现场总线在发电厂化学在线监控系统中的应用

1、现场总线在发电厂化学在线监控系统中的应用摘要：本文简述了现场总线的技术特点、与局域网的区别,PROFIBUS-DP在发电厂在线监控系统中进行应用, 从而降低成本，提高控制系统开放性。关键词： 现场总线；PROFIBUSDP；局域网；诊断系统中图分类号：TP229 文献标识码：AFieldbus in the chemical plant on-line monitoring system of the power plant Tao Ruo Bing1, Li Bingyi1(1Xian Railway Vocational Technical Institute, Shanxi Xian 7

2、10014,ChinaAbstract: This paper describes the technical characteristics of the fieldbus, and the distinction between LAN, PROFIBUS-DP in the power plant on-line monitoring system applied to reduce costs and improve control system open.Keywords: Fieldbus；PROFIBUSDP ; LAN; Diagnostic System1 引言1984年，美

3、国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会决定由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；随着现代通信技术的快速发展，为了满足工业自动化的需求，从原有的以太网技术(TCP/IP不断发展而产生工业实时以太网，实现了生产设备各个部分之间在纵向和横向上进行快速、安全和实时的信息交换。1986年，德国开始制定过程现场总线（Process Fieldbus）标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其公司开发的序幕。自1989年PROFIBUS通信协议正式推出，到2007年4月全世界制

4、造业与过程工业自动化中PROFIBUS的安装节点总数已达到2000万点，其中用于过程领域的PROFIBUS节点也已达到500万点。PROFIBUS已远远领先于其它现场总线技术，成为全球最为成功的现场总线技术 。1.1 现场总线技术的特点 （）数字化通信取代420mA模拟信号传统技术，现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点）所谓I/O接线方式，信号传递420mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。应用现场总线技术可用一条通信电缆将控制器与现场设备（智能化、带有通信接口）连接，使用数字化通信完成底层设备通信及控制要求。 （）现场设备智能化应用现场总线

5、技术，要求现场设备（传感器、驱动器、执行机构等设备）是带有串行通信接口的智能化（可编程或可参数化）设备。因此，现场总线技术以计算机大规模集成电路的发展为基础。 （）集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体，现场总线采用计算机数字化通信技术连接智能化现场设备，因此，控制器可从现场设备获取大量丰富信息，实现设备状态、故障、参数信息传送，可完成设备远程控制、参数化及故障诊断工作。 （）现场总线是计算机网络通信向现场级的延伸。传统的现场层设备与控制器之间的通信采用一对一连线的方式，传输420mA24VDC信号。这种通信技术信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，严重制约了企业信息集

6、成及企业综合自动化的实现。现场总线技术采用计算机数字化通信技术，将自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，使企业信息沟通覆盖范围一直延伸到生产现场。 （）现场总线技术是实现工厂底层信息集成的关键技术。要成功的实施CIMS，各层次的信息集成及支撑技术计算机网络问题就必须得到解决。现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 1.2现场总线与局域网的区别 （）按功能比较：现场总线连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实时性高。简而言之，现场总线是一种实时控制

7、网络。局域网用于连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但不要求实时性。从这个意义而言，局域网是一种高速信息网络。 （）按实现方式比较：现场总线可采用各种通讯介质，如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等，实现成本低。局域网需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。 1.3 项目简介发电厂化学在线监控及诊断系统，是对火力发电厂锅炉给水、锅炉炉水、蒸汽和凝结水的各项水汽质量参数进行在线实时自动监测；在连续在线仪表监测的基础上，将监测的数据传输到计算机系统，利用微机控制自动采集信号，并由现场经验丰富的专家提供诊断程序，对水汽质量状况作严密监视与

8、诊断。通过预先编制好的软件程序，建立水汽品质专家诊断系统；对监测数据进行实时分析，并根据分析结果对锅炉水汽质量予以控制。提示运行人员如何处理异常现象，对给水、炉水加药进行自动控制，把运行人员的判断能力和应变水平提高到诊断程序编制的水平，对故障的早期排除、维护热力设备安全经济运行是有积极意义的1。由于WinCC具有可以通过MPI、TCPIP等连接的功能，根据本项目的特点-变频器较多，距离较远等，所以PLC系统与变频器的控制采用ProfiBus-DP的总线方式，通过MPI可以访问PLC的程序并与上位机WinCC相连接。这种配置的扩展性强，开放性好，便于将来整个化学水监控系统的实现。实现设备控制、数

9、据采集、数据分析、故障诊断等一系列功能，再结合WinCC的强大功能，可以实现数据共享并与上层工厂级连接的要求2。2 硬件设计2.1硬件配置：根据项目特点，统计出信号数量，并根据信号数量进行PLC硬件配置和选型；由于该项目的特殊性，各设备子站的PLC统计点数大致相同，故只需要统计出一个设备子站即可。2.1.1 数字输入DI信号DI信号：数量6主要由PLC控制的设备：1磷酸盐计量泵运行、手/自动信号；2磷酸盐计量泵运行、手/自动信号；3磷酸盐计量泵运行、手/自动信号；2.1.2 数字输出DO信号DO信号：数量31磷酸盐计量泵启停控制信号；2磷酸盐计量泵启停控制信号；3磷酸盐计量泵启停控制信号；2.

10、1.3模拟量输入AI信号AI信号：数量7仪表类：数量71磷酸盐计量箱液位；2磷酸盐计量箱液位；3磷酸盐计量箱液位；机组1炉水PH值机组2炉水PH值机组1磷酸根值机组2磷酸根值2.1.4 模拟量输出AO信号AO信号：数量02.2 模块选型根据上面分析，统计设备子站的实际点数为：DI6+DO3+AI7+AO0，总的点数为：DI24+DO12+AI28+AO0可作选型如下：型 号数 量余量备 注6ES7 307-1EA00-0AA01电源6ES7 315-2AF02-0AB01CPU6ES7 321-1BL00-0AA018DI32模块6ES7 322-1BH00-0AA014DO16模块6ES7

11、322-1BH00-0AA044AI8模块另需配置其它相应的PROFIBUS通讯线、通讯头等相关组件。2.3现场总线配置由于4个泵站的变频器相距较远，同时各泵站的数据均要在同一台上位机上监控，本项目将根据性价比最优原则，决定选PROFIBUS-DP总线形式的网络控制来实现4个泵站12台变频器与 CPU进行通信。通过MPI方式的CP5611通讯卡与安装在监控计算机上的WinCC进行数据交换与画面操作控制。控制系统通过PROFIBUS将PLC与变频器实行通信的网络拓扑结构如图1所示，其中12台变频器的Profibus 地址为从11到22。 图1 PROFIBUS-DP和变频器通信的网络组态选用的变

12、频器是西门子的Micromaster 420系列，配置选0 PKW，4 PZD whole cons通讯模式，变频器(1号变频器地址为11的配置I地址为844851；Q地址为568575其余11台变频器类似，如图2所示。图2 变频器配置网络图3 软件设计本控制系统选用西门子系统的WinCC组态软件、Step7编程软件以及西门子PLC模块的方案。系统通过PROFIBUS-DP总线控制变频器，而CPU与上位机WinCC是通过CP5611通讯卡以MPI的方式通讯的。这种方案的扩展性强，开放性好，便于将来整个化学水监控系统的实现。软件设计分为PLC程序设计和上位机WinCC组态软件设计。加药系统，我们

13、采用了PLC仿人智能控制的一种程序设计方法（一维模糊算法）进行设计。PLC程序设计是由Siemens提供的针对S7-300或400系列的PLC而应用的STEP7 V5.2软件来编写程序。下面以1号变频器进行通信控制的编程为例对软件设计做简单介绍：（假定变频器参数如Profibus地址、电机功率等已经按要求设定完毕。）/调用通信程序库函数块SFC14和SFC15/硬件配置的地址为：如图2/输入：PIW844 = W#16#34C /输出：PQW568=W#16#238 /CALL SFC 14 /读数据函数块/LADDR: =W#16#34C /输入地址/ RET_VAL:=MW60 /块调用的

14、返回值/RECORD: =P#M 110.0 BYTE 8 /指针地址/CALL SFC 15 /写数据函数块/LADDR: =W#16#238 /输出地址/RECORD: =P#M 310.0 BYTE 8 /指针地址/RET_VAL:=MW62 /块调用返回值/* 启动泵的指令发出 */A Q0.0 /Q0.0为1表示启泵/JNB _00a /为0时跳转/L 1151 /控制字的值1151为启泵/T MW310 /启停设备控制字地址/* 停止泵的指令发出 */_00a: AN Q0.0 / Q0.0为0表示停泵/JNB _00b /为1时跳转/L 1150 /控制字的值1150为停泵/T

15、MW310 /启停设备控制字地址/* 泵的频率给定指令发出 */_00b:L DB1.DBW20 /控制字的值，范围：016384，对应050Hz/T MW312 /设备频率控制字地址/ *泵的运行信号从通讯数据中提取 */A M111.2 /设备状态字地址中的运行信号的位地址= DB2.DBX 0.0 /将运行信号放入规定的地址/*结束*/变频器的PID控制运行结果如图，图3 图34 结论PROFIBUS是全球范围内目前唯一能够以标准方式应用于所有领域并贯穿整个过程链的现场总线。该项目控制系统投入使用以来，长期运行可靠、生产正常、维护量少，验证了PROFIBUS-DP在工业现场的可靠性、灵活性、方便及易用性等方面都具有很强的竞争力。通过该系统的实践，我们不难推测：PROFIBUS-DP能在一定程度上让工业自动化变得更加简单适用，