（1 京能十堰热电厂 十堰 442000；2 皖江发电有限公司 安庆 246000；3 中南电力设计院 武汉 430071）
摘要： 随着信息化进程推进，“智能制造”相关政策的强化、深化和推进，电力行业也加快了变革的脚步，相继推出了智慧电厂等概念，推动了现场总线在电力行业的使用需求。集合Profibus技术规范，分析京能十堰2X350MW机组上使用的NT6000系统Profibus网络架构和特点，制定现场安装实施的规范。
关键词：
NT6000 ， PROFIBUS-DP ，PROFIBUS-PA
0引言
随着信息科技的快速发展，德国率先提出了“工业4.0”技术战略来提升制造业的智能化水平。工业4.0是信息系统将生产、制造、销售等信息数据化，智慧化，最后达到最快速、有效的产品供应。而工业4.0的主题就包含智能工厂和智能生产。这势必也带动火力发电技术的革新,仅随其后电力行业提出了“智慧电厂”专业性概念，这就要求系统高度信息化、设备高度智能化。此背景下将会使现场总线技术在电力行业进一步得到推广。
全球电力行业的现场总线技术的先行者为德国Niederaussem（尼德豪森）1012MW超超临界机组，采用Siemens Profibus总线，设备状态和信息全部通过总线传输到 DCS 系统中，是目前全球范围智能化程度最高，采用总线技术最全面，装机容量最大的机组。进入21世纪后，华电莱城电厂（2 ×300MW)、京能涿州热电（2×350MW）、大唐虎山电厂（2×600MW）、华能金陵电厂（2×1030MW）等上百家电厂，在不同系统范围了使用了现场总线技术。
京能十堰电厂采购国内先进的NT6000-FCS系统，具有独特、完整的Profibus现场总线解决方案，具有AMS（智能设备管理系统）对现场智能设备进行配置、编辑和诊断等功能。
1现场总线在电力行业的设计原则
现场总线技术已经越加成熟，在各行9各业都得到大力推广。但并不是所有系统均适合现场总线的模式，在电力系统中就有很多子系统就将现场总线技术排除在外。也有部分系统使用了硬接线+现场总线相结合的模式。不使用现场总线技术的范围如下：
1、重要的辅机设备，如：送风机、引风机、一次风机、磨煤机等
2、特别重要的辅机设备，如：交流润滑油泵、直流油泵、燃油关断阀等。
3、要求时间分辨率小于1ms的事件顺序记录（SOE）
4、锅炉保护系统（MFT）中的各重要信号（如：炉膛负压、分离器水位等）
5、汽机紧急跳闸系统（ETS）中各重要信号（如：汽机转速、凝汽器真空等）
6、汽机数字电液调节系统（DEH/MEH）
7、参与重要回路调节的执行机构
8、其他快速控制的系统（如电气的开关、电源、发变组等）
2NT6000系统Profibus分析
不同的现场总线重要区别是不一样的“总线协议”，协议的本质是“标准”。而总线协议技术是一套由软、硬件等组成的一套系统。科远NT6000主要提供了2种兼容版本的Profibus系统：Profibus-DP和Profibus-PA。
2.1 Profibus-PA网络架构
1.1.1 NT6000系统PA网络架构的实现
Profibus-PA采用复合IEC1158-2的数据传输技术，这种技术可以直接给总线上从站设备进行供电，同时以自由传输曼彻斯特编码的TINE协议数据传输。具有独特内在时钟信息，因而使整个网络上的每一个系统保持同步，如图1。在OSI模型中，PA协议第一层物理层为IEC1158-2，第二层链路层为IEC接口，无第3-7层描述，在此基础上增加了直接数据链接变换程序（DDLM）和PA设备的PNO行规。
1、尽可能使用现场通讯箱，用光线代替PA电缆传输，降低了干扰风险和减少了电缆铺设。
2、PA主站下的数量也限制在16台以下。现场实施的均未超过12台。便于扩展，限制网络负荷，风险分散。
3、不建议使用中继器，如需扩展则增加PA网段来实现。
4、干线的长度不超过1200米，直线长度尽量不超过30米，最长不超过60米。
2.2Profibus-DP网络架构
1.2.1 NT6000系统DP网络架构的实现
Profibus-DP使用RS485传输技术，是建立在半双工、异步的出基础上的点对点通讯，所有信息的传输按HD=4（10101和00010从第一位开始依次有第一位、第三、第四、第五位不同，则海明距离为4）进行。DP协议在OSI模型中，第一层物理层为RS485,第二层数据链接层为现场总线数据链（FDL），无第3-7层描述，在此基础上增加了直接数据链接变换程序（DDLM）和DP设备的PNO行规。
Profibus-DP分为冗余和非冗余方式，冗余方式又分为系统冗余（SR）和飞冗余（FR）。主流的DCS系统通过Y-LINK实现冗余和非冗余网络的转换。NT6000系统支持SR冗余方式和FR冗余，图7，提供2类DP模件，实现3种方案：
3、单卡工作： KM632A双通道实现非冗余通道。
1块KM632A带有两路Profibus DP接口，可以配置成独立的接口模式，适用于具有单DP的分析仪表、阀岛等设备。
NT6000系统为1类主站，支持DP-V0/V1协议，采用了固定的Profibus-DP循环的结构，这样就保留了一段时间用于非循环数据的通讯。这只允许一定数量的非循环报文文件，如果此保留的时间未用完，则通过多次给自己发报文的办法，直到达到固定总线循环时间为止。这样防止了非周期数据对通讯造成的干扰，保证周期数据的绝对安全。也确保所保留的固定总线循环时间精确到微秒。
数据的传输结构，如图8。屏蔽双绞线内2根Profibus数据线也称为A线（绿）和B线（红），A线对应于RXD/TXD-N信号，B线则对应于RXD/TXD-P信号，段的两端各有一个终端电阻。当总线系统运行的传输速率大于1.5Mbps时，由于所连接站的电容性负载而引起导线反射，因此NT6000使用附加有轴向电感的总线连接接头。
1.2.2 Profibus-DP总线现场的使用
京能十堰热电Profibus-DP同样涉及锅炉、汽机、化水、脱硫、废水零排等大部分系统，DP从站设备占全厂总线的52%，其中大部分为冗余（SR）DP。使用的介质为光缆和RS485 A类屏蔽双绞线。现场共计160多段DP冗余网段，40多段单DP网段。在设计初期对DP也进行了部分限制：
图9 NT6000系统DP网络
1、必须使用可靠的有源终端电阻。
2、一条DP总线设备从站数量不得超过16台。
3、传输速率定义在500kbps，现场有个别网段设置速率较低来实现更远距离的传输。
4、每个总线段的短截线允许的最大长度为6.6M,在实施过程中尽量避免短截线，否则会引起线反射从而干扰报文通讯。
5、只能通过增加网段或增加通讯柜方式来扩展，禁止增加超过16台设备数量限制或增加中继器等设备。
此处结合项目设计，增加对于PA功率及DP循环时间的计算，选取负荷较重的网络节点或者网段。
1.2.3 Profibus-DP总线实际令牌循环时间（TRR）的计算
根据Profibus协议[1]，Profibus主站和从站建立通讯后，周期读取从站数据并将输出发送给从站。循环时间直接关系到系统的性能，根据协议可知，循环时间与站点数量呈近似线性的关系。DCS系统扫描周期有的采用200ms，某些场合采用100ms，DPU控制器和Profibus-DP通讯模块之间采用异步通讯方式，Profibus-DP的主站和从站的通讯周期需要小于DCS系统的扫描周期。
下面我们以T3通讯柜下面1301/2槽位的KM632C卡件为例计算其实际令牌循环时间。该条总线现场配置的波特率为500kbps，一共带了13个从站，多数为阀门执行机构，平均每个从站10个字节输入10字节输出，颇具代表性。现场选用的从站模块的最小轮询时间（TMSI）均小于1ms，根据文献[2]TMSI在高波特率并且从站较少的情况下才会对TRR构成影响，因此该条总线无须考虑TMSI的影响。为了防止多主站令牌轮转带来的时间扰动，NT6000系统在运行的时候单主站工作，因此无需考虑令牌轮转的问题。Profibus-DP总线时间的计算均以位时间（Tbit）为单位，Profibus-DP每个字节11个位。为了简化计算，下列分析过程中传输延时时间TTD在1us左右忽略不计，空闲时间TID固定为33Tbit；以下计算中时间单位默认为位时间。
根据文献{1][2]，无周期诊断情况下实际令牌循环时间
TRR=TPOLL+TGAP+TACY+TTK (1)
其中TPOLL为从站轮询时间，TGAP为GAP更新时间， TACY为非周期通讯时间，TTK为令牌传递时间。
无非周期通讯的情况下（1）可简化为 TRR=TPOLL+TGAP+TTK （2）
TGAP 和TTK采用文献[2]中经验值215和66。TPOLL时间由十三个从站的报文轮询时间（TMC）组成，由于从站的IO数据变化不大都在10个字节左右，假定TMC都相同。轮询时间公式可以简化如下:
TPOLL =13×TMC （3）
忽略TTD后TMC公式如下
TMC = TS/R + TSDR + TA/R + TID (4)
其中TS/R 和TA/R分别为发送和请求帧的传输时间 ,在本文中是SD2类型报文的传输时间，由协议可知SD2帧数据交互报文中控制字节为9，因此请求帧平均长度为19字节 ,因此TS/R = TSDR =19×11=209
TSDR 一般设置为11 ，代入公式(4)可以计算得到TMC=462 ,代入公式(3) TPOLL=6006。
TACY时间计算方法和TMC相同但是输入输出字节由上层协议指定，这里采用最大原始报文长度255进行计算
TACY=255×11×2+TSDR + TID = 5654
计算可得到无非周期通讯情况下TRR时间为6287Tbit,有非周期数据情况下TRR时间不超过11941Tbit即 23.88ms，完全满足系统设计要求并留有充分的余量。如果因为某些意外情况（需要扩展远距离从站等），现场波特率需要降低到187.5Kbps,TRR仍然可以控制在63.68ms。
1.2.4 Profibus-PA总线功率的计算
由于PA速度较慢，其时间特性往往不是关注的焦点。其令牌循环时间可以等效成45.45Kbps波特率的DP报文进行分析，这里不再赘述。
下面以F1通讯柜下1401槽位模块分析其负载功率情况。
该总线带了12台从站，分别为10台压力变送器、2台流量计。
经过分析这些从站的总功率为3w.，远远小于PA模块最大功率6.5W，符合设计要求。
3现场实施保障
确保NT6000系统所有Profibus总线相关设备的安装都符合国际Profibus标准和NT6000系统总线设备的规范，从而实现Profibus从站与主站之间高效、可靠、安全的通讯。避免profibus通讯故障导致设备停机的时间。
所有Profibus网络安装应当做到：Profibus网段的划分必须得到SCIYON总线工程师、第三方咨询方（如果有）和业主方总线工程师单方认证；必须遵循《DLT 1556-2016火力发电厂PROFIBUS现场总线技术规程》行业标准；施工前，参建单位必须得到总线安装的专业培训；施工期间，不符合标准的总线施工不能被接受，必须及时更改。
十堰电厂在安装实施前出台了一系列安装指导原则：
1.屏蔽多层接地
PROFIBUS电缆在插头内部接线时，必须将屏蔽层剥开，压在插头内屏蔽金属片部分，金属片可以通过插头连接到系统的屏蔽地上。为了保护DCS设备和DP通讯接口，因此对于所有从站都要求接地处理，即“多点接地”。
2.布线规则
1) 电缆长度要求
DP电缆：
此时如果有磁力线从环中穿过，根据“右手定律”，容易产生干扰电流。尽量剪断接线。
8)设备之间应至少使用1m的profibus电缆
这是为了最小化设备连接的对电缆的电容效应。这就需要在机柜周围做环绕电缆，而不是在设备之间直接连接。
4结束语
Profibus现场总线技术在火力发电厂已经得到很大的推广和应用，在信息化的今天将使现场总线技术应用最大化。同时也要不断的完善火电行业的设计和施工标准，提高维护人员的总线技术水平。使现场总线技术对火电行业的发展更有深远的意义。
参考文献：
[1] PROFIBUS Specifications - EN50170 - 0.032_v10 PI组织
[2] profibus DP 网络的时态特性分析 ，胡立坤，王庆超 哈尔滨工业大学航天学院
论文作者:陈景勇1,李美环2,靳玉芳3
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/31
标签：总线论文; 时间论文; 系统论文; 现场论文; 冗余论文; 设备论文; 通讯论文; 《电力设备》2018年第2期论文;