PROFIBUSFIBUS DP/PADP/PA現(xiàn)場總線技術(shù)在水泥工業(yè)中的應(yīng)用

谷強(qiáng)，于晶

1 引言

現(xiàn)場總線是一種連接現(xiàn)場設(shè)備與控制器或監(jiān)視器的雙向通訊系統(tǒng)。同時(shí)它也是一種網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⑦^程自動化設(shè)備集成到統(tǒng)一的系統(tǒng)中，由于其位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低層，也稱為低層控制網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線與工廠現(xiàn)場設(shè)備直接連接，一方面將現(xiàn)場測量控制設(shè)備互聯(lián)為通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段、不同現(xiàn)場通信設(shè)備的信息共享；另一方面又將現(xiàn)場運(yùn)行的各種信號傳到遠(yuǎn)離現(xiàn)場的控制室，并進(jìn)一步與操作終端、上層控制管理網(wǎng)絡(luò)連接和信息共享?，F(xiàn)場總線既可以將一個現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)以及故障信息等送往控制室，又可將各種控制、維護(hù)、組態(tài)命令甚至現(xiàn)場設(shè)備的工作電源等送往各相關(guān)的現(xiàn)場設(shè)備，從而溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設(shè)備之間及其更高控制管理層之間的聯(lián)系。

水泥工業(yè)主要由生料制備、燒成系統(tǒng)及水泥粉磨等過程組成，簡稱“兩磨一燒”。水泥生產(chǎn)是一個高溫、負(fù)壓的生產(chǎn)過程，存在大量的溫度、壓力、流量、閥門開度等模擬量點(diǎn)，且分布不集中。國內(nèi)現(xiàn)有的水泥工業(yè)控制系統(tǒng)主要采用DCS控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)截止于過程控制站，過程控制站和現(xiàn)場儀表之間是一對一模擬信號傳輸，這需要全廠大范圍的布線，在現(xiàn)場條件下的干擾問題更顯得突出；另一方面，水泥生產(chǎn)線上的設(shè)備和儀表由不同生產(chǎn)廠家提供，這給系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)、擴(kuò)展、升級帶來了很大不便。由此可見，PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)對進(jìn)一步提高水泥工業(yè)控制水平有顯著的作用。

2 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)

PROFIBUS是德國標(biāo)準(zhǔn)（DIN19245）和歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN50170）的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6Kbit/s下為1200m，在12Mbit/s下為200m，可采用中繼器延長至10km，傳輸介質(zhì)為雙絞線或光纜，最多可掛接127個站點(diǎn)。它能滿足所有現(xiàn)場總線的定義，是唯一能提供全解決方案的現(xiàn)場總線。

2.1 組成

PROFIBUS由三個兼容部分組成，即 PROFIBUS-DP、PROFIBUSPA和PROFIBUS-FMS。

（1）PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFI?BUS-DP可取代24VDC或4～20mADC信號傳輸。

（2）PROFIBUS-PA專為過程自動化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連在一根總線上，并有本征安全規(guī)范?？赏ㄟ^總線給現(xiàn)場設(shè)備供電。

（3）PROFIBUS-FMS用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。

2.2 傳輸技術(shù)

PROFIBUS提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型：

（1）用于DP和FMS的RS-485傳輸：為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚€性總線；傳輸速率：9.6bit/s～12Mbit/s；采用屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件；不帶中繼時(shí)每分段32個站，帶中繼時(shí)最多到127個站。

FLP-5型流化床包衣機(jī)（常州市佳發(fā)制粒干燥設(shè)備有限公司）；BT-300型蠕動泵（重慶杰恒蠕動泵有限公司）；BS400S-WE1型電子天平（德國Sartorius公司）；6890型氣相色譜儀，包括氫火焰離子化檢測器等（美國Agilent公司）；KQ-600DE型超聲波清洗儀（昆山市超聲儀器有限公司）。

（2）用于PA的IEC1158-2傳輸：數(shù)字式、位同步數(shù)據(jù)傳輸；傳輸速率31.25Kbit/s，電壓式；采用雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式；可通過數(shù)據(jù)線遠(yuǎn)程電源供電；能進(jìn)行本征及非本征安全操作；每段32個站,總數(shù)最多到126個站；最多可擴(kuò)展至4臺中繼器。

（3）光纖：在電磁干擾很大的環(huán)境下可使用光纖導(dǎo)體，以增加高速傳輸?shù)木嚯x。許多廠商提供專用總線插頭，可將RS-485信號轉(zhuǎn)換成光纖導(dǎo)體信號，或?qū)⒐饫w導(dǎo)體信號轉(zhuǎn)換成RS-485信號。

2.3 配置形式

（1）總線接口型：現(xiàn)場設(shè)備不具備PROFIBUS接口，采用分散式I/O作為總線接口與現(xiàn)場設(shè)備連接。這種模式設(shè)備成本低,在水泥工業(yè)DCS控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多，西門子PCS7系統(tǒng)中I/O模塊與PLC間即為PRO?FIBUS-DP協(xié)議傳輸。

（2）單一總線型:現(xiàn)場設(shè)備都具有PROFIBUS接口，適用現(xiàn)場總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完全的分布結(jié)構(gòu)，這種方案設(shè)備成本較高，應(yīng)用較少。

（3）混合型:現(xiàn)場設(shè)備部分具有PROFIBUS接口，應(yīng)采用PROFIBUS現(xiàn)場設(shè)備加分散式I/O混合使用的辦法，是一種靈活的集成方案。

3 應(yīng)用

3.1 PROFIBUS-DP

PROFIBUS-DP是典型PROFI?BUS網(wǎng)絡(luò)的支柱，它能夠連接驅(qū)動裝置、馬達(dá)啟動器、數(shù)字I/O和PROFI?BUS-PA網(wǎng)段。過程工業(yè)中，除了有常見的模擬和數(shù)字I/O信號，越來越多的變頻信號也加入其中。工廠自動化主要使用離散（數(shù)字）輸入輸出設(shè)備，PROFIBUS-DP連接遠(yuǎn)程I/O設(shè)備和驅(qū)動設(shè)備。

采用RS-485作為物理層的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中，一個網(wǎng)段不能超過32個節(jié)點(diǎn)，超出后信號將衰減到不可讀的程度。節(jié)點(diǎn)必須是菊花鏈路連接即串級連接，這樣當(dāng)其中一個設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)不會影響其他設(shè)備的運(yùn)行。每個網(wǎng)段必須有終端電阻，PROFIBUS使用有源終端電阻，包括上拉電阻和下拉電阻用以偏置網(wǎng)絡(luò)。偏置網(wǎng)絡(luò)有助于提高信號信噪比，因?yàn)樗岣吡诵盘栙|(zhì)量，這對任意波特率都有好處。每個PRO?FIBUS-DP接口不要超過125個直接尋址設(shè)備。在主站和任何現(xiàn)場設(shè)備之間的中繼器不要超過9個。每一網(wǎng)段的長度與波特率相匹配。遵循推薦的接地習(xí)慣。按最大波特率設(shè)計(jì)，但實(shí)際運(yùn)行在盡可能低的波特率。

PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)在水泥工業(yè)中應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由過程監(jiān)控層和現(xiàn)場控制層組成。過程監(jiān)控層，將來自現(xiàn)場的信息送往中控室，置入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行控制與優(yōu)化計(jì)算，并集中顯示，操作員可根據(jù)顯示器所顯示的數(shù)據(jù)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，由傳輸速度較快的以太網(wǎng)組成，各種現(xiàn)場總線可通過通信控制器或PC接口與過程控制層交換數(shù)據(jù)。現(xiàn)場控制層，PROFIBUS現(xiàn)場總線通過I/O模塊與工廠設(shè)備連接，現(xiàn)場設(shè)備通過現(xiàn)場控制層將數(shù)據(jù)傳送至現(xiàn)場總線，是工廠信息網(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)的底層。某些對信息系統(tǒng)要求較高的工廠，在過程監(jiān)控層上還會設(shè)立生產(chǎn)管理層，以解決工廠的生產(chǎn)、調(diào)度、計(jì)劃、銷售、庫存和財(cái)務(wù)等問題，它是工廠局域網(wǎng)絡(luò)的上層，一般由關(guān)系數(shù)據(jù)庫收集整理這些來自各部門的各類信息并進(jìn)行綜合處理，由以太網(wǎng)組成，最終實(shí)現(xiàn)CIMS系統(tǒng)。

3.2 PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA是指在DP-V1協(xié)議發(fā)布時(shí)加入的一系列PROFI?BUS規(guī)范，目的是使PROFIBUS協(xié)議更適合在過程工業(yè)使用。PROFI?BUS-PA使用的是IEC 61158-2標(biāo)準(zhǔn)中的曼徹斯特編碼（MBP）總線供電物理層。因?yàn)檫^程自動化主要是模擬量輸入輸出設(shè)備，PROFIBUS-PA被加入了許多特性，以便其很容易地將許多單功能的模擬量設(shè)備連接到專用物理層。

PROFIBUS-PA主站系統(tǒng)通過DP/PA link連接到PROFIBUS-DP主站系統(tǒng)（見圖2）。DP/PA link經(jīng)接口模塊連接到PROFIBUS-PA主站。底層的PROFIBUS-PA現(xiàn)場設(shè)備經(jīng)DP/PA耦合器連接到DP/PA link。這意味著DP/PA link創(chuàng)建了一個從PRO?FIBUS-DP主站系統(tǒng)到PROFIBUSPA主站系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)。

圖1 水泥廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 PROFIBUS-PA儀表連接圖

圖3 PROFIBUS-PA儀表設(shè)計(jì)簡圖

圖3為東方希望4800t/d熟料生產(chǎn)線窯尾車間溫度、壓力傳感器通過現(xiàn)場接線盒串聯(lián)到DP/PA coupler上，模擬信號經(jīng)過DP/PA coupler接入現(xiàn)場總線控制器，并最終傳輸進(jìn)系統(tǒng)，在一條總線上的每一塊PA儀表都有其唯一的地址，這個地址相當(dāng)于這塊PA儀表的“身份證”，DCS系統(tǒng)現(xiàn)場控制站通過此“身份證”來掃描和讀取PA儀表的信息。

在PROFIBUS-PA總線情況下，儀表成為系統(tǒng)的一部分，控制工程師可以對儀表進(jìn)行完全的控制。從工程師的觀點(diǎn)看，現(xiàn)在儀表和控制系統(tǒng)之間已經(jīng)沒有區(qū)別，儀表和系統(tǒng)成為一個整體。將儀表作為控制系統(tǒng)的一部分是一個重大的轉(zhuǎn)變，它賦予了儀表一個新的職責(zé)，而之前這個職責(zé)只保留給控制系統(tǒng)。這些改變帶來了很多好處，同時(shí)也帶來了挑戰(zhàn)。

工廠設(shè)備檢修、工藝參數(shù)改變時(shí)都需要對儀表進(jìn)行校驗(yàn)。總線儀表的校驗(yàn)概念和模擬儀表是不同的，對模擬儀表來說，其校驗(yàn)和量程設(shè)定使用的是同一組電位器，可以說校驗(yàn)和量程設(shè)定是等價(jià)的，但對于總線儀表來說,校驗(yàn)是指對傳感器的讀數(shù)和物理輸出進(jìn)行校正，檢查是否符合已知標(biāo)準(zhǔn)?？偩€儀表進(jìn)行校準(zhǔn)和模擬儀表一樣必須施加標(biāo)準(zhǔn)參考源。而量程設(shè)定是不需要施加參考源的，僅僅是在測量值需要運(yùn)算時(shí)才進(jìn)行的，不影響原始測量值的讀數(shù)。

4 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

一般來說PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，將在工廠的整個生命周期內(nèi)提高效率，節(jié)省費(fèi)用。其更關(guān)鍵的優(yōu)勢是：

（1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)/安裝

沒有現(xiàn)場總線，每一個現(xiàn)場設(shè)備至少需要一組電纜。許多現(xiàn)場設(shè)備可能需要更多的電纜?，F(xiàn)場總線的應(yīng)用結(jié)束了很多電纜一起運(yùn)行的狀況。PROFIBUS能夠?qū)⒍鄺l電纜減少至一根，電纜減少將節(jié)省安裝費(fèi)用和物理空間。

（2）快速調(diào)試

對4～20mA設(shè)備，最終用戶需在現(xiàn)場設(shè)備和控制設(shè)備中調(diào)整量程，現(xiàn)場設(shè)備和控制器中量程必須匹配。使用PROFIBUS，模擬輸入和輸出模塊從控制器中移入了現(xiàn)場設(shè)備中，最終用戶只需要在一個地方進(jìn)行量程調(diào)整。

（3）更高精度

對于4～20mA 儀表，應(yīng)用PROFI?BUS-DP/PA現(xiàn)場總線技術(shù)，可直接將4～20mA信號通過DP/PA耦合器傳輸?shù)娇刂破鲀?nèi)，這樣可減少傳輸過程中可能造成的精度損失。

（4）可靠的過程變量確認(rèn)

沒有雙向制通訊，控制器可能不能判斷過程變量出錯。恰當(dāng)?shù)耐ㄓ嵎绞綄⒈ＷC生產(chǎn)安全進(jìn)行，這也是工廠資產(chǎn)管理的關(guān)鍵組成部分。

（5）能夠進(jìn)行工廠資產(chǎn)管理

工廠資產(chǎn)管理給投資帶來越來越多的益處。傳統(tǒng)情況下，過程自動化的資產(chǎn)管理主要專注于儀表。PROFIBUS擴(kuò)展了這種定義而將各種設(shè)備包含進(jìn)來，如計(jì)算機(jī)、網(wǎng)關(guān)、控制器、電機(jī)、機(jī)械和儀表等。PROFI?BUS的雙向通訊是能夠提高工廠資產(chǎn)回報(bào)率的重要手段。

5 結(jié)語

在水泥工業(yè)中應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，不僅可以節(jié)省硬件數(shù)量與投資，節(jié)省開銷，提高水泥工廠的自動化控制水平，提高工廠運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性，并能提高生產(chǎn)效率，使單元級控制系統(tǒng)進(jìn)入一個新的開放式分布分散智能化控制系統(tǒng)的階段?，F(xiàn)場總線技術(shù)的使用，實(shí)現(xiàn)了功能分布、位置分布真實(shí)的開放式分布系統(tǒng)。

[1]James Powell,P.Eng.Henry Vandelinde.Catching the Process Field bus用于過程自動化的PROFIBUS介紹[M]Ph.D,燕愛利.譯.

[2]周志敏.PROFIBUS總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社.