摘 要：英思維公司（Invensys）是國際知名的儀控行業領導者，旗下的自動化產品廣泛應用了現場總線技術。本文以英思維福克斯波羅的I/A系統和英思維歐陸的NETWORK-6000+系統在江陰夏港電廠的應用，闡述其現場總線技術的特點和優越性。
關鍵詞：現場總線；Invensys；DCS； NETWORK-6000+；SIMOCODE。

一、引 言
現場總線技術自70年代誕生至今，由于它在減少系統線纜，簡化安裝、維護和管理，降低系統的投資和運行成本，增強系統性能等方面的優越性，得到了廣泛的推廣和應用。PROFIBUS作為現場總線的一種，不論是在自動化儀表、遠程I/O,還是在電機控制裝置中的應用均日益廣泛起來。
現場總線國際標準之一PROFIBUS技術是1987年由SIEMENS公司等13家企業和5家研究機構聯合開發；1989年批準為德國工業標準 DIN 19245；1996年批準為歐洲標準EN 50170 V.2；1999年PROFIBUS成為國際標準 IEC 61158 的組成部分（Type III）。
PROFIBUS技術為設備層提供了PROFIBUS-DP和-PA技術，為車間層提供了PROFIBUS-FMS技術。PROFIBUS-DP 是設備層現場總線，用于控制器（如DCS、PLC、PC）與現場控制設備（如驅動器、檢測設備、HMI等）之間的通信總線。
PROFIBUS-DP總線技術具有高速（12M）、實時、確定、可靠的特點，傳輸的數據量相對較小。現場總線的介質訪問控制方式滿足工業控制網絡的要求，即通信的實時性和確定性。確定性確保站點每次得到網絡服務間隔和時間是確定的；實時性是指網絡分配給站點的服務時間和間隔可以保證站點完成它確定的任務。
PROFIBUS的特點總結如下：
1） 開放性好（目前800～1000多家廠商的產品支持該總線）；
2） 傳送速度快，可達12M；
3） 節省現場布線，降低工程成本；
4） 配置靈活。
2004年，PROFIBUS國際組織宣布，基于PROFIBUS接口的設備節點在2003底時突破1000萬,成為名副其實、最具實力的全球領先的現場總線標準。
目前PROFIBUS的介質訪問控制方式主要有令牌和主從兩種方式,遵循附屬主－從令牌通行原則。這種方法區分了主動和被動的網絡節點。只有主動節點才接受令牌，也就是發送的權利，它在一段規定的時間里將令牌從一個主動節點送到下一個主動節點。系統自動偵測節點是否離去或是否有新的節點加入到網上。網上的所有節點都必須以同一傳輸速率通訊。
PROFIBUS-DP總線技術可采用電氣和光纖網絡配置。電氣網絡利用屏蔽的雙絞線電纜作為傳輸介質。采用的RS485電氣標準是基于電壓差工作的，因此對于干擾的敏感性要比電壓或電流接口小。傳輸速率可以從9.6Kbps到12Mbps間選擇，速率的大小與網絡段長有關。
英思維公司（Invensys）是國際知名的儀控行業領導者，緊密跟蹤了現場總線技術的發展潮流，并率先在其自動化產品中提供了現場總線技術的支持。以英思維歐陸公司（EUROTHERM PROCESS AUTOMATION簡稱EPA）的硬件和系統軟件為基礎，南京科遠控制工程有限公司自主研發了火電廠自動化軟件（V1.0）,推出了新型的NETWORK-6000＋分散控制系統。NETWORK-6000+使用PROFIBUS技術作為其設備層通訊標準，能夠使用PROFIBUS集成標準的第三方現場總線產品。
本文介紹的現場總線產品是SIEMENS的3UF 50電機控制單元。該裝置支持PROFIBUS現場總線標準，具有完善的電機控制和保護功能。通過這個裝置，控制系統可以方便地對電機進行監控。3UF 50簡稱SIMOCODE。
二、江陰夏港電廠介紹
江陰夏港電廠位于江蘇省江陰市夏港鎮，屬江陰蘇龍發電有限公司,目前已有三期工程，一、二期分別是兩臺135MW單元機組，三期是兩臺亞臨界 330MW單元機組。一至三期DCS均由南京科遠控制工程有限公司供貨。三期第一臺330MW單元機組已于2004年12月13日順利完成168小時試運行，并移交投入商業運行。其自動和保護投入率達99％，點火到168結束前后共10天；三期第二臺330MW單元機組已于2005年8月9日順利完成 168小時試運行，已投入商業運行。其自動和保護投入率達99％，自點火到168結束前后共9天的，創造了當時國內30萬等級機組的最快記錄。此外，科遠公司還承接了江陰夏港電廠的一、二及三期脫硫DCS項目。
夏港電廠一、二期共4×135MW單元機組采用了NETWORK-6000+分散控制系統，三期2×330MW單元機組采用了FOXBORO I/A Series分散控制系統；一、二、三期脫硫也采用NETWORK-6000+。
江陰夏港電廠在三期主廠房及脫硫輔助車間大量使用SIEMENS SIMOCODE裝置，用于低400V電機的控制和保護。SIMOCODE安裝在就地電氣控制柜，DCS對400V電機控制通過PROFIBUS-DP現場總線技術實現。
三期單臺330MW單元機組DCS共使用十四對控制器，公用系統單獨一對。I/A Series系統采用專用的通訊卡件FBM223，與 SIMOCODE實現PROFIBUS-DP通訊連接。實際中，在七對控制器下布置了八只FBM223卡件；每只FBM223通訊卡件具有兩個獨立的通訊口，工程實施中兩個端口均投入使用，降低了通訊風險，且大量互為備用的設備分配到不同的FBM223卡件下。每臺330MW單元機組DCS共使用了114 只SIMOCODE（其中備用34只）。目前，這是現場總線技術在330MW機組控制系統中最大規模的應用。
脫硫輔助車間DCS使用NETWORK-6000+分散控制系統，共七對控制器，該控制器以PROFIBUS作為其IO總線，SIMOCODE可以和EPA的I/O機架按總線連接方式混合連接，實施中每對控制器都有SIMOCODE通訊。三期脫硫DCS共使用了118只SIMOCODE（其中備用 16只）。
本文以NETWORK-6000+控制系統為例，說明英思維自動化產品的PROFIBUS現場總線技術。
三、現場總線技術應用方案
NETWORK-6000+分散控制系統由系統網絡、人機界面、控制網絡、分散處理單元、I/O網絡（PROFIBUS）和I/O模件等部分組成。NETWORK-6000+可廣泛應用在火電廠主機、輔機控制上，下面介紹PROFIBUS現場總線技術在夏港電廠DCS系統的應用。
NETWORK-6000＋分散控制系統，其分散處理單元（DPU）T940X的CPU采用Pentium級芯片，主頻266MHZ，閃存不小于 8Mbyte,可聯結1024點I/O，運行2000個Block，具有強大的處理能力，是目前世界上速度最快的DPU之一，DPU和I/O機架之間通訊速率高達12Mbps。每對控制器最多可帶122個I/O機架。I/O機架與T940X通訊使用PROFIBUS－DP協議。圖一是T940X與 EPA I/O機架、SIMOCODE系統連接示意圖：

圖一、T940X的Profibus連接

T940X控制器的主要性能指標如下：
● 電源冗余；
● 控制器冗余；
● 冗余ELIN（EtherNet for LIN）網絡；
● PROFIBUS網絡接口，支持PROFIBUS－DP標準；
● 具有MODBUS通訊接口；
● 具有電源、通訊、看門狗、運行、后備指示。
在工程中，NETWORK-6000＋分散控制系統配置了三級網絡：系統網絡、控制網絡和I/O網絡。I/O網絡完成的是DPU和I/O模件及SIMOCODE的數據交換，控制策略的運算在DPU中完成。
控制網絡基于工業以太網技術，主要完成DPU之間、DPU和操作員站之間的數據交換，速度是100Mbps，符合IEEE802.4協議的令牌工業控制網絡，可1:1冗余，具有通訊接口自診斷能力。T940X具有一對以太網接口，通過工業以太網交換機與系統相連。以太網交換機采用快速生成樹協議或專用協議實現環狀冗余連接。當出現網絡故障后，路徑切換時間小于300毫秒。基于雙絞線的最大長度是100m，基于光纖的最大長度可達數公里，最大可以支持512 個站。
系統網絡主要完成數據服務器、工程師站、操作員站和MIS的數據交換，采用冗余以太網，TCP/IP協議。
受DCS控制的400V電機采用的SIMOCODE，現場配置了控制面板，以方便就地操作，SIMOCODE安裝在電力抽屜柜中，通過拉出/推進進行電源分/合操作。
圖二所示的是SIMOCODE基本單元。帶有四個輸入和四個輸出的基本單元自動執行所有保護和控制功能，并提供與PROFIBUS-DP的連接。四個輸入由內部的24V DC電源供電。擴展模塊、操作面板、手操設備或PC均可通過系統接口和基本單元相連。該基本單元有三種不同的控制電源電壓類型：24V DC，115V AC， 230V AC。項目中采用230V AC供電。

圖二、SIMOCODE基本單元

圖三是SIMOCODE控制面板，用于就地進行手動控制。它可連接至基本單元和擴展模塊，由基本單元供電，有接口可連接手操設備或PC。控制面板安裝在電氣柜門前面板內，三個按鈕和六個LED批示燈都可進行編程設置。

SIMOCODE用SIEMENS PROFIBUS屏蔽雙絞線電纜作為傳輸介質。而T940X與I/O機架使用UTP電纜（超五類雙絞線）。實際連接時，SIMOCODE和I/O機架混合連接在T940X在PROFIBUS接口上，T940X作為唯一主站分別和SIMOCODE和I/O機架通訊。考慮到兩類電纜阻抗匹配，在UTP電纜和PROFIBUS屏蔽雙絞線電纜之間用SIEMENS RS485 中繼器作為信號放大用。

圖四是SIMOCODE在一般DCS/PLC系統中的配置應用。

四、現場總線技術在江陰夏港電廠的應用效果
江陰夏港電廠的兩臺33萬千瓦單元機組及其輔助車間系統，大量采用了現場總線通訊技術，400V電機基本上都采用SIMOCODE現場總線控制裝置，如果以每只SIMOCODE節約直接I/O點數為七點計算，三期主廠房及脫硫車間共使用346只SIMOCODE（114×2＋118＝346），硬接線I/O減少了（346×7＝2422）2400多點，節約了DCS硬件系統的投入，如I/O卡件、輸出繼電器及機柜；同時減少了像馬達電流變送器、電纜這樣設備的投資。總之，一方面減少了電纜敷設長度和人力成本，節約了可觀的電纜成本；另一方面，控制設備集成化、單一化，減少了維護工作，提高了系統可靠性。
當然，購買SIMOCODE需要增加一部分設備投資。但是使用現場總線技術，總的投資額仍有所節省。據山東省電力工程咨詢院有關人員不完全統計，以單臺330MW單元機組為例，使用SIMOCODE實現400V電機控制，比使用直接I/O能夠節省60萬元。到目前為止， 三期第一臺330MW機組已經投入商業運行九個月，第二臺330MW機組投入商業運行近二個多月，三期脫硫DCS運行也有八個月。不論是I/A系統，還是NETWORK6000+ 系統，均在可靠運行中。英思維的現場總線技術經受了時間的考驗，產品的穩定可靠性獲得了用戶的認可。
五、總結
我們知道，最早的氣動單元組合儀表采用0.2～1kg/cm2 統一標準氣動信號，電動單元組合儀表系統使用統一的4～20mA標準信號相互連接，任何廠家的產品都可以實現互操作，這兩類儀表系統都得到了健康發展。在DCS系統時代，由于生產廠要想盡可能地控制市場份額，各自開發專用的數據公路，致使DCS和PLC系統沒有一個統一的標準，給用戶帶來很大麻煩，在某種程度上降低了用戶的投資效益。
當DCS發展到第四代FCS系統時，本來爭取在新一代系統取得統一，以促進技術進一步發展，但由于各自要保護過去的投資利益，意見長期得不到統一，于是各國大公司都退回原地，開展了一場保衛自己“莊園”的戰斗，結果產生了現在的長達3200頁的新標準。可以說，目前的現場總線之爭是上一代控制系統之爭的繼續。現場總線協議長期爭論不休，使得FCS系統的發展十分緩慢。
從市場需求和技術發展的潮流來看，控制系統在現場總線基礎上的統一勢在必行。對于電力行業應用來說，我們沒有必要去爭論哪一種現場總線技術更先進，我們要做的是盡快地從現場總線技術的實踐中獲取信心和經驗，為數字化電廠奠定現場總線的基石。因此，我們認為電力工業部在行業中推行PROFIBUS 現場總線技術，將極大的推進電廠自動化水平的提升。而現場總線在江陰夏港電廠的成功應用，作為現場總線應用破冰之旅的一部分，將產生深遠的影響。
參考文獻：
1. 陽憲惠.現場總線技術及其應用.清華大學出版社,1999
2. Communication at field level PROFIBUS,Section B- FESTO DIDACTIC