基于PROFIBUS的工業(yè)以太網(wǎng)在海水淡化中的應(yīng)用

鄒智慧 楊帥

[摘要]本文基于PROFIBUS的工業(yè)以太網(wǎng)在海水淡化中的應(yīng)用，簡(jiǎn)單分析了海水淡化是未來生活中重要性。重點(diǎn)介紹了PROFIBUS的基本概念、分類及其特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了PROFIBUS在海水淡化裝置中的應(yīng)用，并對(duì)PROFIBUS的通信協(xié)議進(jìn)行說明。

[關(guān)鍵詞]海水淡化PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線

一、引言

地球表面2/3的面積被水覆蓋，但水儲(chǔ)量的97％為海水和苦咸水，這些水是很豐富的。但是，人類要利用海水必須經(jīng)過淡化，隨著人類數(shù)量的不斷增加和環(huán)境污染，人類所用直接使用的淡水資源越來越少，所以海水淡化意義重大。目前，全世界有一百二十多個(gè)國(guó)家和地區(qū)采用海水或苦咸水淡化技術(shù)取得淡水。海水淡化，事實(shí)上已經(jīng)成為世界許多國(guó)家解決缺水問題，普遍采用的一種戰(zhàn)略選擇，其有效性和可靠性已經(jīng)得到越來越廣泛的認(rèn)同。然而海水淡化過程自動(dòng)控制系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，受外界環(huán)境的變化影響很大，因此基于PROFIBUS的工業(yè)以太網(wǎng)在海水淡化裝置中的應(yīng)用現(xiàn)已成為一項(xiàng)重要的科研課題。

二、 PROFIBUS的簡(jiǎn)述

PROFIBUS的全名是Process Field Bus，PROFIBUS是一種具有國(guó)際化、開放式以及不依賴設(shè)備生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，其廣泛適用于化工生產(chǎn)、過程工業(yè)及其自動(dòng)化控制和電力、樓宇等其他領(lǐng)域。開始PROFIBUS只包含兩部分，PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery)和PROFIBUS-FMS(Field bus Message Specification)。1994年推出PROFIBUS-PA(Process Automation)。從而可以在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域內(nèi)連接本質(zhì)安全型通過總線饋電的現(xiàn)場(chǎng)儀表，這使PROFIBUS更加完善。PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信，常應(yīng)用于MCU與外設(shè)之間的通信，使用它可取代4-20mA直流信號(hào)傳輸；PROFIBUS-FMS是一種現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，用分散式數(shù)字控制的，可應(yīng)用于生產(chǎn)車間及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，從而為解決工廠綜合自動(dòng)化到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供可行的方案；PROFIBUS-PA專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上。

三、PROFIBUS的特點(diǎn)

與其它現(xiàn)場(chǎng)總線相比，PROFIBUS具有穩(wěn)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)EN50170作保證以及實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有其普遍性。在原則方面上，PROFIBUS協(xié)議可在任何微處理器上都得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)微處理器內(nèi)部或者外部安裝異步串行通信接口就可以完成，但是當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率大于500K bit/s或者需要配合使用IEC1158-2傳輸技術(shù)時(shí)，建議使用其PROFIBUS協(xié)議專用芯片。PROFIBUS傳送速度在 9.6kbaud～12Mbaud范圍內(nèi)啟動(dòng)總線系統(tǒng)必須設(shè)置成相同的速度。PROFIBUS協(xié)議廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)、制造業(yè)自動(dòng)化和過程工業(yè)及其自動(dòng)化控制和電力、樓宇、流程工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

除以之外，在海水談化過程中應(yīng)用PROFIBUS還具有以下特點(diǎn)：

(1)PROFIBUS主要采用實(shí)時(shí)通信的方法，應(yīng)用以太網(wǎng)交換技術(shù)、流量控制和全雙工通信等技術(shù)，采用了確定性數(shù)據(jù)通信調(diào)度控制，并簡(jiǎn)化通信棧軟件的層次以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)等等相應(yīng)措施，同時(shí)針對(duì)工業(yè)過程控制的通信實(shí)時(shí)性，使以太網(wǎng)通信實(shí)時(shí)性得以提高。

(2)PROFIBUS采用直流電源耦合和電源冗余管理的技術(shù)給總線供電，設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)集線器能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)供電或總線供電，充分解決了以太網(wǎng)總線的供電問題。

(3)以太網(wǎng)的遠(yuǎn)距離傳輸采用控制區(qū)域微網(wǎng)段化、網(wǎng)絡(luò)分層、網(wǎng)絡(luò)超小時(shí)滯中繼以及光纖等技術(shù)。

(4)網(wǎng)絡(luò)安全采用控制區(qū)域微網(wǎng)段化，實(shí)現(xiàn)各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間邏輯上的網(wǎng)絡(luò)隔離，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了各控制區(qū)域通過網(wǎng)絡(luò)隔離和安全過濾的現(xiàn)場(chǎng)控制器與系統(tǒng)主干相連。

(5)主要設(shè)計(jì)采用分散結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)、冗余、EMC的設(shè)計(jì)、自行診斷等可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，大大提高了基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可靠性。

四、 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)

海水淡化的最早方式是采用低溫多效蒸餾，多效蒸餾裝置，主要是利用每一略低的溫度和壓力下，蒸發(fā)冷凝管通過重復(fù)蒸發(fā)和冷凝，給低等級(jí)的輸入定量的蒸汽生產(chǎn)大量的蒸餾水。海水淡化首先把生蒸汽引入第一效蒸發(fā)器，此時(shí)蒸發(fā)管內(nèi)的生蒸汽在管內(nèi)開始冷凝，而管外海水產(chǎn)生與冷凝量基本相等的二次蒸汽。然后，將這些二次蒸汽引入下一蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，并且在下一效蒸發(fā)器中冷凝為蒸餾水。由于第二效的操作壓力要比第一效低，二次蒸汽必須經(jīng)過汽液分離器后才能進(jìn)入下一效傳熱管。蒸發(fā)與冷凝過程在多效蒸餾裝置中不斷重復(fù)，每效均可以產(chǎn)生基本等量的蒸餾水，進(jìn)入最后一效的蒸汽在冷凝器中被海水冷凝。然后第一裝置的冷凝液返回到蒸汽發(fā)生器中，其余裝置的冷凝液進(jìn)入產(chǎn)品水罐中，各效裝置的產(chǎn)品水罐相連從而得到所需要產(chǎn)品。

海水淡化控制過程是變化緩慢的動(dòng)態(tài)過程，但其有些龐大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量，且系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的變化要做出快速的響應(yīng)，PROHBUS現(xiàn)場(chǎng)總線滿足海水淡化過程的快速響應(yīng)和數(shù)據(jù)交換量的要求，PROHBUS是開放式現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。海水淡化控制系統(tǒng)根據(jù)全集成自動(dòng)化的思想分為幾個(gè)部分：系統(tǒng)工作電源、管理級(jí)、控制級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和監(jiān)控部分。

五、總結(jié)

隨著人類迅速的發(fā)展，淡水資源的減少，海水淡化工程將是人類生存的重要工程，基于PROFIBUS的工業(yè)以太網(wǎng)在海水淡化裝置中的應(yīng)用現(xiàn)已成為一項(xiàng)重要的科研課題，通過對(duì)PROFIBUS的工業(yè)以太網(wǎng)在海水淡化過程中的應(yīng)用，可以提高系統(tǒng)的控制過程，將復(fù)雜的生產(chǎn)過程，通過PROFIBUS的工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)蒸餾過程所有裝置高度集成自動(dòng)化控制。是未來工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的趨勢(shì)。