PROFIBUS 总线技术 在数字化发电厂中的应用研究.docx

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PROFIBUS总线技术在数字化发电厂中的应用研究

毕业设计说明书（论文）

作者：

学号：

学院：

班级：

专业：

自动化□测控技术与仪器

所在系：

控制科学与工程□仪器科学与技术

题目：

PROFIBUS总线技术

在数字化发电厂中的应用研究

指导者：

讲师签字：

评阅者：

2014年6月吉林

摘要

随着计算机和信息技术的飞速发展,工业控制系统领域的技术开发和应用推广也如火如茶地进行推进。

特别是DCS（DistributedControlSystem分布式控制系统），作为应用效益最直接、最明显的工业控制系统，在用户对一先进的控制功能与管理水平的需求日益增加的背景下，各DCS厂商纷纷开发推广了新一代先进的控制系统。

FCS（FieldbusControlSystem）现场总线控制系统）是目前最新型的控制系统，它是一种全计算机、全数字、更加开放的新型控制系统。

现场总线技术给自动化领域带来了一场革命，代表了自动化的发展方向。

数字通信是一种趋势,也是技术发展的必然。

由于政治的、经济的原因，现场总线技术的发展和推广充满了激烈的竞争。

在历经了群雄并起、分散割据的初始阶段，尽管己有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。

作为现场总线控制系统的核心部分——总线协议，已经在火电厂控制系统的通信网络中成功运行，这不仅消除了人们以前存有的许多疑团，也为现场总线控制系统在火电厂推广应用打下了良好的基础。

从理论上讲，双向数字通信现场总线信号制技术必将会给火电厂安全经济运行及提高管理水平带来实实在在的效益。

这是过去在电站中使用过的任何控制系统所无法与之相比拟的。

本文对过程控制系统的发展历程进行了阐述分析，并对现场总线控制技术的优势进行深入分析，结合Profibus现场总线在国内火电厂的实际应用，分析得出Profibus现场总线在火电厂控制领域中实现了数字化程度大幅度提高、控制和管理水平大幅度上升，而工程建设和维护的总造价大幅度降低等突出优势，昭示了新一代控制系统的崛起和发展。

目前国内300MW以上发电机组,无论是国产机组还是引进机组，无一例外采用DCS，就连200MW，100MW机组也在使用DCS来进行改造，甚至于一些自备电厂的25MW，12MW的火电机组也采用。

DCS系统作为20世纪90年代才走向实用化的，在自动化领域内最为新型的控制系统——现场总线控制系统，必将裹挟其更加先进更具广泛应用的优势，像DCS系统一样被电站接受并广为推广使用，为我国国民经济和现代化做出更多贡献。

关键词：

火电厂；RPOFIBUS；DCS

（中英文摘要、目录、主要符号表页脚采用罗马字母编写，如-I-，-II-）

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofcomputerandinformationtechnologytheresearchandapplicationofcontrolsysteminindustryareadevelopsrapidly.Especially,theDistributedControlSystemwhichhasbeendefinedfortheadvancedbenefitandnavarintheindisturyarea,hasdevelopedtothebrand-newwiththemoreexpectionfortheadvancedcontrolandmanagementtechnologyfromcustomer.

TheFieldbusControlSystemisthekindofentirecomputer,entiredigitalandmoreopensystem.Thedigitalcommunicationdirectsthetrendandbringouttherevolutionfortheautomation.Surely,theFildbusControlSystemreprentsthedirectionfortheautomationtechnologyandapplication..

Duetothepolitical,economic,fieldbustechnologydevelopmentandpromotionoffullcompetition..Aftergonethroughthepackandplay,scatteredseparatistinitialstage,althoughtherehasbeenarangeofmergernegotiations,buthasnotyetformedacompleteandunifiedinternationalstandards.

Asacorepartofthefieldbuscontrolsystem-busprotocol,thecommunicationnetworkhasbeensuccessfullyrunningthermalpowerplantcontrolsystem,whichnotonlyeliminatesmanydoubtsbeforethepeoplethere,butalsoforfieldbuscontrolsystemlayinthepromotionandapplicationofthermalpowerplantsagoodfoundation.Intheory,bringingtwo-waydigitalcommunicationfieldbustechnologywillgivethesignalsystemsafeandeconomicoperationofthermalpowerplantandimprovethemanagementoftangiblebenefits.Thisisnocontrolsystemforuseinpowerplantsinthepastcannotbecomparedoverdrafted.

Inthispaper,theprocesscontrolsystemdevelopmentprocesselaboratedanalysis,andfieldbuscontroltechnologyAdvantageofin-depthanalysis,combinedwiththepracticalapplicationofProfibusindomesticthermalpowerplants,theanalysisresults

Profibusfieldbuscontrolinthefieldofthermalpowerplantstoachieveasubstantialincreaseinthedegreeofdigitization,controlandmanagementreasonablelevelincreasedsignificantly,whilethetotalcostofconstructionandmaintenanceofasignificantreductioninotherprominentadvantages,hasdemonstratedtheriseanddevelopmentofanewgenerationofcontrolsystems.

Atpresent,morethan30OMWgeneratorset,whetheritistheintroductionofthedomesticunitorunits,withoutexception,theuseofDCS,even20OMW,100MWunitsaretobetransformedusingtheDCS,25MWandevensomeofthecaptivepowerplant,12MWthermalpowerunitsalsouse.DCSsystemasthe1990s,onlytopracticaluseinthefieldofautomationcontrolsystemsmostnovel-Fieldbuscontrolsystem,willbecoerceditsadvantagesmoreadvancedandmorewidelyused,asisacceptedastheDCSsystemandpowerplantwidelypromotetheuse,forthemodernizationofChina'snationaleconomyandcontributemore.

Keywords:

Thermalpowerplants；PROFIBUS；DCS

目录

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论4

1.1研究背景4

1.2研究意义4

1.3国内外研究现状4

1.4本文内容4

第2章现场总线基本理论4

2.1集散控制系统的发展历程4

2.1.1DCS的技术特点4

2.1.2国产DCS技术应用概况4

2.2现场总线4

2.2.1现场总线技术简介4

2.2.2现场总线技术的特点4

2.2.3现场总线的优点解析4

2.2.4典型现场总线4

第3章PROFIBUS技术简介4

3.1PROFIBUS技术探索4

3.1.1PROFIBUS技术的发展历程4

3.1.2PROFIBUS协议结构4

3.1.3PROFIBUS一DP4

3.1.4PROFIBUS一PA4

3.1.5PROFIBUS—FMS4

第四章PROFIBUS在数字化电厂中的应用4

4.1火电厂生产过程的控制特点4

4.2PROFIBUS在数字化电厂中的应用实例4

4.2.1PROFIBUS—PA在华能邯峰电厂脱硫系统中的应用4

4.2.2PROFIBUS在华能金陵电厂二期机组中的应用4

4.2.3PROFIBUS在华能秦岭电厂中的应用4

4.3火电厂应用PROFIBUS现场总线后的效果4

4.4火电厂采用PROFIBUS现场总线的不足4

结论4

参考文献4

致谢4

第1章绪论

1.1研究背景

在工业企业中，应用效益最直接、最明显的系统应当是工业控制系统，特别是DCS（DistributedControlSystem分布式控制系统），受信息技术（网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等）发展的影响，以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加，各DCS厂商（以Honeywell、Emerson、Foxboro、横河、ABB为代表）纷纷提升DCS系统的技术水平，并不断地丰富其内容[1]。

可以说，以Honeywell公司最新推出的ExperionpKS（过程知识系统）、Emerson公司的PlantWeb（EmersonProcessManagement）、Foxboro公司的A2、横河公司的R3（PRM—工厂资源管理系统）和ABB公司的IndustrialIT系统为标志的新一代DCS己经形成。

现场总线控制系统是目前最新型的控制系统，它是一种全计算机、全数字、双向通信的新型控制系统。

现场总线技术给自动化领域带来了一场革命，代表了自动化的发展方向。

数字通信是一种趋势，也是技术发展的必然[2]。

从理论上讲，双向数字通信现场总线信号制技术必将会给火电厂安全经济运行及提高管理水平带来实实在在的效益。

这是过去在电站中使用过的任何控制系统所无法与之相比拟的。

1.2研究意义

作为现场总线控制系统的核心部分—总线协议，已经在火电厂控制系统的通信网络中成功运行，这不仅消除了人们以前存有的许多疑团，也为现场总线控制系统在火电厂推广应用打下了良好的基础。

现场总线控制系统，在以顺序控制为主，以PLC（可编程逻辑控制器）为硬件的火电厂辅助车间控制系统联网控制中，可以发挥最大效益[3]。

PLC作为一个站挂在高速总线上，充分发挥PLC在处理开关量方向的优势。

现场总线在该领域的应用己经取得成功，这将是今后一段时间内火电厂辅助车间适度集中控制方针得以实现的一种优选方案。

由于目前能满足火电厂控制要求的数字式智能现场装置的品种还很少，理论上的现场总线效益还不能充分发挥。

但从理论上讲,双向数字通信现场总线信号制技术必将会给火电厂安全经济运行及提高管理水平带来实实在在的效益。

这是过去在电站中使用过的任何控制系统所无法与之相比拟的。

在已投运的发电厂中，对单元机组电气设备的监控主要采用两种方式：

一是硬接线和现场总线相结合方案，即所有断路器的控制指令及参与连锁所需要的位置状态经硬接线送至DCS的D0，D1卡件；而回路的电流、电压量、保护动作及报警信号则以现场总线通信方式传送，经ECMS系统通信管理机汇总后送入相应的DCS-DPU通信接口[4]。

在实际应用中，该方案各方比较容易接受，电厂应用较多。

虽然ECMS系统具备对就地电气设备进行控制功能，但在正常运行时，该功能被闭锁，就地电气设备仍需要通过硬接线实现DCS系统监控，且经现场总线通信传送的电气信息没有送到控制室，运行人员无法看到，使ECMS系统没有充分发挥出应有的作用;二是完全现场总线方案，该方案的设计思想是希望将ECMS系统与DCS系统完全融合，实现无缝连接。

ECMS系统通信管理机是按电厂工艺过程配置，参与工艺联锁控制的通信管理机与相应的DCS-DPU一对一进行通信，对于不参与工艺联锁的电气信息，通过电气站控层的通信网关接入DCS2[5]。

该方案在云南宣威电厂六期（2×300MW机组）、云南巡检司电厂（2×135MW机组）等少数电厂已投入运行。

从厂家提供的测试数据来看:

电气监控系统通讯接入DCS的实时性能大体达到火电厂监控实时性的技术要求指标，但为保证实时性和可靠性，DCS系统仍保留部分硬接线。

从技术上分析:

该方案利用DCS-DPU串口通信和以太网通信方式与电气就地智能装置实现双向通信，由于通信实时性要求，ECMS系统通信管理机需要与DCS-DPU对应配置，导致通信管理机数量庞大，就地通信系统结构复杂，接口环节多，网络通信信息量大，各方配合调试工作量大。

对于DCS系统来说，对外通信不是它的强项，大量的电气信息通过通信串口和网络传输引起通讯接口软、硬件配置问题以及网络结构问题等，对DCS系统和ECMS系统的可靠性均产生不利影响。

由于机炉过程控制对象多，设备间相互关系紧密，操作频繁，逻辑运算复杂，采用全通信方式需要冒一定的技术风险。

因此，后续工程能够采用此方案的不多[6]。

现场总线技术有着不少技术上的优越性，如能在电厂成功应用，将对简化自动化系统、降低造价，实现全厂管理信息系统（MIS）和全厂实时监控系统（SIS）都很方便，因而在电厂的应用前景是广阔的，也是进一步提高电厂自动化水平要采取的技术措施。

但也必须认真解决可靠性、智能现场设备价格、优化软件等问题。

1.3国内外研究现状

由于各种现场总线协议互不兼容，不同现场总线设备不能直接进行信息互访和交换。

因此，随着现场总线系统的广泛应用，由于分期投资和用户要求的多样性，必然会导致多种现场总线系统共同工作的现象。

为此，各大公司纷纷推出能够让多种现场总线协同工作的控制系统，如Smar公司的System302系统能够连接FF、HART、Profibus和4—20mA的设备；Foxboro公司的系统也能够包容FF、Profibus、Modbus、DeviceNet等。

国内西安热工研究院在吸收国际先进的DCS技术，而月融入了新型的现场总线控制技术，嵌入符合国际现场总线标准IEC61158的Profibus和FF技术，构成了可应用在火电、水电、化工等过程控制领域的现场总线控制系统FCS165，展开了国产控制系统开疆拓土的蓝图。

ABB公司在其推出的ControlIT产品中也将Profibus、FF、HART等现场总线产品集成在一个系统环境下共同工作，并在以太网平台上通过OPC协议进行集成[7]。

经过十几年的发展,目前国际上出现了多种现场总线通信协议,如CAN、Profibus、LonWorks、HART、FF、ControlNet、DeviceNet、Interbus等,这些通信协议各有特色,各有发展背景.根据火电厂在国民经济中的特殊地位和发供电同时进行的特点，电厂必须采用成熟可靠的技术，但又希望尽量采用先进技术；在实施过程中采取稳步前进的工作方法。

从理论上讲,由于采取统一的通信标准,现场总线具有开放、互连、兼容的优越性,用户不会因为采用不同厂家的设备组成控制系统而在相互连接上造成困难。

但是由于标准并没有统一成单一的标准,各不同标准之间的通信连接仍需采取其它措施,增加了组成控制系统的复杂性。

但不管怎样,统一成8种类型的标准已经是前进一步了,希望通过进一步的整合、协商、最终能达到统一的目的。

现场总线技术在国内大容量机组火电厂辅助车间已经有一些成功应用经验。

华能玉环电厂的锅炉补给水处理系统和工业废水处理系统的控制系统、华能金陵电厂的锅炉补给水处理系统、三河电厂二期工程的热网系统的控制系统等,均采用了现场总线技术。

现场总线技术在单元机组的大规模应用也已经开始。

华能九台电厂一期工程（2×660MW）和华能金陵电厂二期工程（2×1030MW）均部分采用西门子公司SPPA—T3000（集成FCS控制系统）并陆续投运；江阴夏港电厂（2×330MW机组）采用的是FoxboroI/A系列的DCS。

主要在电气马达的控制和保护系统采用现场总线技术，现已经投运[8]。

进入21世纪后，现场总线技术在各个领域都具有了不同程度的应用，尤其是近几年，现场总线技术已经成功应用于火力发电厂的主要工艺系统。

比较典型的有位于德国科隆附近RWE集团的尼德豪森电厂（1×950MW），采用了德国Siemens公司的现场总线技术;有位于美国堪萨斯的OPPD能源集团的Nebraska电厂（2×740MW）燃煤机组，采用了Emerson公司的现场总线技术;也有位于美国休斯顿以北的TXU集团的MartinLake燃煤电厂（3×880MW），采用了工，Ivensys公司的现场总线技术等;以及位于意大利罗马的TIRRENOPOWER联合循环电厂，瑞士、德国和瑞典的垃圾焚烧发电厂等[9]。

国外的大型火电厂，均在锅炉和汽轮机等主系统的监控系统上采用了现场总线技术，其中的典型应用如下:

1）德国Niederraussen电厂（1×950MW），控制系统为西门了TXP—2000，除锅炉安全监控系统（FSSS）、汽轮机控制和保护系统（DEH、ETS）、重要的模拟量控制采用常规方案外，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，机组已经投入运行，运行情况良好。

2）意大利TIRRENOPOWER联合循环电厂，该工程为改造项目，控制系统为西门了T2000，模拟量仪表和分析仪表采用了Profibus—PA协议，被控对象采用了Profibus—DP协议，即除燃机、汽机控制和保护系统（DEH、ETS）采用常规方案外，基本采用了现场总线。

3）美国Nebraska（OPPD）电厂（740MW）,控制系统采用了Emerson的OVATION系统，除锅炉安全监控系统（FSSS）、汽轮机控制和保护系统（DEH、ETS）、重要的模拟量控制采用常规方案外，总线的应用范围约为50%。

除了尼德豪森电厂和Omaha公用电力之外，还有德国曼海姆电厂、柏林北部电厂、慕尼黑电厂、礼克林豪森电厂和美国Xcel电力集团Comanche三号机组等国外电厂DCS系统都采用了现场总线结构[10]。

1.4本文内容

本文主要介绍的是Profibus总线技术在数字化电厂中的应用，所以会先介绍一下关于现场总线技术的一些基本理论，然后具体到Profibus总线技术，之后再讨论一下Profibus总线技术在火电厂的具体应用。

首先阐述一下现场总线技术的研究背景、研究意义和论文的大体结构。

之后再介绍一下Profibus总线技术相关的一些基本知识，并讨论一下Profibus总线技术在火电厂的应用以及其应用的好处与不足。

第2章现场总线基本理论

现场总线（Fieldbus）是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。

它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。

它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。

2.1集散控制系统的发展历程

50年前，过程控制是基于气动信号标准的基地式气动控制仪表系统，即第一代过程控制体系结构（PCS，PneumaticControlSystem）;基于模拟电流信号标准0—10mA（4—20mA）的电动单元组合式模拟仪表控制系统，即为第二代过程控制体系结构（ACS,AnalogousControlSystem）；20世纪70年代，由于使用了数字计算机，从而产生了集中式数字控制系统，即第三代过程控制体系结构（CCS,ComputerComtrolSystem）；20世纪80年代，微处理机的出现和应用，从而产生了分布式控制系统，即第四代过程控制体系结构（DCS，DistributedControlSystem）；20世纪90年代，现场总线技术的出现产生了新一代过程控制体系结构，即现场总线控制系统（FCS,FieldbusControlSystem）[11]。

2.1.1DCS的技术特点

如果我们把当年Foxboro公司的I/ASeries看做第三代DCS系统里程碑的话，那么以上几家的最新DCS可以化为第四代。

第四代DCS的最主要标志是两个“I”开头的单词：

Information（信息）和Integration（集成）。

第四代DCS的体系结构主要分为四层结构：

现场仪表层、控制装置单元层、工厂（车间）层和企业管理层。

一般DCS厂商主要提供除企业管理层之外的三层功能，而企业管理层通过提供开放的数据库接口，连接第三方的管理软件平台（ERP、CRM、SCM等）。

所以说，当今DCS主要提供工厂（车间）级的所有控制和管理功能，并集成全企业的信息管理功能[12]。

1）DCS充分体现信息化和集成化

信息和集成基本描述了当今DCS系统正在发生的变化。

用户已经可以采集整

个工厂车间和过程的信息数据，但是用户希望这些大量的数据能够以合适的方式体现，并帮助决策过程，让用户以他明白的方式，在方便的地方得到真正需要的数据。

信息化体现在DCS系统已经不是一个以控制功能为主的控制系统，而是一个充分发