基于maxDNA系统的PROFIBUS现场总线的设计

0 引言

目前，国内火电机组装机容量越来越大，机组参数变大，机组设备增多，现场工艺更加趋向于复杂化。面对如此情况，传统的分散控制系统（DCS）信号传输一般采用现场设备与控制器单点单线的模式，这种方式使得DCS控制器获取现场设备信息量大大减少（比如流量，DCS一般传输只是传输流量本身，而流量密度、温度、累积流量等无法传输），极大地限制了现场自动化程度。PROFIBUS现场总线通过单根线缆连接多个设备，通过PROFIBUS协议可获取大量设备信息，简单便捷高效，远方DCS侧实时监测更多有效设备数据信息，设备安全性得到提高，自动化程度提高。PROFIBUS现场总线全厂化的应用对于数字化智慧电厂的建设有着重要意义。

某电厂在二期2×1 000 MW超超临界二次再热机组主机和辅网均采用国电南自maxDNA系统，采取了PROFIBUS总线和硬接线相结合的模式。本文分析了基于maxDNA系统的PROFIBUS现场总线的设计、施工、调试、后期维护要求和所遇问题的解决办法。

1 maxDNA系统现场总线控制

1.1 maxDNA现场总线控制

maxDNA系统是中国华电集团引进的大型分散控制系统（DCS），已成功在国内多台百万机组成功运行；现场总线技术在多家电厂均有应用。某电厂二期全厂均采用了maxDNA系统，实现全厂DCS一体化。

maxDNA控制系统中，maxPAC PROFIBUS总线模块可以提供1～4通道通信接口，可以根据现场实际情况提供1～4条现场总线[1]。其支持的PROFIBUS-DP协议，可以通过DP和PA转换器实现PROFIBUS-PA总线的通信。maxPAC PROFIBUS总线模块中每条网段可支持31个总线从站，可支持最大传输速率为12 Mbit/s，对应DP总线线缆长度100 m。总线传输速率高，相对地可支持总线电缆传输距离就会缩短，对应关系如表1所示。

为了保证从站设备与主站之间的有效传输性和快速响应性，某电厂总线网段配置12～14总线从站设备，传输比特率设置为500 kbit/s或者187.5 kbit/s，总线线缆长度均设置为最长不超过400 m。

maxDNA控制系统所设计网段中，DP总线为双路冗余设计模式，PA总线为单路设计模式。某电厂二期各系统总线配置如表2所示，辅网各系统总线配置如表3所示。DP网段数量共计176×2条，DP设备数量约1 664台；PA网段数量设计为106条，PA设备数量约851台。

1.2现场总线在某电厂应用

PROFIBUS是由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS三部分组成。PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分散型外围设备）主要用于控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通信；PROFIBUS-PA（Process Automation，过程自动化）是通过PROFIBUS协议将现场温度、压力、液位、流量等模拟量信号与DCS控制系统进行通信，从而代替传统的4～20 mA硬接线方式[2]。某电厂二期采用PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA两种总线模式。

某电厂二期工程辅网系统中包括锅炉补给水系统、海水制氯系统、海水淡化系统、脱硫废水系统、采暖空调系统、精处理系统、除灰系统、输煤系统，主机侧锅炉、汽机、电气、脱硫、公用均采用硬接线和PROFIBUS总线相结合的方式。所涉及的总线设备包括：（1）恒春、弗瑞特、SIPOS7型、行力、Limitorque等多种电动执行机构；（2）ABB550型号变频器；（3）融达兴RDX100、RDX200系列的380 V电动机智能控制装置，金智科技5200系列的10 kV开关设备；（4）FESTO系列阀岛；（5）Fisher、ABB等阀门定位器以及E+H、奥立龙、罗斯蒙特、西门子等多种型号的流量计、液位计、压力表、温度计和各种分析仪表。涵盖系统广泛，涉及现场总线设备繁多，提高了现场数据传输能力，同时获取了大量硬接线无法获取的现场信号。

某电厂二期工程全厂总线的应用，是该厂建立数字化智慧电厂的重要组成部分，对于该厂实现数字化智慧电厂具有重要意义。

1.3 maxDNA系统总线调试步骤

maxDNA系统下PROFIBUS-DP总线调试步骤为：根据设备GSD组态并下装、编译功能块。

1.3.1总线通信组态

maxDNA系统中采用SyCon软件来配置总线组态，组态配置根据实际设计的网段上所挂载的从站设备进行配置。SyCon软件配置如图1所示。FBM为maxPAC PROFIBUS总线模块，作为通信主站，主要配置主站信息、通信速率；网段上设备作为通信从站，主要配置从站地址、设备型号、从站设备描述、GSD文件中数据交换所需要的Module参数。

在配置完成后，需要通过maxDNA系统自带的总线下装软件Profibus Download将SyCon中配置好的组态信息下装到maxPAC PROFIBUS总线模块对应的通道即对应的FBM中，并自动存储在其中。

1.3.2编译功能块

maxDNA系统自带主站通信功能块，从站通信功能块需要根据不同设备的GSD文件来进行功能编译。

DP总线冗余模式，即A网段和B网段发送相同通信数据到DCS侧。为了区分上位数据具体由哪一条网段发送，某电厂编译了切换功能块。其功能为当A、B网段均为正常通信时，接收A网段数据信息；当A网段出现故障或者通信质量差时，自动切换至B网段数据信息；当A网段故障解决并且逻辑判断其通信正常时，自动切换至A网段数据信息。

从站设备功能块编译，maxDNA系统总线功能块编译完之后，在功能块中根据现场实际输入地址、所属网段、Module参数即可。功能块编译完成，查找无误后即可下装至控制器中。

2 现场总线施工注意事项

从提高总线的通信质量方面考虑，结合已有项目实际工程调试经验，工程实施时要关注的几个地方如下：

（1）总线设备的选用应该严格按照预定的总线协议来选型，必须要符合PROFIBUS-DP协议，否则无法实现通信。必要情况下，需要送至DCS厂商处进行通信检测，确认可以通信后，方可用于现场实际建设。

（2）网段的划分要根据现场设备实际位置和设备所属系统来进行。由于现场桥架和设备安装位置的不确定性，总线网段的排版需要在现场根据设备位置和设备所属系统进行划分。

（3）施工方在放PROFIBUS-DP线缆时，一定要严格按照总线网段设计最终版进行顺序放线，否则会对后期调试和投产维护产生比较大的干扰和影响。

（4）一般情况下，DP总线每个网段的PROFIBUS-DP线缆不超过400 m，前后设备之间的DP线缆不应该少于1.5 m；如果现场设备必须超过400 m长度，需在设备端增加光纤通信来延长PROFIBUS总线通信距离。

（5）为保证PROFIBUS-DP总线不受外部干扰，要求DP线缆单独设计金属桥架，在金属桥架上每隔20～30 m作一次接地；防止高压电缆和其他干扰源对PROFIBUS-DP总线线缆产生干扰从而影响通信质量。

（6）每条网段最后都会设计有源终端，从站设备自带的终端电阻模块需要设置为OFF。有源终端防止信号反射的效果远比无源终端要好。

（7）设备接线时，PROFIBUS-DP总线线缆需使用专业总线剥线钳和一定剥线接线顺序，确保铜芯、屏蔽层、外层包装依次成型。

3 通信故障诊断和处理方法

3.1机组调试期间故障分析

PROFIBUS现场总线在调试期间会遇到很多处理起来困难棘手的问题，某电厂二期在基建调试期间也遇到过很多问题，归结如下：

（1）错用GSD文件，很多厂家在提供GSD文件的时候往往会不注意设备具体型号，如ABB ACS510和ACS550。GSD文件错误，会导致设备无法通信。

（2）设备接线正负端接反，正常DP线缆分为红绿两种颜色，红B绿A。

（3）设备参数配置出错。一般设置主要参数：地址、总线模式、开关指令反馈等信号对应的数据位、总线使能等。设置错误或者少设置选项会导致无法通信。

（4）设备通信说明书与现场实际不符。

（5）DCS侧对设备GSD文件配置错误。DCS侧配置组态时选择错误Module导致无法通信。

（6）总线专用桥架中放置了高压电缆造成干扰。信号电缆遭受高压电缆线路电感应和磁感应产生的电压和电流足以影响电信回路的正常运行，如传输质量降低、信号失真等[3]。

（7）有源终端未设置ON模式，导致无法通信或通信质量差。有源终端未设置ON模式，PROFIBUS数据传输过程中会导致信号反射干扰原信号的现象，从而导致出现数据丢包或通信中断。

（8）DP头即总线连接9针D型连接器损坏。国际性的PROFIBUS标准EN 50170推荐使用9针D型连接器，用于总线站与总线的连接[4]。

3.2机组投产后维护故障分析

PROFIBUS现场总线在机组投运后也可能会遇到问题，某电厂二期机组投产后现场总线就遇到了一些问题。电厂热控维护人员按照总线画面中通信中断位置、中断节点对现场故障点进行有效判断，可以高效处理解决总线问题。根据现场运行期间的实际经验，总结出以下几条问题及处理方法：

（1）现场设备的通信模块损坏。冗余模式下，一般此类问题如其中一路通信模块出现问题，不影响设备运行，DCS侧会出现报警提示此类问题，提示尽快处理。

（2）DCS侧PROFIBUS总线卡件损坏。出现此类问题现象为卡件所带所有总线从站设备通信全部断线，需更换总线卡件。

（3）有源终端出现故障。有源终端故障导致信号传输发生反射干扰原信号的现象，影响通信。

（4）机组长期运行，总线从站设备9针D型连接器出现松动。

4 结语

随着现场总线的广泛应用，自动化程度不断加深，现场总线已经成为数字化智慧电厂的重要组成部分。某电厂二期2×1 000 MW超超临界二次再热机组投产以后，全厂一体化maxDNA控制系统及基于maxDNA系统的PROFIBUS现场总线运行稳定，完全满足现场控制要求，数据传输稳定可靠、设备信息全面。

审核编辑：刘清