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1、现场总线控制系统（FCS)在火电厂应用的研究,自动化技术研究中心,主 要 内 容,现场总线技术的基本概念现场总线控制系统的发展和现场总线国际标准适用于过程控制领域的典型FCS简介及应用现场总线控制系统在火电厂的应用,现场总线控制系统（FCS）,现场总线技术的基本概念,现场总线的产生及定义现场总线的核心和基础现场总线的应用领域现场总线通信协议模型,现场总线的产生及定义,工业控制领域不断提高的需求：范围、规模、性能 控制、管理和决策结合，信息量和实时性要求提高 4C技术（Computer、Control、Communucation、CRT）的高速发展,国际电工委员会IEC61158对现场总线定义：
2、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、多点的数据总线称为现场总线。,现场总线是自动化发展的必然产物,现场总线的核心和基础,不同类型的总线，其核心是不同的“总线协议”。协议的本质是“标准”。总线协议技术是系统的，有完整的硬件和软件支持，能够形成系统和产品。总线协议的标准化是实现开放、互操的前提。,现场总线的核心总线协议,现场总线的基础智能现场装置,遵循统一的总线协议，实现双向数字通信。具有多种智能化功能，增加现场级的信息处理和控制能力。具有丰富的状态、诊断、参数信息。,现场总线控制系统的应用领域,FCS应用的三大典型领域(1)制造:典型是汽车制造，自动化生产线
3、机器人的离散操作。由PLC发展到FCS(2)物业：楼宇自动化，节点多达32,385，无主从，各节点对等，但节点间传递信息量较低(3)过程控制：石化、发电等，模拟量监控技术复杂、安全性高。由DCS发展到FCS,现场总线控制系统的应用领域,不同领域对FCS的要求不同(1)模拟连续类：基本测控对象流量、温度、料位、压力等变化缓慢，不要求快速响应时间，但要求复杂的模拟量处理能力。防爆的本安性能。如从仪表行业发展起来的FF标准H1总线。(2)数字分立动作类：需有快速巡回检测和快速控制的能力，快速响应时间。如从PLC发展的Profibus-DP(3)大数量节点大阵列类：以上2类节点不超过300，此类节点要
4、在30 000以上，完全分散。,现场总线通信协议模型,协议分层：大多数网络软件按分层结构组织。网络体系结构是指划分层次、每层功能、层间接口及相同层次通信的协议。ISO7498标准的OSI分层模型：ISOOSI标准 用于信息技术和邮电通信的国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互连（OSI）七层参考模型,第一层：物理层 第二层：数据链路层第三层：网络层 第四层：传送层第五层：会话层 第六层：表示层第七层：应用层,现场总线通信协议模型,现场总线通信协议模型：在ISOOSI模型的基础进行简化，并增添面向用户的第8层用户层,现场总线通信协议模型,物理层：提供机械、电气、功能性和规程性的位流传输 通信速
5、率32.25kb/s、1Mb/s、2.5Mb/s、12Mb/s等 现场总线段的现场装置数 现场总线的导线媒体和长度：双绞线、同轴电缆、光纤,数据链路层：提供媒体送取控制和逻辑链路控制 通信“交通管理”：令牌、主从、非调度/非周期通信 收/发帧管理：对帧信号的控制，检验传输差错（海明码等）实现通信的实时性、确定性和优先级管理,现场总线通信协议模型,应用层：提供应用、应用管理和系统管理的分布式信息服务 主要有通信功能、特殊功能以及管理控制功能,用户层：提供现场智能装置控制功能和互操作性 标准功能块（FB）：为现场智能装置提供的AI、AO、PID等 装置描述（DD）：类似于装置的驱动软件，允许不同厂
6、商的装置连在同一现场总线实现互操。有EDDL和FDT/DTM两大类描述方法。目前这两种标准有统一的议向。,现场总线控制系统的发展和现场总线的国际标准,现场总线的国际发展概况和趋势IEC国际标准的16类型现场总线,现场总线的国际发展概况和趋势,现场总线的标准化进程 漫长的国际标准制定过程（16年），已产生了妥协和折衷性质的IEC61158现场总线国际标准，2000年包含了8种类型的现场总线。到2007年11月增加到16类，其中包括中国自主研发的EPA现场总线标准。,国际著名现场总线组织基金会现场总线FF：美国公司为主的国际性组织Profibus组织：德国和欧洲国公司为主的国际性组织 WorldF
7、IP组织：法国、北美等国公司为主的国际性组织ControlNet组织：由ROCKWELL公司牵头的国际性组织,适用于过程控制的FCS简介及应用,适用于电厂过程控制的现场总线基金会（FF）现场总线Profibus现场总线及应用,Profibus现场总线控制系统,Profibus现场总线技术是由离散控制(PLC)发展而来。是IEC61158现场总线国际标准中的第3类。Profibus技术规范，在2006年10月经国家标准化管委会审查通过，成为我国第一个现场总线国家标准：GB/T 20540-2006 Profibus产品，全球有超过250家公司生产1500多种产品。,Profibus现场总线控制系
8、统,通信模型：,物理层DP、FMS为RS485传输，9.6k12Mb/s PA为IEC61158-2传输，总线供电，31.25kb/s 数据链路层采用一致的总线存取协议：令牌和主从 令牌：主站与主站之间通信 主从：主站与从站之间通信 用户层实现不同厂家设备的互换和互操性，通用站描述文件(GSD)电子设备数据文件（EDDL或FDT/DTM）,Profibus现场总线控制系统,拓扑结构,Profibus现场总线控制系统,主站分为二类(1)一类主站(DPM1)：能主动地、周期性地与其所组态的从站进行数据交换，被动地与二类主站通信。如PLC、控制站(2)二类主站(DPM2):监控主站，可非周期地与其他
9、主站、自己的从站通信，如编程器、操作员站等。从站是输入、输出信息采集和发送的外围设备，被动地与主站通信。如通信接口卡、变送器、阀门驱动器、电机控制单元、检测仪表等。,Profibus现场总线控制系统,Profibus通信机制循环周期数据通信:用于实时性数据通信，包括过程I/O和标准状态字。对于32站系统主站与每个从站通信量为512bit输入和512 bit输出，在12Mbps速率下的周期为1ms。非循环周期数据通信:具有较低的通信优先级，用于非实时数据通信。设备的详细状态、诊断、参数化、检验数据。可在多个循环通信周期中传输。扩展诊断的DP-V1标准比DP-V0所采集的信息更多、更深入。,Pro
10、fibus现场总线控制系统,主站和从站网络结构,主站通信单元,主站-仪表、执行机构,Profibus现场总线控制系统,电站控制系统的特殊性FCS在电厂应用研究的进展玉环电厂水处理FCS简介,现场总线控制系统在电厂的应用,电站控制系统的特殊性,对电站运行可靠性的特殊要求 对新技术、新装置既渴望又保守的矛盾态度。,电站I/O特点 测点密集、现场装置密集、设备立体布置。厂域远小于石油、化工企业。,控制功能和控制策略的复杂性 火电厂自动化监控的六大系统（DAS、FSSS、MCS、SCS、DEH、ECS）；机炉协调控制涉及设备、信息量大；汽机控制、SOE要求ms级响应速度；,FCS在电厂应用研究的进展,
11、国外电厂FCS的应用国内电厂FCS的工程应用,国外电厂FCS的应用,Profibus现场总线系统在德国电厂应用,电厂名称：Niederaussem（尼德豪森）容量：1012MW，超临界，压力27.0MPa控制系统：DCS与FCS相结合DCS控制器实现逻辑运算、控制策略。变送器、执行器等采用现场总线设备。现场总线设备：变送器:HART协议 气动阀门(电磁阀):Profibus-DP气动阀门定位器：Probibus-PA电机起动开关设备：Profibus-DP仪表诊断和管理：PDM软件,OT,OT/ET,OT/DT,APF,AP,FUM,AP,FUM-F,APT,AP,AddFEM,externa
12、lnetwork,webserver,terminal bus,Plant bus,HART-MUX,HART-Bus,国外电厂FCS应用的现状,国外电厂FCS应用的现状,冗余DP总线连接的现场总线阀门,国外电厂FCS应用的现状,现场总线气动电磁阀,国外电厂FCS应用的现状,DP智能电机控制和保护单元多种控制方式：正/反转、星/三角起动、变极起动保护功能：过流保护、过热保护；控制和状态信息：启、停状态，电流、温度；诊断信息：硬件、线圈、传感器诊断；,国内电厂FCS工程应用,连云港新海电厂200MW机组，采用了Profibus-DP接口的SIPOS电动调节阀；江阴夏港电厂330MW机组及其脱硫、
13、辅助车间的400V电动机采用了Profibus-DP接口的电机控制和保护单元(SIMOCODE),共346台；华能巢湖电厂水处理控制系统、深能源河源电厂水处理控制系统均采用了Profibus现场总线控制系统，并已投入运行；海门电厂海水脱硫控制系统采用Profibus和FF现场总线的网络、设备和仪表。,国内电厂局部应用现场总线技术,玉环电厂FCS工程应用研究和实施,是国内电厂完整的现场总线控制系统,控制器：PLC（高性能冗余CPU系统）现场总线：Profibus-DP、Profibus-PA现场总线仪表：DP超声波液位计、PA压力/差压变送器、PA磁翻板液位计现场总线设备：DP气动电磁阀(阀岛)
14、、DP智能电机控制和保护单元(SIMOCODE)、DP变频器信息和管理软件：自主开发中文界面的诊断和管理软件对仪表进行远程诊断、参数设定等；PDM软件对变送器、CIMOCODE进行远程参数化、调试等。,玉环电厂水处理FCS网络结构,玉环电厂水处理FCS工程应用,中文界面的诊断信息和设备管理窗口 变送器窗口 超声波液位计窗口,应用FCS的核心是现场设备信息的利用,玉环电厂水处理FCS工程应用,操作员站的现场总线设备信息画面,玉环电厂水处理FCS工程应用,操作员站的现场总线设备信息画面,华能玉环电厂水网控制室,补给水控制系统 主机柜 1面 动力柜 1面 通讯箱 5面 电磁阀箱 8面,废水处理控制系
15、统 通讯箱 2面 电磁阀箱 4面,控制站（PLC）机柜。除冗余PLC、通信接口模件外没有常规I/O卡件。,就地通信箱包含：光电链路器OLM DP二合一单元Y-Link DP/PA耦合单元 24V直流电源,华能玉环电厂水网控制系统,Profibus-DP接口的超声波液位计,华能玉环电厂水网控制系统,火电厂应用FCS将带来自动化技术革命,现场总线的技术优越性 突破信号传统的“点对点”传输，带来丰富的现场状态、诊断信息，以及远程参数调整、校正功能；促进信息管理、设备管理、优化控制软件的开放、发展和应用；电厂控制、管理自动化实现革命化发展，建立真正的“数字化电厂”。,现场总线产生的新理念 网络设计，是
16、系统设计的重点；需要设计仪表、设备的地理位置，电缆桥架的走向，是优化通讯支路设计，仪表连接设计的条件；,火电厂应用FCS将带来自动化技术革命,现场总线产生的新理念 安装、接线的数量减少，但安装工艺的要求有提高；仪表、设备的状态能够在集控室监视，就地工作减少，但技术要求提高。,电站现场总线控制系统FCS165,电站现场总线控制系统FCS165,FCS165d的特点 FCS165系统的最显著特点是实现了DCS与现场总线网络的无缝连接。Profibus-DP通信主站模件和FF-H1通信主站模件可直接插入与控制器相邻的I/O槽位中，与控制器通过底板并行总线交换数据。现场总线智能设备能够直接挂在相应的通
17、信网段上。现场总线设备数据、状态和诊断信息直接进入FCP01实时数据库，可与传统I/O信号统一用于组态控制、运算。与工程师站一体化的Profibus网络、主站、从站的组态、监视、调试、诊断软件工具，采用Windows资源管理器界面风格。,电站现场总线控制系统FCS165,主控制器FCP01,Profibus主站FPB01,FF主站FFH01,电站现场总线控制系统FCS165,电站现场总线控制系统FCS165,操作员监控画面和操作面板,希望与电力行业的专家和同行交流,共同推进电力行业在现场总线技术方面的研究和工程应用景效国 贾强邦 曾卫东 029-82102387,敬 请 批 评 指 正,谢 谢 大 家,
