个站点的分布系统中，PROFIBUSDP对所有站点传送512BIT/S输入和512BIT/S输出，在12MBIT/S时只需1毫秒。（2）诊断功能经过扩展的PROFIBUSDP诊断能能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分三级本站诊断操作本站设备的一般操作状态，如温度过高、压力过低。模块诊断操作一个站点的某具体I/O模块故障。通道诊断操作一个单独输入/输出位的故障。24PROFIBUSDP控制系统241PROFIBUSDP系统配置和设备类型PROFIBUSDP允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接126个站点。系统配置的描述包括站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。每个PROFIBUSDP系统可包括以下三种不同类型设备（1）一级DP主站（DPM1）一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站（如DP从站）交换信息。典型的DPM1如PLC或PC。（2）二级DP主站（DPM2）二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。（3）DP从站DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I/O设备、驱动器、HMI、阀门等）。具体介绍如下PLC智能型1/0PLC自身有程序存储器，PLC的CPU部分执行程序并按程序指令驱动I/O，可以作为PROFIBUS的一个从站。在PLC存储器中划分出一段特定区域，作为PLC与主站通信的共享数据区。主站可以通过通信间接控制从站PLC的I/O接口。分散式1/O非智能型I/O通常由电源部分、通信适配器部分、接线端子部分组成。分散式I/O不具有程序存储和程序执行，通信适配器部分接收主站指令，按主站指令驱动I/O，并将I/O输入及故障诊断等信息返回给主站。通常分散型I/O是由主站统一编址，这样在主站编程时使用分散式I/O与使用主站的I/O没有什么区别。驱动器、传感器、执行机构等现场设备即带PROFIBUS接口的现场设备，可由主站在线完成系统配置、参数修改、数据交换等功能。至于哪些参数可进行通信及参数格式由PROFIBUS行规决定。（4）单主站系统在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。如图3所示DP主站（1类）DP主站（2类）1到125个DP从站图3单主站系统单主系统实现最短的总线循环时间，他们的组成1个DP1类主站1到125个DP从站1到DP2类主站（可选）（5）多主站系统总线上连有多个主站。这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。每个子系统包括一个DPM1、指定的若干从站及可能的DPM2设备。任何一个主站均可读取DP从站的输入/输出映像，但是只有一个DP主站允许对DP从站写入数据。如图4所示DP1类主站DP2类主站DP1类主站DP从站DP从站PROFIBUSDP系统多主系统的组成3个主设备（1类OR2类）、1到最多124个DP从站。图4多主站系统242PROFIBUS控制系统配置的几种形式2421按现场设备类型分根据现场设备是否具备PROFIBUS接口，PROFIBUS控制系统配置可分为三种形式。总线接口型现场设备不具备PROFIBUS接口，采用分散式I/O作为总线接口与现场设备连接。这种形式在应用现场总线技术初期容易推广。如果现场设备能分组，组内设备相对集中，这种模式会更好地发挥现场总线技术的优点。单一总线型现场设备都具备PROFIBUS接口。这是一种理想情况。可使用现场总线技术实现完全的分布式结构，可充分获得这一先进技术所带来的利益。不过，在目前这种方案设备成本可能较高。混合型现场设备部分具备PROFIBUS接口。在较长的一段时期内，这将是相当普遍的。这时应采用PROFIBUS现场设备加分散式1/O混合使用的方法。不管旧设备改造还是新建项目，希望全部使用具备PROFIBUS接口的设备的场合可能不是很多，分散式I/O可作为通用的现场总线接口，是一种灵活的集成方案。在本课题对象的测控系统中，由于现场设备中某些变送器、调节阀不具备PROFIBUS接口，还有一些设备在成本和使用的便利性上，使用传统的模拟仪表更为合算。因此，多现场总线实验室中建立的测控系统将采用混合型配置。2422按实际应用需要分根据实际需要及投入资金情况，通常有如下几种结构类型（1）以PLC或控制器作为一类主站，不设监控站，调试阶段配置一台编程设备。这种结构类型中，PLC或控制器完成总线通信管理、从站数据读写、从站远程参数化工作。（2）以PLC或控制器作为一类主站，监控站通过串口与PLC一对一连接。这种结构类型中，监控站不在PROFIBUS网上，不是二类主站，不能直接读取从站数据或完成远程参数化工作。监控站所需的从站数据只能从PLC或控制器读取。（3）以PLC或其他控制器作为一类主站，监控站作为二类主站连接在PROFIBUS总线上。在这种结构类型中，监控站完成远程编程、参数化以及在线监控功能。（4）使用PC机PROFIBUS网卡作为一类主站，监控站与一类主站一体化。这是一个低成本方案。在主站结构类型中，PC机故障将导致整个系统瘫痪。另外，通信模板厂商通常只提供一个模板的驱动程序，总线控制程序、从站控制程序、监控程序可能要由用户开发，工作量比较大。（5）坚固式PC机（COMPACTCOMPUTER）PROFIBUS网卡SOFTPLC的结构形式。此方案和方案（4）比较，可靠性将大大提高。不过，由于控制器工作站是监控站与一类主站的一体化，要求SOFTPLC软件必须完成1）支持编程，包括主站应用程序的开发、编辑、调试；2）执行应用程序；3）通过PROFIBUS接口对从站的数据读写；4）从站远程参数化设置；5）主/从站故障报警与记录；6）图形监控画面设计、数据库建立等监控程序的开发与调试；7）设备组态、在线图形监控、数据存储与统计、报表等功能。SOFTPLC是将PLC的编程IEC1131及应用程序运行功能，和操作员监控站的图形监控开发、在线监控功能集成到一台坚固式PC机上，形成一个PLC与监控站一体的控制器工作站。243应用PROFIBUS构建控制系统应注意的问题2431项目是否适于使用现场总线技术任何一种先进的技术都有一定的适用范围，超出这个范围可能不会产生所期望的结果。当希望应用现场总线技术构建一个系统时，应着重考虑以下几个问题现场被控设备是否分散这是决定是否使用现场总线技术的关键。现场总线技术适合于分散的、具有通信接口的现场受控设备的系统。现场总线的优势在于节省大量的现场布线成本，使系统故障易于诊断与维护。对于具有集中I/O的单机控制系统，现场总线技术没有明显优势。当然，有些单机控制，在很难有空间用于大量的I/O走线时，也可以考虑使用现场总线。系统对底层设备是否有信息集成要求现场总线技术适合对数据集成有较高要求的系统，如需要建立车间监控系统，或需要建立全厂的CIMS系统。在底层使用现场总线技术可将大量丰富的设备及生产数据集成到管理层，为实现全厂的信息系统提供重要的底层数据。系统对底层设备是否有较高的远程诊断、故障报警及参数化要求现场总线技术特别适合用于有远程操作及监控的系统。2432系统实时性要求系统的实时性是指现场设备之间在最坏情况下完成一次数据交换，系统所能保证的最小时间。简言之，就是现场设备的通信数据更新速度。如果实际应用问题对系统响应有一定的实时性要求，可根据具体情况考虑决定是否采用现场总线技术。2433采用什么样的系统结构用户确定采用PROFIBUS总线技术后，下一个问题就是采用什么样的系统结构配置。这里主要包括两点需要考虑一是系统的结构形式，一是总线的选型。在考虑系统的结构形式时，要注意的是（1）系统是否分层，分几层，是否需要车间层监控；（2）有无从站，有多少，分布如何，从站设备如何连接，现场设备是否有总线接口，可否采用分散式I/O连接从站，哪些设备需选用智能型I/O控制。可以根据现场设备地理分布进行分组并确定从站个数及从站功能的划分；（3）有无主站，有多少，如何划分，如何连接。在考虑总线的选型时，主要考虑（1）根据系统是离散量控制还是流程控制，确定选用DP还是PA，是否需要考虑本征安全；（2）根据系统对实时性要求及传输距离，决定现场总线数据传输速率；（3）根据是否需要车间级监控和监控站，确定是否用FMS及连接形式；（4）根据系统的可靠性要求及工程投入资金，决定主站形式及产品。第三章PROFIBUS技术探索及其在电厂中的应用31现场总线的选取及应用层面311现场总线的选取发电厂的各生产过程被控对象特性不同，各现场总线标准的开发背景和擅长领域也不同，因此需要根据不同的工艺过程选择较合适的现场总线标准。通过现场总线在不同行业中的逐步深入应用，专业技术人员对各种总线标准应用场合的认识日益清晰。比较一致的结论是对过程控制应用来说，PROFIBUS和FF总线比较适合。两种总线标准相比而言，FF较适用于连续量控制取代420MA模拟量，而PROFIBUS较适用于离散量控制，但同时也适用于连续量控制（只是在连续量控制方面略逊于FF总线）。从现场总线技术的应用业绩来看，PROFIBUS总线技术在国内外发电厂中有过较多成功的应用，如德国的尼德豪森NIEDERAUSSEM发电厂、国内陕西杨凌热发电厂、山东龙口发电厂、河北三河发电厂、广安发电厂、国华宁海发电厂一期工程等。FF现场总线的产品在化工、医药、冶金、水厂等方面应用业绩较多。最近，上海赛科工程中现场总线设备10631台、2473个FF现场总线网段的现场总线控制系统已投入运行，属目前世界上规模最大的现场总线控制系统。广东南海石油化工汽电联产工程中的汽电联产项目，已确定除安全保护系统外，其余的压力、差压、温度变送器及执行器均采用FF现场总线。现场总线范围包括余热锅炉，汽轮机，燃油锅炉。国内发电厂中的山东邹县二期工程、江苏望亭联合循环发电厂在局部区域也采用了FF现场总线技术。312现场总线的应用层面火发电厂机组控制具有控制任务集中而复杂的特点，不同的控制回路之间往往存在相互的联系。FF现场总线设备具有一定的控制和运算功能，能够完成较单纯的单回路或串级调节任务，但是对于存在多回路耦合的复杂控制，需要在不同网段间传输数据，就可能影响控制的实时性。如网段、设备分布设计不当，就可能影响到工艺系统及设备的安全运行。PROFIBUS现场总线的现场智能设备本身基本不具备控制功能。尽管国内火发电厂采用的主流DCS基本上都已提供了各自的现场总线解决方案，但西门子公司SPPAT3000系统、艾默生公司OVATION系统、FOXBORO公司I/A系统等著名DCS品牌产品无一例外地均是在原有DCS的基础上，提供对智能现场仪表和控制执行机构的现场总线支持。可以这样说，火发电厂现场总线的应用将更侧重于现场设备的数字化及由此数字化而带来的种种益处，而不在于纯粹意义上的FCS应用。因此，本应用设计仅考虑在现场设备层全面采用现场总线技术，所有的调节回路控制策略和设备控制逻辑原则上还是与采用常规DCS时一样，按照工艺系统划分在不同的FCS控制器中集中处理。在现场设备层全面采用现场总线技术的情况下，基本不减少控制器的配置，多数调节回路控制策略和设备控制逻辑仍按照工艺系统划分在不同的控制器中集中处理，少数单回路调节任务下可以考虑放到现场总线设备中（当采用FF现场总线时）。发电厂辅助生产系统（水、煤、灰以及脱硫）的控制以开关量程序控制为主，此外还存在少量的简单连续调节。而PLC具有逻辑处理功能强、环境适应性好、系统独立性强、采购成本较低等特点，在发电厂辅助生产系统中有深厚的应用基础。因此辅助生产系统采用PLC为基础的现场总线，原则上所有控制逻辑在PLC控制器中实现。32现场总线应用设计总体方案321单元机组部分整个机组控制系统按照工艺过程划分为多个子系统，其中包括锅炉启动系统、锅炉汽水/本体系统、锅炉烟/风系统、燃油/制粉系统、凝结水系统、加热器疏水系统、汽机抽真空系统、汽机润滑油/EH油系统等，上述各子系统均采用现场总线技术。如采用FF现场总线，工艺系统中的单回路单冲量调节，如汽机润滑油温度调节、辅助蒸汽温度/压力调节、汽机轴封压力/温度调节等可放在现场执行机构的阀门执行机构中实现采用PROFIBUS总线时，仍在DCS控制器中控制。鉴于炉膛安全监控系统（FSSS）、汽机数字电液控制系统（DEH）、汽机本体紧急跳闸系统（ETS）、给水泵汽机电液调节系统（MEH）和给水泵汽机紧急跳闸系统（METS）对机组安全运行至关重要，而且汽机DEH（包括ETS）与汽机本体控制和保护相关性大、回路处理速度要求高，本应用设计方案中FSSS、DEH和ETS以及给水泵汽机MEH和METS仍采用成熟的常规控制技术。机组厂用电动机和厂用电监控虽然采用现场总线（厂用电监控现场总线系统，FECS），但总线多为CAN、LONWORKS、MODBUS等标准。该系统可通过与机组DCS的通讯接口相互传输信号。出于机组安全考虑，所有机组电动机及主厂房内重要电源开关的分/合指令信号、状态反馈信号还是通过硬接线方式进入DCS，其它信号通过通讯接口连入机组DCS。对于厂用电动机380VMCC回路，条件允许的情况下也可考虑采用具有PROFIBUSDP接口的智能马达控制器（类似西门子公司的SIMOCODE产品）。锅炉吹灰程控、循泵房、燃油泵房控制原则上采用常规远程I/O站。其中循泵房、燃油泵房如电气低压380VMCC采用具有PROFIBUSDP接口的马达控制装置时，热控系统可考虑采用现场总线方式实现。机组SOE要求有1MS的分辨率，目前设计中接入SOE的多为主、辅机的跳闸接点信号和电气开关量，主、辅机跳闸首出原因由控制器逻辑判断。为保证SOE的分辨率，仍考虑采用专用SOE卡或常规DI卡。变送器总体上均采用现场总线型智能变送器接入DCS。其中，FSSS、DEH、ETS、MEH、METS相关的变送器采用具有HART通讯协议的常规智能型进口产品，以便在机组DCS中利用现场总线设备诊断和管理软件，实现设备管理和故障诊断。电动执行机构均考虑采用具有现场总线接口的设备，气动调节阀执行机构采用带现场总线接口的智能定位器，而FSSS、DEH、ETS、MEH、METS相关的阀门电动/气动执行机构采用具有HART通讯协议的常规智能型进口产品。由于主厂房内电磁阀控制的二位式气动阀门布置较为分散，如采用带总线接口的阀岛进行控制不太合适，故还是采用常规I/O方式接入DCS。由于目前国产现场总线电动执行机构尚未有成熟的应用业绩，而进口现场总线电动执行机构与国产电动执行机构的差价较大，平均每台差价约贵35万元人民币。为从根本上降低工程造价的角度考虑，国产电动执行机构采用常规I/O方式接入DCS。根据已实施工程情况，单台机组中国产电动执行机构数量约60台左右。采用现场总线技术之后，现场分散的温度测点可考虑采用现场总线型的智能温度变送器接入DCS。对于现场相对集中的温度测点如炉膛壁温、汽机和发电机本体温度等测点，可采用两种接入方式一种方式是采用现场总线型智能变送单元，如EMERSON公司的产品每台设备可以将现场的8只温度检测信号转换为FF总线的标准输出，接入控制系统；另一种方式是沿用目前常规的远程I/O（国产智能前端）方式接入DCS。智能温度变送器的价格较昂贵，而848T型8通道温度变送器市场价格约14000元，如在工程中对全部温度检测信号采用总线方式接入将会较大程度增加工程投资。而且，就温度类型信号而言，采用现场总线方式接入增加的信息内容也不明显。所以，温度检测信号原则上还是采用常规方式接入控制系统。为充分发挥现场总线设备具有的故障自诊断和网络化管理能力，DCS应配套设置现场总线设备诊断和管理软件。设备管理人员通过软件查询所有现场设备（仪表、执行机构等）的运行情况，诊断维护信息，寻查故障，现场设备状况始终处于维护人员的远程监控之中。同时，根据该软件提供的信息准确地制定大修或抢修的作业计划和备件储备，节约维修费用，降低生命周期成本。322辅助生产部分全厂辅助生产系统（水、煤、灰）的控制可以采用如下方式1化学补给水、净水、反渗透、废水、凝结水精处理、制氯/加氯、储氢以及灰、渣、电除尘系统采用PLC为基础的现场总线，以联网共享上位机方式控制，就地设置调试及巡检用上位机，其中汽水取样分析、化学加药纳入凝结水精除处理控制系统统一监控；2煤系统设立独立的输煤控制室，采用PLC为基础的现场总线控制系统加上位机控制；3水、灰、脱硫三个系统最终连网后组成辅助生产系统控制网，可在机组集控室的3台辅助生产系统操作员站上实现水、灰、脱硫系统的集中监控。脱硫控制系统随脱硫主设备整岛招标，脱硫控制采用PLC为基础的现场总线，其自动化水平与机组的自动化水平相当。此外，脱硫控制系统还通过硬接线与机组DCS进行少量信号交换。两台机组烟气脱硫系统合设一套独立的控制系统，脱硫控制系统的控制器及控制机柜按1机组、2机组及公用系统分开配置。系统在就地设置2台操作员站供调试和巡检使用。辅助车间控制系统中有一定数量化学分析仪表。目前，具备现场总线接口的化学分析仪表相对较少，而且价格也较常规仪表高出许多，在推广应用初期应根据实际情况，在进一步市场调研的基础上确定化学分析仪表的接入方式。辅助生产系统中有大量的气动开关阀控制对象，采用现场总线控制技术时，有两种接入方式一种是采用带有现场总线接口的阀岛产品；另一种是在现场电磁阀箱内安装具有现场总线接口的远程I/O来完成电磁阀的控制。由于气动电磁阀控制对象基本上没有信息采集要求，上述两种方法应该都是可行的。相对来说，远程I/O方案的费用会低一些。33现场总线应用设计331工程控制对象1锅炉锅炉采用哈尔滨锅炉厂生产的超超临界参数变压运行直管水冷壁直流炉，单炉膛、一次中间再热、采用八角双切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构型锅炉、露天布置燃煤锅炉。2汽机采用上海汽轮机厂生产的超超临界汽机，一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式、八级回热抽汽。3发电机采用上海电机厂生产的水氢氢冷却、无刷励磁发电机。4主要热力系统和燃烧系统机组在电力系统中主要承担基本负荷，同时也能够满足电网调峰、调频的要求。锅炉采用前后墙对冲燃烧方式。每台锅炉共设有48只直流燃烧器，燃烧器共分3层，每层设8只燃烧器，每层燃烧器由同一台磨煤机供给煤粉。在燃烧器上部设有过燃风喷嘴，用于降低NOX的生成量及降低机械未完全燃烧损失和防止燃烧器区域受热面的高温腐蚀。锅炉点火采用高能电弧点火装置，二级点火系统，由高能电火花点燃轻柴油，然后点燃煤粉。油枪采用压力机械雾化方式。每炉各角装设3层油枪和高能点火器，共装设24根油枪和高能点火器。制粉系统采用中速磨煤机冷一次风机正压直吹式制粉系统，每台炉配6台中速磨煤机，燃烧设计煤种时，5台运行，1台备用。空气预热器型式三分仓、回转式。给水系统采用单元制。系统设2即双列3台全容量、卧式、双流程高压加热器。每列三台高加给水采用电动关断大旁路系统。当任一台高加故障时，同列三台高加同