我國因用電緊缺,急需一批先進的大型火電機組,但我國這方面技術(shù)落后,從國外引進。同時也引進了分散控制系統(tǒng)和PLC。FCS是由DCS與PLC發(fā)展而來,F(xiàn)CS不僅具備DCS與PLC的特點,而且跨出了革命性的一步。而目前,新型的DCS與新型的PLC,都有向?qū)Ψ娇繑n的趨勢。新型的DCS已有很強的順序控制功能;而新型的PLC,在處理閉環(huán)控制方面也不差,并且兩者都能組成大型網(wǎng)絡(luò),DCS與PLC的適用范圍,已有很大的交叉。DCS系統(tǒng)的關(guān)鍵是通信。也可以說數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò),因此,數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計就決定了總體的靈活性和安全性。數(shù)據(jù)公路的媒體可以是:一對絞線、同軸電纜或光纖電纜。通過數(shù)據(jù)公路的設(shè)計參數(shù),基本上可以了解一個特定DCS系統(tǒng)的相對優(yōu)點與弱點。為保證通信的完整,大部分DCS廠家都能提供冗余數(shù)據(jù)公路。為了保證系統(tǒng)的安全性,使用了復雜的通信規(guī)約和檢錯技術(shù)。所謂通信規(guī)約就是一組規(guī)則,用以保證所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被接收,并且被理解得和發(fā)送的數(shù)據(jù)一樣。目前在DCS系統(tǒng)中一般使用兩類通信手段,即同步的和異步的,同步通信依靠一個時鐘信號來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸和接收,異步網(wǎng)絡(luò)采用沒有時鐘的報告系統(tǒng)。
二、現(xiàn)場總線技術(shù)
2.1 現(xiàn)場總線的概念
現(xiàn)場總線是指以工廠內(nèi)的測量和控制機器間的數(shù)字通訊為主的網(wǎng)絡(luò),也稱現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。也就是將傳感器、各種操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的通訊進行特化的網(wǎng)絡(luò)。原來這些機器間的主體配線是ON/OFF、接點信號和模擬信號,通過通訊的數(shù)字化,使時間分割、多重化、多點化成為可能,從而實現(xiàn)高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡便化、節(jié)省配線(配線的共享)。
傳統(tǒng)的4-20mA信號連接,信息量有限,嚴重制約了企業(yè)信息集成和企業(yè)綜合自動化的實現(xiàn)?,F(xiàn)場總線技術(shù)把孤立的現(xiàn)場級設(shè)備帶進了企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)中。
2.2 Profibus 技術(shù)介紹
PROFIBUS,是一種國際化。開放式。不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。PROFIBUS傳送速度可在9.6kbaud~12Mbaud范圍內(nèi)選擇且當總線系統(tǒng)啟動時,所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動化。PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)??蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò),從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。
PPROFIBUS是過程現(xiàn)場總線的縮寫,于1989年正式成為現(xiàn)場總線的國際標準。目前在多種自動化的領(lǐng)域中占據(jù)主導地位,全世界的設(shè)備節(jié)點數(shù)已經(jīng)超過2000萬。它由三個兼容部分組成,即PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery)。PROFIBUS-PA(Process Automation)。PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。主要使用主-從方式,通常周期性地與傳動裝置進行數(shù)據(jù)交換rofibus是德國于90年代初制訂的國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標準,代號DTN19245,目前是IEC 61158國際標準中的Type3部分。現(xiàn)在它成為不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商、開放的、國際化的現(xiàn)場總線標準之一。廣泛應(yīng)用于制造自動化、流程工業(yè)自動化、樓宇、交通、電力等領(lǐng)域的自動化控制系統(tǒng)中。
PROFIBUS–DP:是一種高速低成本通信,用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號傳輸。專為現(xiàn)場級分散IO節(jié)點設(shè)計;
PORFIBUS-PA:專為過程自動化設(shè)計,適合于本質(zhì)安全的場合,可使傳感器和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)在一根總線上,并有本征安全規(guī)范。
PROFIBUS-FMS:用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),是一個令牌結(jié)構(gòu)。實時多主網(wǎng)絡(luò)。為車間級通信任務(wù)提供了大量的通信服務(wù)。
PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)??蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò),從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。
Profibus網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也是以ISO的OSI七層參考模型為基礎(chǔ),對第三層到第六層進行了簡化。
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)指標如下:
物理接口標準:EIA RS-485
網(wǎng)絡(luò)接口:sub-D9 芯插頭
網(wǎng)絡(luò)拓撲:線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。
站點數(shù):主從站最多127個,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,稱為FMS。FMS提供強有力的通信功能。
TEC61158中Type3的第三部分定義了DP協(xié)議,用于傳感器和執(zhí)行器級的高速數(shù)據(jù)傳輸:其傳輸速率可達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合,設(shè)備行規(guī)定義了設(shè)備自有的功能,設(shè)備描述語言及功能塊允許對設(shè)備進行完全的內(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的三個兼容部分,即:Profibus-FMS、Profibus-DP、Profibus-PA,分別應(yīng)用于不同的場合。
圖1為Profibus通訊協(xié)議的結(jié)構(gòu)示意
PROFIBUS總線具有下面特點:
1.用一根串行的數(shù)字總線替代傳統(tǒng)的并行24V信號和4~2OmA模擬信號
2.通過一根雙芯屏蔽電纜連接中央控制器和現(xiàn)場設(shè)備
3.同樣適用于防爆環(huán)境和有安全要求的應(yīng)用:一個系統(tǒng)適合于不同的應(yīng)用
4.數(shù)據(jù)和電源通過同一根電纜傳輸(PA)
5.對于所有的設(shè)備,只需要一個通用的組態(tài)和工程工具
6.連接不同廠商的設(shè)備
7.開放的、不依賴于廠商的現(xiàn)場總線,并符合IEC61158國際標準(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)流化床鍋爐機組控制系統(tǒng)為例,介紹一下現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠的應(yīng)用。
電廠控制分成:過程控制系統(tǒng)和輔機控制系統(tǒng)
主機控制系統(tǒng):
·數(shù)據(jù)采集 (DAS)
·模擬量控制 (MCS)
·發(fā)電機-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)
·汽輪機電液控制系統(tǒng) (DEH)
·輔機控制系統(tǒng):
·輸煤程控:
·化學水處理:
·除塵除灰:
·脫硫系統(tǒng):
近年來,循環(huán)流化床鍋爐在國內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用,其高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點是眾所周知的。
3.1 系統(tǒng)構(gòu)成
控制系統(tǒng)選用了西門子公司的過程控制系統(tǒng)。采用西門子工控機,配有STEP7 V5.2 編程軟件,WinCC6.0監(jiān)控軟件為上位機監(jiān)控系統(tǒng)。
下位機監(jiān)控系統(tǒng)組成:兩套西門子PLC—CPU 417-2DP,四個ET2OOM工作站。以PROFI-BUS-DP和PROFIBUS-PA作為其現(xiàn)場總線,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)由一個操作員站和一個工程師站組成。操作員站主要完成與下位機的數(shù)據(jù)交換(數(shù)據(jù)采集),顯示各種已組態(tài)好的系統(tǒng)流程畫面、參數(shù)顯示畫面、控制畫面、趨勢曲線、報警畫面,報表打印及控制參數(shù)設(shè)置等功能。使操作員可以及時的了解整個鍋爐的運行情況,并采用有效的控制,以保證生產(chǎn)穩(wěn)定運行。工程師站主要完成整個監(jiān)控系統(tǒng)的運行組態(tài),監(jiān)控數(shù)據(jù)庫組態(tài)及顯示,各種顯示及控制畫面的組態(tài),報警組態(tài),事件紀錄及顯示和實事及歷史趨勢顯示。
3.3 控制方案說明
在控制方案中床溫及鍋爐負荷采用模糊控制;鍋爐液位、過熱蒸汽溫度,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。通過多變量模糊控制設(shè)計工具,并且在WinCC畫面中編輯了脫硫配方的計算及鍋爐效率,水、煤、氣、電等參數(shù)累計及瞬時的顯示。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)鍋爐的實際工作情況進行適時修改。
由于西門子冗余系統(tǒng)采用了時間同步的專利技術(shù),可以保證以最快的速度進行主從切換,而且其現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)也采用了冗余的PROFIBUS技術(shù),保證了系統(tǒng)的可靠性。對于儀表總線可采Y-LINK連接到Profibus PA儀表上。
系統(tǒng)過程控制級的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
在這個系統(tǒng)中,充分體現(xiàn)了西門子新一代過程控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。使用的組態(tài)軟件是西門子的STEP75.2,由于其友好的用戶功能,標準化的PLC編程語言,結(jié)構(gòu)化的編程思想,優(yōu)良的測試功能,用戶帶來了很大的方便。利用其集成的標準PID控制軟件包,能很好的實現(xiàn)傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)。將模糊控制與經(jīng)典的PID控制器相結(jié)合,可以達到最優(yōu)的控制目的。
對于系統(tǒng)的監(jiān)視和控制,西門子的WlNCC 6.0,它是在PC基礎(chǔ)上的全面開放的新一代的人機界面監(jiān)控系統(tǒng)。WINCC提供成熟可靠的操作,無論簡單、復雜任務(wù),都能有效的組合,恰當?shù)奶幚怼?/p>
四、結(jié)束語
Profibus技術(shù)從2000年開始已成功應(yīng)用于輔機程控中,特別是在四川廠安電廠輔機控制系統(tǒng)中,現(xiàn)場設(shè)備的控制全部采用了Profibus技術(shù),得到了用戶的高度評價。尤其是與傳統(tǒng)集中控制比較,從系統(tǒng)設(shè)計、安裝調(diào)試、維護及擴展上,現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢十分明顯,為實現(xiàn)無人值守的自動化遠程監(jiān)控提供了技術(shù)裝備基礎(chǔ)。