引言

    上世纪九十年代至今，现场总线技术在诞生以及逐步推广的过程中，业界人士对其褒贬不一。对于现场总线技术在发电厂中的应用，评论主要围绕现场总线控制系统 （FCS）能否完全取代分散控制系统（DCS）进行，这是从过程控制级来考虑现场总线技术的应用。由于缺乏应用实例，无法从工程实际角度来论证FCS取代 DCS的安全性、稳定性和经济性。本文将从现场设备级（现场总线电动执行器）角度来阐述现场总线技术（Profibus-DP）在发电厂应用中的可行性，从而实现现场总线技术的安全性、稳定性和经济性应用优势。

    一、Profibus-DP总线技术

    现场总线技术是指现场设备与自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的自控技术，它将具有数字计算和数字通信能力的专用微处理器置入传统的测量控制仪表，采用简单的双绞线把它们连接成网络，并按公开、规范的通信协议，实现信息交换和数据传输，形成适应各种实际需要的自动控制系统。

    1.1 Profibus-DP总线技术的概况

    目前上存在多种总线标准，包括IEC61158-2、Foundation Fieldbus、Profibus、Lonworks、HART、CAN等。Profibus作为一种性的开放式现场总线，根据应用特点，主要包括三个兼容版本：高速通信的Profibus-DP；本安型Profibus-PA；用于系统级和车间级的Profibus-FMS，。Profibus既适合于自动化系统与现场信号单元的通讯，也可用于连接带有智能卡件的变送器和执行器等其它现场设备。

    Profibus-DP是底层控制网络，采用轮循的通讯方式，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计，可取代价格昂贵的24V或4～20mA并行信号线，广泛应用于分布式控制系统的高速数据传输，传输速率可达12M。

    Profibus-DP按照设备的功能特点将设备分为三种类型：类DP主站类型1（DPM1），中央可编程控制器，如PLC，PC等；第二类DP主站类型2（DPM2），指可编程、可组态、可诊断的设备；DP从站，即一个现场智能I/O设备。根据用户的功能需求，Profibus-DP允许构成单主或多主系统，系统配置组态具有高度的灵活性。

    1.2 Profibus-DP应用概况

    Profibus-DP作为一种比较成熟的总线技术以及对设备级分散I/O控制的独特优势，使它在国内外电力行业过程控制中的应用日趋广泛。西门子作为全球自动化领域的供应商，在电站自动化设备方面一直致力于支持Profibus现场总线协议的技术和设备的开发。同时，由于电站辅助车间对象特征单一、相互独立性强且多为顺控、联锁和单参数调节，可采用一般PLC监控或DCS监控，所以Profibus-DP的应用成为必然趋势，这部分系统包括水处理、除灰除渣、输煤、冷却水系统等。

    德国Niederaussem电厂就广泛地在汽水循环、烟气系统和机组协调等对安全性没有特殊要求的现场控制中采用了Profibus-DP现场总线技术和设备，并把它们纳入DCS控制。总线设备主要为SIPOS电动执行器、SIMO CODE（马达接触器的智能接口）和DP/ASI（电磁阀智能接口）。总线设备的有关逻辑组态和控制功能在DCS中完成，同时还在模拟量信号的传输中应用了HART总线。

    在国内电站的辅助系统中，Profibus-DP也得到了广泛应用，四川广安电厂的水处理系统、连云港新海发电厂200MW机组的DCS改造均采用了Profibus-DP现场总线技术，并且取得了良好的效果。

    二、现场总线电动执行器

    现场总线电动执行器在原有电动执行器功能的基础上，不仅实现了双向通信、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能，从而实现了作为现场总线控制系统一个节点的要求。

    目前，国内外电动执行器厂家相继推出了带现场总线通信协议的电动执行器，它们的总线类型主要有FF、Profibus。

    2.1 应用优势

    现场总线电动执行器与普通电动执行器相比，具有较大的优势。带通信协议的总线电动执行器需要使用的辅助设备少，无需任何隔离、转换和输入输出模块，同时减少大量信号电缆、电缆配件及相应的安装和检修工作。现场总线电动执行器具有双向通讯功能，操作人员可只在控制室中对现场进行标定、参数设置、功能组态及在线监测、故障分析，操作维护。由于现场总线电动执行器带有微处理器，可实现远程编程、操作及设备的在线检测和诊断，同时对于运行人员无法判断的故障，设备厂家还可通过通讯接口进行远程诊断。

    在电站自动化领域中，由于现场总线技术的应用还有待进一步深入和扩大，其稳定性还有待于时间的检验，所以对于采用现场总线电动执行器，应充分考虑电厂自动化系统的特征和现场总线电动执行器的优势，以达到应有的效果。

    1）在电动执行器应用较多的电厂辅助系统，比如水系统中的工业水、生活水、消防水、废水和单元机组中的开、闭式水系统，物理位置相对分散，且多为顺序控制、联锁或单参数调节，可考虑采用现场总线电动执行器。

    2）现场总线电动执行器的通信协议必须与控制系统的通信协议相匹配，这是实现局部现场总线控制系统的基本条件。可根据主控制系统的类型来确定电动执行器的通信类型，如果控制器完成较为简单的控制功能，则可根据性价比同时选择控制器和电动执行器的通信类型。

    3）现场总线电动执行器物理地址的设定必须与控制器中的地址相对应，以防止产生作为被控对象的不同电动执行器的误动和拒动，造成安全生产的严重事故。

    2.2 AUMA现场总线电动执行器

    AUMA MATIC电动执行器为原装进口一体化现场总线产品，其开关型电动执行器可以接受开、关、停数字量控制信号并能满足DCS程序控制的要求，本体配置手轮和手／自动切换机构，通过现场控制面板可以进行Remote（远方）、Off（停机）、Local（现场）的转换，并且有“开、关、停”操作按扭和全开、全关位置到位指示灯及故障指示灯。电动执行器在失去电源或信号时，运行到全开、运行到全关、停在原位等三种保护功能，这些功能由用户在现场设定。

    执行器的控制单元配有双通道Profibus-DP冗余总线接口，可接受来自控制室的数字量信号。执行器的控制和反馈信号可直接接收和送至DCS系统，中间不需要增加任何转换和隔离设备。执行器配置一体式电源控制板，用户只需提供动力电源，内部控制电源由执行器一体提供。

    作为Profibus-DP总线系统的从站，其从站地址可通过执行器本体上的液晶显示器和按钮进行设定和确认。

    三、AUMA现场总线电动执行器在宁海电厂一期工程中的应用

    在浙江国华宁海电厂一期工程中，AUMA现场总线电动执行器主要用于闭式循环水系统。在该系统中，闭式循环冷却器、汽机润滑油冷却器进口、出口、旁路电动门等34个执行器采用了AUMA现场总线电动执行器。

    3.1 应用的网络架构

    根据电动执行器的位置分布和功能实现，应用中把这34个电动执行器分成了两组，每组17个执行器，分别挂在不同的Profibus-DP总线上，总线网络架构如图（一）所示。

    图（一）为一组现场总线电动执行器的硬件配置结构，另一组的网络及硬件配置与此完全相同。17个执行器由Profibus-DP总线串联接至光电转换器 OLM1，通过光纤传输，将总线上的信号传送到电子间机柜中的OLM2，再经Profibus-DP将信号传到通信、存储模块IM 308C，*后通过RS485总线到达控制处理器PA。PA作为底层处理器全部挂在工厂总线网，工程师站可通过工厂总线网对所有总线执行器进行组态。连接在终端总线网的操作员站可通过工厂总线网、PA对执行器进行开、关、停等操作。

    OLM1布置于现场控制箱中，OLM2、IM308C及PA都布置于电子间DCS机柜中，具体布置如图（二）电子间机柜内部配置图。由于AUMA现场总线电动执行器的控制单元均配有双通道Profibus-DP冗余总线接口，故主站PA及所有总线网络硬件配置都是冗余的，进一步提高了系统运行的安全性。

    3.2 控制操作的软件

    作为现场总线电动执行器，其运行模式与普通执行器相比有一定的特殊性。用户首先对安装完毕的设备进行物理地址和阀门相关参数的设定，可通过执行器本体上的液晶显示器和按钮盘实现。

    在硬件结构建立后，用户需在工程师站完成通信程序和系统组态软件，写入IM 308C的存储单元FLASHROM（快速可擦写可编程只读存储器）中，包括对各个执行器物理地址与执行器本体的匹配设定和开、关、停控制及故障监控的实现。组态程序可看作工程师站的一个模块，对执行器控制参数的设定及修改等操作均可通过该模块完成。

    在组态完成、地址设定匹配后，启动IM 308C，运行位于FLASHROM中的用户程序，建立网络结构，通过对AUMA电动执行器上物理地址的确认建立各个网络的连接，同时根据执行器厂家提供的设备描述文件读取相应设备信息，实现各个设备的识别、从而实现执行器接收集控室的运行指令和反馈阀门状态。执行器的闭环运算以及与其它设备间的联锁等开环运算，在主站AP中以10ms为周期进行，以数字量形式直接传至AUMA执行器的PROFIBUS-DP接口，完成对电动执行器的控制。宁海电厂分散控制系统采用西门子Teleperm-XP，图（三）所示为该系统的操作员站闭式循环水系统AUMA MATIC 执行器的操作画面，任何开、关、停操作*后都必须以点击绿色界面左下角“EXECUTE”键来完成操作内容。

    3.3 应用效果

    一种新型设备的应用，其优势*终在运行时得以检验。浙江国华宁海电厂2号、3号机组顺利通过168小时无故障运行投产，所有AUMA现场总线执行器运行正常。通过现场总线与DCS的通信，AUMA电动执行器的开、关、故障等信息得以反馈，集控室操作员可根据实际运行要求对执行器进行远程手操。当AUMA电动执行器故障时，可在工程师站将该节点从总线网络中删除以进行检修，而不会影响总线上其他节点设备的运行与监控，与DCS控制模块故障相比，大大提高了系统运行的安全性。

    与常规电动执行器比较，现场总线执行器在设计、安装、调试的各个应用环节上体现着自己的优势。在设计过程中，各电动执行器信号无需以硬接线形式单独接入 DCS卡件通道和开列常规电缆并计算长度，而只需以整个网络为单位对总线的总长度进行估算，节省了大量电缆，施工时，无需考虑电缆的芯芯对接，而只需完成总线输入和输出的插拔式连接，减少了大量工作，并为维护和检修提供便利，给总线执行器设定与工程师站匹配的物理地址且通信状态良好，就表示调试完毕，大大减少了可能出现的调试问题和故障点。

    四、结语

    基于现场总线的电动执行器在宁海电厂机组闭式水系统局部的应用，其效果达到了预期值，但作为一种纯数字自控技术，纯粹由现场总线电动执行器组成总线网络，现场智能设备形式较为单一且网络系统涉及范围狭窄。由于现场总线本身可以组成从底层到高层的通信和控制网络，只是由现场总线构成的纯数字控制系统在火电厂的应用还需要不断试验和工程实践，这需要从业人员的不断努力，在电厂工程中逐步扩大应用范围和深度，充分发挥现场总线技术作为组合控制系统的集中优势。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司