现场总线在燃气-蒸汽联合循环机组中的应用

现场总线技术在燃气-蒸汽联合循环机组中的应用摘要：本文结合杨凌燃机热电厂燃气-蒸汽联合循环发电机组的工程实例，介绍一种基于现场总线的新型分散控制系统Simatic PCS7的主要技术，包括PROFIBUS现场总线、工业以太网技术、标准通讯接口等。

新型分散控制系统借助先进、开放的计算机网络技术，用于燃机联合循环机组控制，其远程I/O机柜现场布置，实现了全厂监控，不仅降低了工程造价，而且提高了系统的自动化水平。

关键词：联合循环；现场总线；控制；分散控制系统1 概述分散控制系统（DCS）上世纪80年代末期随引进机组进入我国火电厂控制领域，现在已得到广泛应用。

但传统意义上的DCS具有一定的局限性，如投资较大、分散化程度和开放性程度（特别是计算机网络开放性）不够高、电缆敷设量大等，并不适合于中小型机组的控制。

随着计算机技术、网络通讯技术和电子技术等的高速发展，现场总线控制系统（FCS）已在国外得到推广并开始引进国内。

然而由于FCS对3C技术（Computer、Control、Communication）要求很高，投资规模也很大，国内工业水平和经济状况还暂不具备全面推广的条件。

因此，一种适合国内工业水平和经济状况的新型自动控制系统开始受到广泛重视，其在原有概念上的PLC或中、小规模的控制系统吸纳了现场总线技术，形成一种分散度更高，投资成本低的分散控制系统。

它将在中、小规模的应用中大大超过传统的DCS。

它的主要特点有：（1）引入现场总线技术，将远程I/O站分散布置在就地，实现控制系统的地理分散。

（2）采用传统模拟量的测量元器件和执行机构，降低了工程造价。

（3）引入ETHERNET局域网技术，使控制系统能与管理网资源共享。

本文介绍的一种新型的控制系统Simatic PCS7系统即为符合上述特点的新型分散控制系统，它通过先进的、开放的计算机网络及PROFIBUS现场总线技术、远程I/O机柜现场布置方式、可靠的硬件系统和良好的人机界面，实现了燃气-蒸汽联合循环发电机组及全厂的监控。

为区别于传统的DCS，把这种在通讯和数据传输方面遵循现场总线协议的数字式分散控制系统暂称之为FDCS （Fieldbus Distributed Control System）。

采用新型的FDCS不仅降低了工程造价,而且提高了整个机组的自动化水平，为联合循环发电机组及火电机组的全厂监控系统的实现积累了经验。

2 Simatic PCS系统中的主要网络技术Simatic PCS7是德国Siemens公司近年推出的一种新型分散控制系统。

该系统使用了先进的计算机网络技术，开放性好，抗干扰能力强，模件对环境的温度、湿度等条件要求低，且实现了分散控制系统的分散布置。

2.1 冗余的PROFIBUS现场总线技术Simatic PCS7分散控制系统大量采用冗余的PROFIBUS现场总线技术。

PROFIBUS现场总网络是一种开放式通讯系统，能与符合欧洲标准EN50170的第3方组件进行连接。

PROFIBUS具有有限数量站点的单元级和现场级子网，最多站点数限制在127个。

PROFIBUS的协议主要有3种：PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA。

（1）PROFIBUS DP适用于装置一级的自动控制系统与分散I/O间的高速通信。

它使用了现场总线网络协议的物理层、数据链路以及用户接口，能保证快速和有效的数据传输。

（2）PROFIBUS-FMS是一种令牌结构、实时多主网络。

它定义了IEC1158现场总线网络协议的物理层、数据链路以及用户接口。

应用层由FMS（现场总线报文规范）和LL I（低层接口）组成，适用于小型单元网中PLC的通讯以及具有FMS接口的现场设备的通讯。

有效的FMS服务为大批通讯任务的管理提供了广泛的应用范围以及很大的灵活性。

（3）PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，它能够将变送器和执行器连到1根公共总线上，符合IEC61158. 2物理层规范，使用2 根线可以完成供电和数据通信，是PROFIBUS DP的通讯兼容扩展，并能实现本质安全功能，允许在有潜在爆炸危险区的区域中连接现场设备。

PROFIBUS上的站点分主网站和从网站。

主网站使用令牌传递方式，从网站使用主从访问方式。

因此，PROFIBUS访问方式也称为具有下级主、从站的令牌传递。

PROFIBUS网络介质为光纤或电缆，也可以是由光纤和电缆组成的混合结构。

电子PROFIBUS网络使用屏蔽双绞线电缆作为传送媒体，其传输速率与传输距离有关。

最大速率可达12Mb/s（传输距离100m），不使用中继器的最大距离为1000m（传送速率9.6Mb/s）。

Simatic PCS7系统中，控制器与现场I/O站、智能变送器、执行机构间的数据传送，均可以采用PROFIBUS现场总线网络。

2.2 工业以太网工业以太网是工业环境中最有效的一种子网。

它既适合于管理级又适用于单元级。

工业以太网使得在许多站点之间长距离传送大量数据成为可能。

工业以太网是一种符合IEEE 802.3标准的开放式通讯网络，它可以经济地解决工业环境中所要求的通讯任务。

其主要优点是速度快、费用低、简单的扩展性和开放性以及高利用率与全球分布性。

工业以太网使用CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问）访问方式。

在发送消息之前，每个通讯站必须检测总线是否畅通。

如果总线畅通，则该站可以立刻发送消息。

如果2个通讯站同时开始发送消息，则会出现冲突。

要等待选择一段时间后，尝试重新发送。

工业以太网可以设计为光纤或电子网络，也可以采用光纤和电子网络组成的混合结构。

电子工业以太网络可以使用三同轴电缆（AUI）或工业双绞线电缆（ITP）。

光纤网络可以设计为线型、环型或星型结构，但只能使用玻璃光纤作为传送媒体。

Simatic PCS7系统中，控制器间、操作员站间均可以用工业以太网实现信息的传输。

2. 3 与第三方通讯网络及接口Simatic PCS7系统与第三方通讯主要有3种方式：第1种是通过以太网和标准的OPC或DDE接口，利用人机界面软件与第三方设备进行数据传输。

OPC（用于过程控制的OLE）是一种用于自动化领域内组件的新通讯标准。

其将办公应用、人机界面系统、PLC 和现场设备集为一体。

OPC 为开放式接口标准，其最少组件配置应包括1台OPC服务器和1台OPC 客户机。

应用OPC服务器可使数据用于OPC客户机，OPC客户机取回这些数据并做进一步的处理。

第2种是通过PROFIBUS现场总线，将符合该标准的第三方组件直接挂接在PROFIBUS 现场总线上，完成数据的交换。

第3 种是通过通讯模件，以串行通讯方式，如RS232C、RS422/485、TTY20等与其它系统的控制器或计算机进行通讯。

3 Simatic PCS在联合循环机组控制过程中的应用陕西杨凌燃机热电厂是陕西省政府投资新建的环保型电站。

工程分两期新建两台燃机联合循环机组。

一期工程机组配置由1×39.62 MW的PG6561B燃气轮机发电机组（燃料为天燃气），1台自带除氧器的三压自然循环余热锅炉及1台15MW汽轮发电机组组成，供热能力50t/h。

采用Simatic PCS7控制系统作为机、炉、电的中央监控系统。

整个系统的总成套、设计、组态及调试由国电热工研究院承担。

系统共配置3 对冗余CPU-417H 的控制器：1号控制器主要控制余热锅炉及燃气轮机外围系统；2号控制器主要控制蒸汽轮机及其辅助设备；3号控制器主要控制电气的110kV增压站、厂用电系统（包括380V（AC）和3V（AC）工作段）以及发电机组的同期控制等，完成整个电气系统的控制与监视，替代了过去的电气SCADA系统。

本系统的I/O模件采用了S7300系列I/O模件，通过ET200M远程机架与控制器相连。

系统配置的总I/O点数达2200点。

系统的控制组态软件采用STEP7 V5.0，操作站监控软件采用了WinCC5.0，系统配置如图1所示。

图1 9F联合循环机组控制系统网络结构图3. 1 PROFIBUS现场总线的应用每一对冗余控制器均通过冗余的现场总线Profibus-DP（最高数据传输速率可达12Mbit/s）带一定数量的远程I/O扩展机架ET200M及I/O模件。

由远程I/O 扩展机架和模件组成的远程I/O站均放置于现场附近，通过Profibus-DP总线与放置在主控楼的冗余控制器通讯。

该系统共配置32个ET200M远程机架，按工艺流程分成8个远程I/O站，放置在全厂8个不同位置，最远的一个远程I/O站——深井泵房远程I/O站距主厂区3.4km左右，其它远程I/O站间距离在200m 以内。

控制器与各远程I/O站间的通讯是通过PROFIBUS-DP现场总线完成的。

主厂区内PROFIBUS-DP现场总线传输介质为双绞线，深井泵房远程I/O站与主厂区间的数据通讯采用光纤作为传输介质。

网络数据传输速率1.5Mbit/s。

各远程I/O机柜放置在信号较集中的现场位置，信号的一次元件均采用传统的测量方式。

与传统的分散控制系统（DCS）相比，设计工作量小、施工量少、减少了信号电缆、降低了工程的造价。

与现场总线控制系统（FCS）相比，现场测量元件采用传统的测量方式，而未使用理论上的智能变送器，从而降低了工程造价。

由于使用了PROFIBUS-DP现场总线技术，现场布置I/O机柜，实现了对燃机外围设备、余热锅炉、汽机辅机、循环水泵房、综合水泵房、深井泵房、厂用电气系统、110 kV升压站等系统与主控环的服务器进行双向数据交换，实现了全厂各系统的集中监控。

3. 2 以太网技术的应用控制器与控制器之间、控制器与服务器之间的数据通讯是通过冗余的环型工业以太网来完成的。

该工业以太网的主环路为光纤环路，其网络接口模件具有良好的电气性能，使用方便。

由于网络的环型结构和冗余方式，该网络的可靠性高。

网络速率为100Mb/s。

服务器通过该网络与控制器间进行数据交换，上传状态信息，下传控制信息。

另外，服务器和各运行人员操作站组成了另一条以太网（考虑到系统造价，该以太网使用了普通以太网），通过该网络，各操作员站从服务器获得控制过程的状态参数和设备信息，并将控制指令通过服务器下传至控制器，完成控制功能。

3. 3 与其它系统的通讯本DCS系统的人机界面软件采用了WCC5.0，该软件具有标准的OPC接口。

化水程控系统采用了AB公司的PLC，控制器型号为LOGIX5550，其上位机软件为RSView32，上位机与控制器间的数据通讯采用Rockwell公司的RSLinx软件包，该软件包也具有标准的OPC接口。

在DCS与系统通讯过程中，将化水程控系统的上位机设置为OPC接口的SERVER，分散控制系统的SERVER作为OPC接口的客户机，这样，通过上层的以太网，分散控制系统就可以利用OPC 标准接口获得化水程控系统的数据，以监视化水处理的过程。