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上海西皇电气设备有限公司

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一、数字化电厂及应用现场总线技术的必要性6ES7223-1BH22-0xA8西门子S7-200模块
　　何为数字化电厂，这个问题近几年来在业界得到了广泛的讨论。随着计算机技术和通信技术在电力行业的广泛应用，数字化已普遍应用于电力生产过程的决策层、管理层和监控层，数字化电厂也逐步成为现代化发电企业发展的方向，从目前对数字化电厂的认识来看，数字化电厂的网络结构可以划分为三个层次,即直接控制层(包括数据采集)、管控一体化层、管理决策层，而将三个层次连接起来的就是数据库和计算机网络。
　　管理决策层：MIS
　　管控一体化层：SIS AMS智能设备管理系统
　　现场控制层：DCS等
　　目前SIS是一个准实时监控系统，SIS侧重点是实时生产过程管理和监控，对实时性要求高，SIS的实时性要求比MIS高，比DCS略低。对实时性要求之所以比DCS略低，其原因是SIS应用功能目前大多数是开环的，如负荷分配功能，电厂负荷非直调方式-中调把全厂负荷发给电厂，电厂按优化分配算法把负荷分配给每台机组。如果SIS中的这一功能真正实现闭环，将取得明显的经济效益。如SIS实施闭环，其对实时性的要求将与DCS相当。
　　数字化电厂很重要的组成部分是上层SIS等应用软件，SIS需要的实时信息取自于DCS和辅助车间监控系统等，由于DCS采用的是模拟量、开关量，不具备将设备状态的实时信息上传至控制器的功能，SIS也就无法获得这些有用信息，这就是SIS进一步提?功效的瓶颈，也是建设真正意义上的数字化电厂的瓶颈。
　　而FCS系统采用的是全数字、双向通信现场总线信号制，完全解决了智能现场仪表与智能控制室仪表之间的连接问题，解决了瓶颈，满足SIS需求，也为现场控制设备级实现数字化、建设真正意义上的数字化电厂提供了基础条件。要建设真正意义上的数字化电厂，必须解决现场控制设备级数字化，目前现场总线能完成这一使命。FCS是消灭火电厂“信息孤岛”的**武器：FCS的现场智能设备能将大量现场信息送上通信网络，这是DCS、PLC无法实现的。
　　二、现场总线技术介绍
　　现场总线(field bus)，按其国际电工委员会IEC61158的定义为：“安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线”;按欧洲标准EN50170的描述为“通用现场通信系统”。故可将以现场总线和现场智能装置为基础的、全数字控制的系统统称为FCS。而衡量一个控制系统是否为真正的现场总线控制系统FCS有三个关键要点，即：核心、基础和本质。FCS的核心是总线协议，只有遵循现场总线协议的控制系统，才能称为现场总线控制系统;FCS的基础是数字智能现场仪表，它是FCS的硬件支撑;FCS的本质是信息处理现场化，这是FCS的系统效能体现。
　　目前主要有以下8种现场总线作为IEC61158现场总线的标准，即：FF H1、Control Net、PROFIBUS、INTERBUS、P-Net、World FIP、Swift Net和FF之高速Ethernet即HSE。以上8种国际标准总线中，P-Net和SwiftNet是用于有限领域的专用现场总线，考虑到所适用应用对象的指定要求，这两种类型总线的功能相对比较简单;contro1Net 、Profibus 、World FIP 和Interbus现场总线是由PLC为基础的控制系统发展而来的现场总线，从本质上讲它们以远程I/O总线技术为基础，通常不具备通过总线向现场装置供电和本质安全性能。如果进一步划分，Control Net只是监控级总线，Profibus和WorldFIP则包括两个层次的总线;FF H1总线和HSE总线是由传统DCS控制系统发展而来现场总线，充分考虑向现场仪表两线制供电和本质安全要求，功能较为复杂。
　　目前用于火电厂过程控制的现场总线，在技术和市场占有率均较**的有基金会(Foundation Fieldbus-FF)现场总线和PROFIBUS(Process Fieldbus)现场总线两种。
　　下面对FF和PROFIBUS现场总线控制系统分别进行简要介绍：
　　2.1 FF现场总线系统
　　FF由低速H1总线和高速以太网H2(现在发展为HSE-High Speed Ethernet)总线组成。其传输介质是双绞线。H1总线主要用于生产现场，速率为31.25Kbps，两线制信号传输并同时向现场设备供电，具备本质安全特征(防爆场合)。H2总线主要面向过程控制级、远程I/O和高速工厂自动化的应用，采用100Mbps高速以太网协议(HSE)。
　　2.2 PROFIBUS现场总线系统
　　PROFIBUS现场总线系统由传输技术 (RS485、RS485-IS、光纤、MBP、MBP-IS、MBP-LP等)、通讯技术协议(PROFIBUS-DP)、通用行规(PROFIsafe、PROFIdrive等)、专用行规(如PA devices)组成。通讯技术协议PROFIBUS DP的发展从DPV0(循环数据交换)到DPV1(循环和非循环数据交换、报警与状态信息处理)，直至DPV2(运动控制、交叉通讯、时间同步等)。正因为PROFIBUS 拥有统一的通信协议(PROFIBUS DP), 并在此基础上发展了不同的通用应用行规和专用应用行规，使得PROFIBUS可以广泛地应用工业自动化的各个领域。以下对有关的部分作简要介绍：
　　1) PROFIBUS-DP：是一种高速低成本的用于设备级控制系统与分散式I/O的通讯技术。协议结构是以开放式系统互联标准(OSI — Open System Interconnection )为参考模型，定义了**、二层(物理层、数据链路层)和第七层(应用层);传输技术采用RS-485双绞线电缆和光缆，波特率从9.6kbps到12Mbps;支持单主或多主系统令牌传输方式，总线上**站点数为126个。
　　2) DP V1专为过程自动化设计，通过DP/PA link可实现仪器仪表、执行器到控制器的数字通讯连接。在协议上定义了**、二、七层(物理层、数据链路层、应用层)。其中的应用层包含了现场总线的信息规范和通讯接口规范;数据传输技术采用MBP、MBP-IS等，通讯介质采用双绞线，传输率为31.25kbps，可实现总线供电，本质安全规范，采用FISCO模型，每段**多32个站点。
　　3) PROFIsafe：PROFIBUS技术的**进展之一，在PROFIBUS总线技术的基础上，实现了安全通讯指标SIL3以上。
　　4) PROFINET实现了现场总线与以太网的**结合，不仅实现了对用户先前投资的保护，而且还通过PROXY和OPC DADX同其它的总线相连以及对IT技术的集成，并可实现分布式自动化和纵、横向立体集成;此外，通过国际Internet网和Web网，也可对现场设备进行访问和控制，其实时通讯的循环时间(确定性)可在1ms以下，抖动1us以下。
　　5) PROFIBUS 的标准产品超过2100多种，分别来自**250多个生产厂商。PROFIBUS在全球各行各业所占市场份额超过了20%，应用实例约100万个，据PROFIBUS国际组织宣布，基于PROFIBUS接口的设备节点应用在2003年底突破了1000万个。
　　三、现场总线技术在国内电厂的应用
　　目前火电机组向高参数、大容量方向发展，一方面渴望采用新技术、新系统;另一方面由于机组本身的热力特性和电力生产的特点所决定，对安全性和可靠性有特殊要求，因而对新技术、新系统的应用十分谨慎，甚至持保守态度。FCS是新技术、新装备，目前还处在发展和完善过程中，为研究和应用FCS，一些科研院所积极进行试验和开发。国电热工研究院于1998年购进一套FF现场总线系统(Delta V系统)，包括2台监控计算机、5个H1I/O卡、10路H1总线、100多台高精度智能变送器(压力和温度)。该套系统已在多个电厂的性能考核和运行调整中发挥作用，并积累了FCS的配置和安装经验。
　　近几年现场总线技术和设备正逐步应用到国内一些电厂的外围辅助系统中。例如山东莱城电厂、江阴夏港电厂、华能玉环电厂、吉林九台电厂、华能金陵电厂、国华宁海电厂等。下面就华能的几个电厂做简单介绍：
　　3.1 现场总线技术在华能玉环电厂的应用6ES7223-1BH22-0xA8西门子S7-200模块
　　华能玉环电厂在锅炉补给水控制系统、电厂化学净水及废水控制系统中采用了现场总线仪表设备，作为FCS在电厂中的应用尝试，该控制系统包括了人机界面、控制站(西门子PCS7 417H)、Profibus-DP和PA通讯网络、现场总线仪表和设备。DP支路连接仪表、电机控制保护单元(采用西门子SIMOCODE直接安装在MCC柜内)、I/O单元、变频器等。压力及差压变送器(ABB产品)、磁翻板液位(国产产品，通过加装PA通讯模块完成)、PH值、硅酸根、磷酸根测量仪等仪表采用PROFIBUS PA总线，因此所有的现场仪表和执行器都将通过DP/PA耦合器连接到总线网络上。气动阀门定位器也采用PA总线，实现了气动阀控制，每个电磁阀箱配一套阀岛，模块驱动电磁阀，模块采集阀位反馈，通过DP与PLC通讯。总点数为502点，其中486点以现场总线方式接入(有个别分析仪表不能提供Profibus标准接口)。
　　3.2 华能南京金陵电厂
　　华能南京金陵电厂2×1000MW燃煤机组，主辅机采用现场总线系统，主机部分各类现场总线仪表及监控设备约960台左右，目前总线覆盖率40%左右。主要保护和DEH、SOE，重要调节回路、6KV电机采用常规方式。总线标准选用PROFIBUS，水、煤、灰辅控全部采用现场总线技术。
　　3.3 华能吉林九台电厂
　　华能吉林九台电厂2×600MW燃煤机组，主辅机采用现场总线系统，主机部分各类现场总线仪表及监控设备约380台左右，目前总线覆盖率30%左右。主要保护和DEH、SOE，重要调节回路、6KV电机采用常规方式。总线标准选用PROFIBUS，水、煤、灰辅控全部采用现场总线技术。
　　四、现场总线控制系统选型配置分析及应用规划
　　4.1 现场总线的选型配置方案
　　从现场总线技术的应用经验来看，PROFIBUS总线技术在国内外电厂中有较多成功的应用，如德国的Niederaussem电厂、陕西杨凌热电厂、山东龙口电厂、河北三河电厂、广安电厂、山东莱城电厂、江苏夏港电厂、宁海电厂、华能巢湖电厂、华能金陵电厂、华能九台电厂等。
　　众所周知，目前国外几大**DCS系统基本上都能接受PROFIBUS和FF现场总线标准。如SIEMENS公司的T—3000系统能接受PROFIBUS现场总线标准，FOXBORO公司的I/A系统能接受PROFIBUS和FF现场总线标准，艾默生公司的OVATION系统能接受PROFIBUS和FF现场总线标准，ABB公司ABB symphony系统能接受PROFIBUS和FF现场总线标准。