一、引 言
20世紀(jì)中期，我國(guó)引進(jìn)了一批先進(jìn)的大型火電機(jī)組，同時(shí)也把分散控制系統(tǒng)和PLC引進(jìn)了中國(guó)。一般在汽機(jī)、鍋爐應(yīng)用DCS，在電廠輔助系統(tǒng)中使用PLC控制。近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線的概念越來(lái)越多的應(yīng)用到各種領(lǐng)域。一個(gè)新的名詞-FCS(FIELDBUS CONTROL SYSTEM)已深入到各種過(guò)程控制領(lǐng)域，而且在國(guó)外的電廠已開(kāi)始廣泛應(yīng)用。使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可以減少用于連接分散的I/O設(shè)備的電纜，可以減少用于連接儀表的電纜并增加可靠性，因此可以大量的節(jié)省機(jī)械安裝、連接和布線的成本、并增加了系統(tǒng)的可靠性。
二、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的概念
現(xiàn)場(chǎng)總線是用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化，連接傳感器、控制器和執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的一種全數(shù)字化、全分散化、智能、雙向、多變量、多站的通信系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn):可靠性高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，通信速率快，系統(tǒng)安全，符合環(huán)境保護(hù)要求、價(jià)格低、維護(hù)成本低。
傳統(tǒng)的4-20mA信號(hào)連接，信息量有限，嚴(yán)重制約了企業(yè)信息集成和企業(yè)綜合自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)把孤立的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備帶進(jìn)了企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)中。
2.2 Profibus 技術(shù)介紹
當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)很多，如Profibus、FF、Lonworks、WorldFIP等，目前的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)正趨于統(tǒng)一，國(guó)際電工委員會(huì)制定了IEC 61158的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
Profibus是德國(guó)于90年代初制訂的國(guó)家工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，代號(hào)DTN19245，目前是IEC 61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的Type3部分。現(xiàn)在它成為不依賴(lài)于設(shè)備生產(chǎn)商、開(kāi)放的、國(guó)際化的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一。廣泛應(yīng)用于制造自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化、樓宇、交通、電力等領(lǐng)域的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。
Profibus網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也是以ISO的OSI七層參考模型為基礎(chǔ)，對(duì)第三層到第六層進(jìn)行了簡(jiǎn)化。
TEC61158中Type3的第一部分定義了Profibus的物量層和鏈路層協(xié)議，其技術(shù)指標(biāo)如下:
物理接口標(biāo)準(zhǔn)：EIA RS-485
網(wǎng)絡(luò)接口：sub-D9 芯插頭
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌壕€性總線兩端加終端電阻
存取方式:鏈路層采用混合介質(zhì)存取方式，主站間按令牌環(huán)方式，主站和從站間按主從方式工作。
站點(diǎn)數(shù):主從站最多127個(gè)，每段最多32站，段間采用中繼器連接。
電纜:屏敝雙絞線截面>0.22mm2，阻抗120Ω
傳輸波特率：9.6k---l2M
傳輸距離:1200m以下，與傳輸波特率成反比，可用Repeater(中繼器)增加傳輸距離。
TEC61158中Type3的第二部分定義了應(yīng)用層協(xié)義，稱(chēng)為FMS。FMS提供強(qiáng)有力的通信功能。
TEC61158中Type3的第三部分定義了DP協(xié)議，用于傳感器和執(zhí)行器級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸:其傳輸速率可達(dá)12Mbit/s，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)，在SIMATIC中FMS和DP可混合工作。
TEC61158中Type3的第四部分為PA協(xié)議，用于安全性較高的場(chǎng)合，設(shè)備行規(guī)定義了設(shè)備自有的功能，設(shè)備描述語(yǔ)言及功能塊允許對(duì)設(shè)備進(jìn)行完全的內(nèi)部操作。
IEC61158中Type3的第一部分分別與第二、第三、第四部分構(gòu)成了Profibus的三個(gè)兼容部分，即:Profibus-FMS、Profibus-DP、Profibus-PA,分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。
圖l為Profibus通訊協(xié)議的結(jié)構(gòu)示意

PROFIBUS總線具有下面特點(diǎn):
1.用一根串行的數(shù)字總線替代傳統(tǒng)的并行24V信號(hào)和4～2OmA模擬信號(hào)
2.通過(guò)一根雙芯屏蔽電纜連接中央控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備
3.同樣適用于防爆環(huán)境和有安全要求的應(yīng)用:一個(gè)系統(tǒng)適合于不同的應(yīng)用
4.數(shù)據(jù)和電源通過(guò)同一根電纜傳輸(PA)
5.對(duì)于所有的設(shè)備，只需要一個(gè)通用的組態(tài)和工程工具
6.連接不同廠商的設(shè)備
7.開(kāi)放的、不依賴(lài)于廠商的現(xiàn)場(chǎng)總線，并符合IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(Type3)
三、Profibus系統(tǒng)在循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)的應(yīng)用方案
在下面的論述中，我們將以電廠循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組控制系統(tǒng)為例，介紹一下現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電廠的應(yīng)用。
電廠控制分成:過(guò)程控制系統(tǒng)和輔機(jī)控制系統(tǒng)
主機(jī)控制系統(tǒng):
· 數(shù)據(jù)采集 (DAS)
· 模擬量控制 (MCS)
· 發(fā)電機(jī)-變壓器組和廠用電源系統(tǒng)順序控制 SCS(G/A)]
· 鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng) (FSSS)
· 汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng) (DEH)
· 輔機(jī)控制系統(tǒng):
· 輸煤程控:
· 化學(xué)水處理:
· 除塵除灰:
· 脫硫系統(tǒng):
近年來(lái)，循環(huán)流化床鍋爐在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用，其高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)是眾所周知的
3.1 系統(tǒng)構(gòu)成
控制系統(tǒng)選用了西門(mén)子公司的過(guò)程控制系統(tǒng)。采用西門(mén)子工控機(jī)，配有STEP7 V5.2 編程軟件，WinCC6.0監(jiān)控軟件為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。
下位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成:兩套西門(mén)子PLC—CPU 417-2DP,四個(gè)ET2OOM工作站。以PROFI-BUS-DP和PROFIBUS-PA作為其現(xiàn)場(chǎng)總線，CP連接的以支持Profibus協(xié)議的PROFIBUS作為系統(tǒng)總線。
3.2 監(jiān)控系統(tǒng):
監(jiān)控系統(tǒng)由一個(gè)操作員站和一個(gè)工程師站組成。操作員站主要完成與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換(數(shù)據(jù)采集)，顯示各種已組態(tài)好的系統(tǒng)流程畫(huà)面、參數(shù)顯示畫(huà)面、控制畫(huà)面、趨勢(shì)曲線、報(bào)警畫(huà)面，報(bào)表打印及控制參數(shù)設(shè)置等功能。使操作員可以及時(shí)的了解整個(gè)鍋爐的運(yùn)行情況，并采用有效的控制，以保證生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。工程師站主要完成整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行組態(tài)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)及顯示，各種顯示及控制畫(huà)面的組態(tài)，報(bào)警組態(tài)，事件紀(jì)錄及顯示和實(shí)事及歷史趨勢(shì)顯示。
3.3 控制方案說(shuō)明
在控制方案中床溫及鍋爐負(fù)荷采用模糊控制;鍋爐液位、過(guò)熱蒸汽溫度，爐膛壓力、料床高度、除氧壓力、除氧器液位都采用了傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)回路。
在WINCC中建立模糊控制規(guī)則輸入表。通過(guò)多變量模糊控制設(shè)計(jì)工具，并且在WinCC畫(huà)面中編輯了脫硫配方的計(jì)算及鍋爐效率，水、煤、氣、電等參數(shù)累計(jì)及瞬時(shí)的顯示。WINCC中建立模糊控制規(guī)則輸入表建立連接，即可將模糊控制規(guī)則下載到PLC中去。規(guī)則控制表可根據(jù)鍋爐的實(shí)際工作情況進(jìn)行適時(shí)修改。
由于西門(mén)子冗余系統(tǒng)采用了時(shí)間同步的專(zhuān)利技術(shù)，可以保證以最快的速度進(jìn)行主從切換，而且其現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)也采用了冗余的PROFIBUS技術(shù)，保證了系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于儀表總線可采Y-LINK連接到Profibus PA儀表上。
系統(tǒng)過(guò)程控制級(jí)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在這個(gè)系統(tǒng)中，充分體現(xiàn)了西門(mén)子新一代過(guò)程控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。使用的組態(tài)軟件是西門(mén)子的STEP75.2，由于其友好的用戶(hù)功能，標(biāo)準(zhǔn)化的PLC編程語(yǔ)言，結(jié)構(gòu)化的編程思想，優(yōu)良的測(cè)試功能，用戶(hù)帶來(lái)了很大的方便。利用其集成的標(biāo)準(zhǔn)PID控制軟件包，能很好的實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)。利用模糊控制軟件包可建立模糊系統(tǒng)。模糊控制可用于自動(dòng)化的所有層次，從單獨(dú)的控制器到整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化。將模糊控制與經(jīng)典的PID控制器相結(jié)合，可以達(dá)到最優(yōu)的控制目的。
對(duì)于系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，西門(mén)子的WlNCC 6.0，它是在PC基礎(chǔ)上的全面開(kāi)放的新一代的人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)。WINCC提供成熟可靠的操作，無(wú)論簡(jiǎn)單、復(fù)雜任務(wù)，都能有效的組合，恰當(dāng)?shù)奶幚怼?BR>四、結(jié)束語(yǔ)
Profibus技術(shù)從2000年開(kāi)始已成功應(yīng)用于輔機(jī)程控中，特別是在四川廠安電廠輔機(jī)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制全部采用了Profibus技術(shù)，得到了用戶(hù)的高度評(píng)價(jià)。尤其是與傳統(tǒng)集中控制比較，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試、維護(hù)及擴(kuò)展上，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)十分明顯，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了技術(shù)裝備基礎(chǔ)。