現(xiàn)場總線在DCS系統(tǒng)中應(yīng)用

1、現(xiàn)場總線在DCS項目中的應(yīng)用· 作者：鎮(zhèn)江宏順熱電有限公司/總經(jīng)理/邵明揚；科遠(yuǎn)股份/系統(tǒng)設(shè)計部/謝占峰· 供稿：南京科遠(yuǎn)· 閱讀人次：198· 發(fā)布時間：2009-12-10引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制過程對現(xiàn)場信號的采集、傳輸和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提出了更高的要求。而數(shù)字通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微處理技術(shù)的迅速發(fā)展，把傳統(tǒng)的數(shù)字信號和模擬信號混合的系統(tǒng)變成全數(shù)字信號系統(tǒng)成為可能?；诂F(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）就是在這種背景下產(chǎn)生的，并成為當(dāng)前過程控制領(lǐng)域的熱點。在傳統(tǒng)的自動化控制工程項目中，如何將現(xiàn)場總線技術(shù)與

2、DCS控制系統(tǒng)緊密結(jié)合并發(fā)揮出巨大的優(yōu)勢，引起了各用戶和系統(tǒng)集成商的高度重視，并將此作為系統(tǒng)競爭力的一個具體體現(xiàn)。本文結(jié)合具體項目，初步闡述了Profibus現(xiàn)場總線和DCS相結(jié)合的方案，方案的靈活性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)穩(wěn)定性已在工程運用中得到很好的詮釋。1、現(xiàn)場總線概述11 概念現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類?；蛘?，現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。12 現(xiàn)

3、場總線的主要特征在FCS中，現(xiàn)場總線的主要特征是把數(shù)字通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微處理技術(shù)集合在一起，充分體現(xiàn)了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的數(shù)字化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化及互換性、兼容性、開放性的特點，是實現(xiàn)現(xiàn)場級控制設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是一次工業(yè)現(xiàn)場級設(shè)備通信的數(shù)字化革命?？梢詮?個層面來表述現(xiàn)場總線的含義。（1）現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)：傳統(tǒng)的DCS項目中，通訊網(wǎng)絡(luò)的終點是控制站或者IO站，現(xiàn)場儀表仍是采用4-20mA.DC模擬信號送進(jìn)控制系統(tǒng)。而現(xiàn)場總線技術(shù)可使用一條通信電纜將現(xiàn)場設(shè)備（智能化、帶有通信接口）連接，用數(shù)字化通信代替4-20mA24VDC信號，完成現(xiàn)場設(shè)備控制、監(jiān)測、遠(yuǎn)程參數(shù)化等功能

4、，實現(xiàn)了真正意義上的現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)，把數(shù)字化通訊線一直延伸到了生產(chǎn)現(xiàn)場或者生產(chǎn)設(shè)備。（2）互操作性：不同廠商制造的設(shè)備，只要支持相同的總線通訊協(xié)議，就可以集成在一個系統(tǒng)內(nèi)，互相通訊，運用同一個組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)工作，以實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)策略。（3）分散功能：在FCS系統(tǒng)中，將傳統(tǒng)輸入輸出IO控制站的一些功能分散地分配給了現(xiàn)場智能執(zhí)行器、智能變送器、智能控制儀表、智能馬達(dá)控制器等，提高了智能化和數(shù)字化的水平，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。（4）開放式互連網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，既可以與同類網(wǎng)絡(luò)互連，也可以與不同網(wǎng)絡(luò)互連（如TCPIP）。開放是網(wǎng)絡(luò)互連還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，可以完成將現(xiàn)場級、車間級、企業(yè)級

5、各個層面的數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)流動?，F(xiàn)代企業(yè)管理的重要基礎(chǔ)之一就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。13 傳統(tǒng)的與基于現(xiàn)場總線式的現(xiàn)場級與車間級控制系統(tǒng)優(yōu)缺點131 傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級控制系統(tǒng)系統(tǒng)（包括：基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng)），其主要特點之一是，現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的連接是一對一（一個IO點對設(shè)備的一個測控點）所謂IO接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關(guān)量信息）信號。如圖1-1所示：   圖1-1：傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級控制系統(tǒng)架構(gòu)傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級控制系統(tǒng)的主要缺點：（1）信息集成能力不強(qiáng)： 控制器與現(xiàn)場設(shè)備之間靠IO

6、連線連接，傳送4-20mA模擬量信號或24VDC等開關(guān)量信號，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設(shè)備參數(shù)、故障及故障紀(jì)錄等數(shù)據(jù)很難得到。（2）系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強(qiáng)：除現(xiàn)場設(shè)備均靠標(biāo)準(zhǔn)4-20mA24VDC連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能使用一家產(chǎn)品。不同廠家產(chǎn)品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統(tǒng)很少留出接口，允許其它廠商將自己專長的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，面向行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)很少。（3）可靠性不易保證：對于大范圍的分布式系統(tǒng)，大量的IO電纜及敷設(shè)施工，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。（4）可維護(hù)性

7、不高：由于現(xiàn)場級設(shè)備信息不全，現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能不強(qiáng)。另一方面也很難完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護(hù)性。132 基于現(xiàn)場總線式的現(xiàn)場級與車間級控制系統(tǒng)基于現(xiàn)場總線式的現(xiàn)場級與車間級控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1-2。  圖1-2：基于現(xiàn)場總線式的現(xiàn)場級與車間級控制系統(tǒng)架構(gòu)基于現(xiàn)場總線的現(xiàn)場級與車間級控制系統(tǒng)主要優(yōu)點：（1）增強(qiáng)了現(xiàn)場級信息集成能力現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設(shè)備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求?，F(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號，還可實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完

8、成遠(yuǎn)程控制，還可完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。（2）開放式、互操作性、互換性、可集成性不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，就具有互操作性、互換性，因此設(shè)備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場上將有許多面向行業(yè)特點的監(jiān)控系統(tǒng)。（3）系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對一的IO連線，對于大規(guī)模IO系統(tǒng)來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。（4）降低了系統(tǒng)及

9、工程成本對大范圍、大規(guī)模IO的分布式系統(tǒng)來說，省去了大量的電纜、IO模塊及電纜敷設(shè)工程費用，降低了系統(tǒng)及工程成本。2  現(xiàn)場總線的分類和PROFIBUS現(xiàn)場總線21 現(xiàn)場總線的分類目前，國際上各種各樣的現(xiàn)場總線有幾百種之多，統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立。較著名名的有基金會現(xiàn)場總線（FF）、HART現(xiàn)場總線、CAN現(xiàn)場總線、LONWORKS現(xiàn)場總線、PROFIBUS現(xiàn)場總線、MODBUS、CONTROLNET、DEVICENET總線等。22 PROFIBUS現(xiàn)場總線總線標(biāo)準(zhǔn)之一的PROFIBUS技術(shù)是1987年由Siemens公司等13家企業(yè)和5家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)；1989年批準(zhǔn)為德國工業(yè)標(biāo)

10、準(zhǔn)DIN 19245；1996年批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170 V.2；1999年P(guān)ROFIBUS成為國際標(biāo)準(zhǔn) IEC 61158 的組成部分(Type III)。以其獨特的技術(shù)特點、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已成為最重要的和應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS現(xiàn)場總線通訊協(xié)議包括三個主要部分：Profibus DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應(yīng)用于自動化系統(tǒng)的單元級和現(xiàn)場級通訊。Profibus PA：電源和通訊數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于過程自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通訊。 Profibus FMS：定義了主站和主站之間的通訊模型，

11、主要用于自動化系統(tǒng)中系統(tǒng)級和車間級的過程數(shù)據(jù)交換。采用PROFIBUS現(xiàn)場總線的自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1-3。1-3 PROFIBUS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)架構(gòu)從上圖中可以看出采用PROFIBUS現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)可以分為現(xiàn)場控制層、監(jiān)控層和企業(yè)管理層。關(guān)于現(xiàn)場控制層，具體介紹如下：現(xiàn)場控制層是由現(xiàn)場智能設(shè)備、現(xiàn)場智能儀表、遠(yuǎn)程IO和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成?，F(xiàn)場控制涉及到PROFUBUS-DP和PROFIBUS-PA兩個部分：PROFUBUS-DP是高速網(wǎng)絡(luò)，通訊速度可達(dá)12M。PROFUBUS-DP可以連接遠(yuǎn)程IO、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能馬達(dá)控制器、人機(jī)界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設(shè)備。一條PROFIBUS-

12、DP總線理論上可以連接123個從站設(shè)備。PROFUBUS-DP的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線型、星型、樹型；通訊介質(zhì)可以是雙絞線、光纖，也支持紅外傳輸。采用雙絞線時，不加中繼器時最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)1.2KM，最多可以采用9個中繼器，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)9KM。采用光纖時，最遠(yuǎn)距離可達(dá)100KM以上。PROFUBUS-PA是低速網(wǎng)絡(luò)，通訊速率為31.25 Kbs；支持點對點連接、總線型、混合型、樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。PROFUBUS-PA主要用于連接現(xiàn)場智能儀表，如壓力、溫度、流量液位等變送器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通訊介質(zhì)可以采用屏蔽雙絞線電纜，可以采用非屏蔽雙絞線電纜，可通過總線供電。23 PROFIBUS現(xiàn)場總線

13、的優(yōu)點1）PROFIBUS是一個完全開放的、與制造商無關(guān)的、無知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。全球有超過250家公司可以生產(chǎn)超過2000種支持PROFIBUS的系統(tǒng)和設(shè)備。2）PROFIBUS具有較高的可靠性，體現(xiàn)在以下幾個方面：l    總線上的數(shù)據(jù)傳輸是完全基于數(shù)字信號實現(xiàn)，這樣可以大幅提高信號傳輸過程中的抗干擾能力；l    PROFIBUS采用總線直接連接現(xiàn)場智能設(shè)備，可以減少大量接線點，減少了由于接線不牢或者接線脫落引起的故障。l    PROFIBUS連接智能設(shè)備，減少了AD轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高了數(shù)據(jù)采

14、集精度，為精確控制提供保證。l    PROFIBUS上各設(shè)備的連接非常簡單，可以通過專用工具和PROFIBUS接頭，減少接線風(fēng)險；同時PROFIBUS接頭可以保證總線上任何一個節(jié)點故障不影響到整個網(wǎng)絡(luò)的通訊正常。l    支持冗余總線系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。3）    配置靈活，體現(xiàn)在以下方面：l    拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，可以支持總線型、星型、數(shù)型、冗余環(huán)型等各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；l    支持光纖和雙絞線作為通訊介質(zhì)。采用多模光纖時，兩個光電模塊間的距離可

15、達(dá)3KM，采用單模光纖時，兩個光電模塊間的距離可達(dá)26KM。采用雙絞線不加中繼器最遠(yuǎn)距離可達(dá)1公里，采用中繼器可達(dá)9公里。l    1條PROFIBUS-DP總線最多可以連接123個DP從站，所有滿足PROFIBUS-DP通訊規(guī)約的設(shè)備都可以連接到系統(tǒng)中；l    提供多種接口設(shè)備，可以將冗余DP總線轉(zhuǎn)換成單DP總線，或者將冗余總線轉(zhuǎn)換成PA總線，也可以將DP總線轉(zhuǎn)換成AS-I總線，非常擴(kuò)展；l    提供用于危險領(lǐng)域的接口模塊，可以支持在危險領(lǐng)域的應(yīng)用；4）    具有較高

16、的實時性這是由PROFIBUS總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率高做決定的。PROFUBUS-DP通訊速度可達(dá)12M，是目前通訊速率最高的現(xiàn)場總線。3、PRFIBUS現(xiàn)場總線在電廠輔控項目中的應(yīng)用 31 總線式控制系統(tǒng)在輔控系統(tǒng)中的應(yīng)用在科遠(yuǎn)公司承接的一個1000 MW級超超臨界機(jī)組全廠輔助車間集中控制系統(tǒng)中，共包括鍋爐補給水系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理、凈水處理、廢水處理、循環(huán)水加氯、生活污水處理、脫硝液氨系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)等子系統(tǒng)。為提高電廠自動化管理水平，實現(xiàn)全廠輔助車間（系統(tǒng)）的管理、控制一體化，要求各個系統(tǒng)采用以DCS為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，控制邏輯仍在DCS控制器中

17、實現(xiàn)。控制系統(tǒng)上層即人機(jī)終端與主控制器之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，配置兩臺工控機(jī)、一套冗余控制器、光電轉(zhuǎn)換器等設(shè)備構(gòu)成光纖高速路網(wǎng)，通訊速率為100M位秒波特率?，F(xiàn)場設(shè)備層之間采用現(xiàn)場總線通訊，總線要求選用PROFIBUS-DP作為本方案的技術(shù)基礎(chǔ)。通訊的連接介質(zhì)冗余主環(huán)網(wǎng)或冗余總線應(yīng)選配光纜，分支現(xiàn)場總線通訊可選用總線電纜。所有現(xiàn)場總線接口的現(xiàn)場儀表、智能電機(jī)控制器、變頻器等可直接連接到現(xiàn)場總線上。變送器、氣動閥門定位器、智能電機(jī)控制器可通過耦合器（DPPA或其它）連接到現(xiàn)場總線上?，F(xiàn)場電磁閥要求采用具有總線接口的閥島來控制，閥島應(yīng)能方便地與現(xiàn)場總線進(jìn)行連接?，F(xiàn)場的壓力變送器、流量及液位變送器和

18、壓力開關(guān)（常規(guī)信號）、化學(xué)分析儀表等儀表要求采用帶總線接口的工業(yè)儀表，氣動閥門定位器亦采用總線，這些儀表設(shè)備都能通過耦合器（DPPA或其它）連接到網(wǎng)絡(luò)上。根據(jù)以上技術(shù)要求，采用總線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖3-1（以鍋爐補給水系統(tǒng)為例）：圖3-1：電廠輔助車間鍋爐補給水控制系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在鍋爐補給水現(xiàn)場，分布著很多總線式儀表、變送器、SIMCODE馬達(dá)控制器，根據(jù)就近和危險分散的原則，在現(xiàn)場布置了5面總線通訊柜，分別通過PROFIBUS-DP總線與布置在控制室內(nèi)的CPU通訊?，F(xiàn)場設(shè)備包括采用DP協(xié)議通訊的設(shè)備和采用PA設(shè)備通訊的設(shè)備，現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)如下圖3-2：   &

19、#160;            圖3-2：現(xiàn)場總線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)32 規(guī)劃PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)時應(yīng)注意事項為了使網(wǎng)絡(luò)能夠穩(wěn)定可靠的運行，在規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)時應(yīng)該注意以下幾個方面：l         需要的網(wǎng)絡(luò)附件的型號和數(shù)量。如OLM、DP網(wǎng)線段有源終端電阻、PROFIBUS-DP插頭、PA總線TAPS、DPPA LINK、 Y-LINK等；l      

20、   注意現(xiàn)場設(shè)備是通過DP還是PA協(xié)議接如總線網(wǎng)絡(luò)；l         現(xiàn)場需要多長的電纜，長度的限制是多少；l         每個現(xiàn)場總線網(wǎng)段應(yīng)合理配置網(wǎng)絡(luò)正常工作必須的終端器，其中Profibus DP網(wǎng)段的末端設(shè)備應(yīng)配置有源終端器，確保網(wǎng)段上的設(shè)備在線熱插拔時不影響網(wǎng)絡(luò)的正常運行。l         互為備用關(guān)系的設(shè)備或者儀表，應(yīng)劃分在不同的網(wǎng)線段。l      &#