現(xiàn)場總線技術(shù)PROFIBUS應(yīng)用

1、現(xiàn)場總線技術(shù)PROFIBUS應(yīng)用安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備與控制室內(nèi)的自控裝置之間的數(shù)字式、串行和多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。        由于現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)，推動(dòng)了現(xiàn)場智能設(shè)備和智能儀表的發(fā)展，促進(jìn)了傳統(tǒng)DCS 系統(tǒng)和PLC 系統(tǒng)的融合，并推動(dòng)了FCS（以現(xiàn)場設(shè)備為基礎(chǔ)形成的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)) 的出現(xiàn)、發(fā)展和廣泛應(yīng)用。        自現(xiàn)場總線概念提出以來，全球各大知名自控和儀表公司開發(fā)了數(shù)拾種現(xiàn)場總線，目前在全

2、球范圍內(nèi)被廣泛認(rèn)可的現(xiàn)場總線系統(tǒng)包括：PROFIBUS、FF、ControlNet、PROFINET、P-NET 等十大總線系統(tǒng)。        隨著電力改革的深入，實(shí)行廠網(wǎng)分開、競價(jià)上網(wǎng)的政策，各電廠為降低運(yùn)行成本、減少設(shè)備檢修維護(hù)成本、縮短維護(hù)周期，實(shí)行狀態(tài)檢修，就需要對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并將各工藝段自動(dòng)化系統(tǒng)整和在一起。現(xiàn)場總線系統(tǒng)的出現(xiàn),徹底解決了自動(dòng)化孤島問題，使電廠基于設(shè)備狀態(tài)的檢修成為可能。PROFIBUS 現(xiàn)場總線系統(tǒng)介紹      

3、60; PROFIBUS 是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、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(gè)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(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場級(jí)通信。     

4、;   PROFIBUS PA：電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場級(jí)通訊。        PROFIBUS FMS：定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)和車間級(jí)的過程數(shù)據(jù)交換。        采用PROFIBUS 現(xiàn)場總線的自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：        從圖中可

5、以看出，采用PROFIBUS 現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)可以分成現(xiàn)場控制層、監(jiān)控層和企業(yè)管理層三層。        現(xiàn)場控制層        現(xiàn)場控制層由現(xiàn)場智能設(shè)備、現(xiàn)場智能儀表、遠(yuǎn)程I/O 和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成?，F(xiàn)場控制涉及PROFIBUS 協(xié)議PROFIBUS-DP 和PROFIBUS-PA 兩個(gè)部分。        PROFIBUS-DP 是高速網(wǎng)絡(luò)， 通訊速率達(dá)

6、到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠(yuǎn)程I/O、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-DP 總線可以最多連接123 個(gè)從站設(shè)備。        PROFIBUS-DP 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線型、星型和樹型，通訊介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線時(shí)，不加中繼器最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)1.2 公里，最多可以采用9 個(gè)中繼器，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)9 公里。采用光纖時(shí)，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)100 公里以上，其中采用多膜光纖，兩點(diǎn)間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里，采用單膜

7、光纖時(shí)，兩點(diǎn)間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里。        PROFIBUS-PA 是低速現(xiàn)場級(jí)網(wǎng)絡(luò)，通訊速率為31.25kb/s,支持點(diǎn)對點(diǎn)連接、總線型、混合型、樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。PROFIBUS-PA 主要用于連接現(xiàn)場智能儀表，如壓力、溫度、液位、流量等變送器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)等?？梢圆捎闷帘坞p絞線電纜，也可采用非屏蔽雙絞線電纜，可通過總線供電。        監(jiān)控層       

8、 監(jiān)控層由高速工業(yè)以太網(wǎng)以及連接在總線上的擔(dān)任監(jiān)控作務(wù)的工作站或顯示操作站、工程師站、PLC/DCS 控制器組成。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)的通訊速率也在不斷提高，目前工業(yè)級(jí)的千兆以太網(wǎng)已經(jīng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域大量應(yīng)用。        企業(yè)管理層        企業(yè)管理層由各種服務(wù)器和客戶機(jī)組成，主要由SIS、MIS 和ERP 系統(tǒng)構(gòu)成。其主要目的是在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，將電廠各工藝段( 例如DCS 系統(tǒng)、輔機(jī)程控系統(tǒng)等）的

9、數(shù)據(jù)和信息( 如過程數(shù)據(jù)、報(bào)警信息和設(shè)備狀態(tài)等) 進(jìn)行匯總，從而集成企業(yè)的各種信息，實(shí)現(xiàn)與Internet 的連接，完成管理、決策和商務(wù)應(yīng)用的各種功能。通過管理層,公司和集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，并通過授權(quán)還可以對各系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。PROFIBUS 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)開放性        PROFIBUS 是一個(gè)完全開放的、與制造商無關(guān)的、無知識(shí)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。     &

10、#160;  PROFIBUS 的開放性保證了不同制造廠商的產(chǎn)品的互連，例如西門子公司的DCS 或PLC 可以通過PROFIBUS 連接第三方的遠(yuǎn)程I/O、智能設(shè)備和儀表，這些連接只需要產(chǎn)品制造商提供相應(yīng)的GSD 文件或EDD 文件，然后進(jìn)行簡單組態(tài)即可實(shí)現(xiàn)。目前國際知名的自動(dòng)化系統(tǒng)制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON 等和知名的儀表制造商如：SIEMENS、EMERSON 等都可以提供豐富的支持PROFIBUS 的產(chǎn)品。在電力行業(yè)知名的DCS 制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON、FOXBORO 等都支持PROFIBUS 現(xiàn)場總線，知名的PLC 品

11、牌如：SIEMENS、MODICON、AB 也都可以支持PROFIBUS 總線。可靠性        PROFIBUS 現(xiàn)場總線大安裝運(yùn)行節(jié)點(diǎn)數(shù)超過500 萬個(gè)，大大高于其他現(xiàn)場總線系統(tǒng)。PROFIBUS 是IEC61158 的重要組成部分，并于2001 年成為中國的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10308.3-2001。PROFIBUS 的可靠性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： PROFIBUS 總線上的數(shù)據(jù)傳輸是完全基于數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，這樣可以大幅提高信號(hào)傳輸過程中的抗干擾能力。 采用PROFIBUS 總線直接連接現(xiàn)場智能設(shè)備，可以減

12、少大量接線點(diǎn)，減少了由于接線不牢或接線不規(guī)范引起的故障。 PROFIBUS 連接智能設(shè)備，減少了A/D 轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，提高了自動(dòng)化系統(tǒng)的采集精度，為精確控制提供保障。 PROFIBUS 上各設(shè)備的連接非常簡單，并可以通過專用剝線工具和PROFIBUS 接頭，減少接線風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)PROFIBUS 接頭可以保證總線上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障不影響系統(tǒng)通訊。 支持冗余總線系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。靈活擴(kuò)展        采用PROFIBUS 總線結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，擴(kuò)展非常方便靈活，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，可以支持總線型、

13、星型、樹型、冗余環(huán)型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2、支持光纖和雙絞線作為通訊介質(zhì)，采用多模光纖時(shí)，兩個(gè)光電模塊間的距離可達(dá)3KM，采用單模光纖時(shí)，兩個(gè)光電模塊間的距離可達(dá)26KM；采用雙絞線不加中繼的最遠(yuǎn)通訊距離可打1KM，采用中繼時(shí)最遠(yuǎn)可達(dá)9KM。3、一條PROFIBUS-DP 總線最多可以連接123 個(gè)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。目前全球有超過1200 家公司可以生產(chǎn)超過2000 種支持PROFIBUS 的產(chǎn)品，因此具有很強(qiáng)的開放性和可擴(kuò)展性。4、提供多種接口設(shè)備，用于將冗余DP 總線轉(zhuǎn)換成單DP總線和將冗余DP 總線轉(zhuǎn)換成PA 總線，可以將DP 總線

14、轉(zhuǎn)換成Asi 總線等，非常便于擴(kuò)展。5、PROFIBUS 同時(shí)可以支持PROFISAFE 協(xié)議，一條總線上既可以傳輸標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，也可以同時(shí)傳輸故障安全的信號(hào)。6、提供可用于危險(xiǎn)領(lǐng)域的接口模塊，可以支持在危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)用。實(shí)時(shí)性        采用PROFIBUS 總線的系統(tǒng)具有很高的實(shí)時(shí)性，這是由PROFIBUS 總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率高所決定的。PROFIBUS-DP 總線的傳輸速率可達(dá)12M，是目前通訊速率最高的現(xiàn)場總線。       

15、60;計(jì)算PROFIBUS-DP 總線的響應(yīng)時(shí)間可以按下面的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：t Cycle_DP = (317 x (nSlaves) + 11 x (nBytes) ) x Tbit 317 是一個(gè)常數(shù)，表示一個(gè)DP 從站建立通訊連接所需的數(shù)據(jù)位； 第一個(gè)N 表示整個(gè)PROFIBUS-DP 總線上的從站數(shù)量； 第二個(gè)N 表示整個(gè)PROFIBUS-DP 總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總數(shù)，單位為字節(jié)。        如果總線系統(tǒng)中還有PA 總線，則PA 總線的響應(yīng)時(shí)間為：t Cycle_PA-channel = (317 x

16、(nSlaves) + 8 x (nBytes) ) x Tbit        整個(gè)PROFIBUS-DP 系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為：t Cycle = t Cycle_PA-channel + t Cycle_DP + t Acylic        從上面的公式可以看到，一個(gè)典型的通過PA 總線連接的智能儀表的響應(yīng)時(shí)間為10ms，一個(gè)典型的通過PA 總線連接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間為15ms。一個(gè)PROFIBUS-DP 從站的響應(yīng)時(shí)間<

17、0.3ms。因此可以確定PROFIBUS 總線系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)的系統(tǒng)。PROFIBUS 現(xiàn)場總線系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)        在進(jìn)行PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需考慮如下問題： 需要什么樣的網(wǎng)絡(luò)功能是否用于過程自動(dòng)化是否需要安全協(xié)議是否通過總線連接驅(qū)動(dòng)設(shè)備等 是采用4-20 mA, 4-20mA/HART_ 還是采用數(shù)字設(shè)備通過PA 還是通過DP 連接用于安全領(lǐng)域還是危險(xiǎn)區(qū)域現(xiàn)場需要多長的電纜，長度限制是多少 需要哪些過程數(shù)據(jù)（是否需要設(shè)備狀態(tài)信息）需要什么樣的DP 主站接口，接口有什么樣的限制DP 從站有什么樣的限制要

18、求的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間是多少DP 響應(yīng)時(shí)間PA 響應(yīng)時(shí)間        當(dāng)用戶的要求清楚之后，我們就可以根據(jù)用戶的需求設(shè)計(jì)一套適用的解決方案。以一個(gè)新建電廠的補(bǔ)給水程控系統(tǒng)為例來簡單說明。        我們知道補(bǔ)給水系統(tǒng)由預(yù)處理系統(tǒng)、化學(xué)除鹽系統(tǒng)和酸堿系統(tǒng)構(gòu)成，主要工藝設(shè)備包括陰床、陽床、混床、酸堿箱、風(fēng)機(jī)、水泵等，主要測量儀表包括壓力變送器、差壓變送器、液位計(jì)、流量計(jì)、溫度、酸度計(jì)、堿度計(jì)、硅表、鈉表、濁度計(jì)等；另外還有大量的氣動(dòng)隔膜閥、

19、電機(jī)等。對于這樣的系統(tǒng)，我們可以采用PROFIBUS 總線來完成監(jiān)控任務(wù)。        對于這樣的系統(tǒng)，我們可以采用遠(yuǎn)程I/O 加智能DP/PA 儀表的方式來實(shí)現(xiàn)，我們采用IP65/67 防護(hù)等級(jí)的ET200X遠(yuǎn)程I/O 來采集陰床、陽床、混床、酸堿箱等設(shè)備的參數(shù)，        IP65/67 防護(hù)等級(jí)的ET200X 直接安裝在現(xiàn)場，同時(shí)ET200X 提供模塊化的閥島模塊和馬達(dá)模塊，可以集中監(jiān)控氣動(dòng)革膜閥和小型電機(jī)(<5.5K

20、W)。其他的電機(jī)可以通過SIMOCODE 連接到PROFIBUS-DP。所有的儀表( 溫度傳感器除外)都通過DP 或PA 總線連接到系統(tǒng)中。如下圖所示：        我們可以看到采用PROFIBUS-DP 的補(bǔ)給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡潔，但可以帶來很多好處：設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)視；基于設(shè)備狀態(tài)的檢修；儀表控制室集中校驗(yàn)；采用智能馬達(dá)控制器，簡化電控柜接線，并可監(jiān)控電機(jī)啟停次數(shù)；節(jié)省大量電纜；真正分布式控制；采用閥島模塊可以實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)革膜閥的集中控制，節(jié)約壓縮空氣；縮短安裝周期，提前投入運(yùn)行等應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景 

21、60;      PROFIBUS-DP 是由國際知名的自動(dòng)化公司， 如：SIEMENS、ABB 等公司研發(fā)的，完全是為了滿足工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，并且在各行業(yè)特別是冶金、石化、市政、等行業(yè)都有很多應(yīng)用。        電力行業(yè)是一個(gè)自動(dòng)化程度非常高的行業(yè)，如主機(jī)DCS系統(tǒng)、脫硫DCS 系統(tǒng)以及主要輔機(jī)程控系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都存在可靠性要求高、監(jiān)控設(shè)備和對象多而復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)。特別是主機(jī)DCS 系統(tǒng)，涉及數(shù)百臺(tái)壓力和差壓變送器，數(shù)百臺(tái)電

22、動(dòng)或啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，數(shù)百個(gè)溫度測點(diǎn)，系統(tǒng)要進(jìn)行復(fù)雜的閉環(huán)控制、串級(jí)控制、三沖量控制、比率控制，要進(jìn)行設(shè)備連鎖控制，要進(jìn)行復(fù)雜的鍋爐燃燒管理、機(jī)爐協(xié)調(diào)控制。所有這些都需要有高可靠性的控制系統(tǒng)來保證整個(gè)生產(chǎn)過程的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。        隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)和日臻成熟和電廠信息化要求的提高，基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)將為電力行業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)提供更好的選擇。        目前制約基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)在電廠應(yīng)用主要問題，筆者認(rèn)為主要包

23、括以下幾個(gè)方面：支持現(xiàn)場總線的智能設(shè)備造成初期投資的提高；有些設(shè)備和儀表不帶總線接口；哪些設(shè)備、儀表信息可以傳送；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何變化，如何構(gòu)筑一個(gè)基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)；通訊是否可靠；設(shè)備選型的局限性等        對于用戶的這些疑問，我們實(shí)際上在前面已經(jīng)多有論述，下面針對上海某化工廠CO 回收裝置自控系統(tǒng)投資情況進(jìn)行一下比較分析。        從上表可以看出，造成硬件成本升高的主要因素是自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備成本提高約10%，PA 儀表成本

24、升高約10%。但是可以大幅減少電纜橋架、控制電纜等附件的費(fèi)用，同時(shí)可以大幅降低安裝施工和自控系統(tǒng)的安裝調(diào)試費(fèi)用，縮短工期。        對于新建電廠，我認(rèn)為選用帶總線接口的儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變頻器、智能馬達(dá)控制器、閥門定位器等的條件已經(jīng)成熟，因?yàn)楹芏嘀膬x表、設(shè)備制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON 等都可以提供多種可供選擇的成熟的帶總線接口的系統(tǒng)和設(shè)備，而且價(jià)格也越來越與常規(guī)智能設(shè)備接近。而且基于HART 協(xié)議連接變送器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)在很多電廠獲得應(yīng)用，在集中校驗(yàn)、提高采集精度等方面取得用戶的好評(píng)。而現(xiàn)

25、場總線是比HART 協(xié)議更全面的總線，因此具有更好的應(yīng)用前景。在新建電廠的DCS、FGD DCS 和輔機(jī)程控系統(tǒng)都可以采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)，并且已經(jīng)有很多非常成功的應(yīng)用。        對于老電廠的改造系統(tǒng)，由于大量采用非智能儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，全面更換、更新可能性很小，對于這樣的系統(tǒng)，PROFIBUS 也可以提供很好的解決方案?？梢圆捎眠h(yuǎn)程I/O 的方式，通過常規(guī)I/O 模塊采集非智能儀表的信號(hào)，然后通過PROFIBUS-DP 總線連接到中央控制器。儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以按設(shè)備生命周期逐批更換。部分應(yīng)用實(shí)例 

26、60;      PROFIBUS 在電力行業(yè)最典型的應(yīng)用是德國尼德豪森電廠2X950MW 機(jī)組的DCS 系統(tǒng)。德國尼德豪森電廠隸屬于德國RWE 電力公司，該電廠K 機(jī)組采用了熱電聯(lián)產(chǎn)方式，總出力達(dá)到1012MW，由于采用了過程優(yōu)化技術(shù)，整個(gè)機(jī)組的效率達(dá)到了45%。K 機(jī)組為超超臨界機(jī)組，主汽溫度為580，主汽壓力達(dá)到27MPA。整個(gè)機(jī)組的DCS 系統(tǒng)中由于采用了PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備智能化，設(shè)備狀態(tài)和狀態(tài)信息都能通過總線傳輸?shù)紻CS 系統(tǒng)中，是目前全球范圍智能化程度最高，采用總線技術(shù)最全面，裝機(jī)容量最大的機(jī)組。        除了DCS 系統(tǒng)之外，西門子公司還提供了汽機(jī)的DEH 系統(tǒng)、智能儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、SIS、MIS、馬達(dá)保護(hù)裝置等