工业总线技术应用

现场总线技术 PROFIBUS 在电厂的应用

    安装在制造或过程区域的现场设备与控制室内的自控装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。由于现场总线技术的出现，推动了现场智能设备和智能仪表的发展，促进了传统 DCS 系统和 PLC 系统的融合，并推动了 FCS  （以现场设备为基础形成的网络集成式全分布控制系统）的出现、发展和广泛应用。

自现场总线概念提出以来，全球各大知名自控和仪表公司开发了数十种现场总线，目前在全球范围内被广泛认可的现场总线系统包括：PROFIBUS、FF、ControlNet、PROFINET、P-NET 等十大总线系统。

随着电力改革的深入，实行厂网分开、竞价上网的政策，各电厂为降低运行成本、减少设备检修维护成本、缩短维护周期、实行状态检修，就需要对设备状态进行监视，并将各工艺段自动化系统整和在一起。现场总线系统的出现，彻底解决了自动化孤岛问题，使电厂基于设备状态的检修成为可能。

PROFIBUS 现场总线系统介绍

    PROFIBUS  是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的和应用最广泛的现场总线标准。

    PROFIBUS 现场总线通讯协议包括三个主要部分：

    ? PROFIBUS-DP：主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于自动化系统中单元级和现场级通信。

    ? PROFIBUS-PA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。

    ? PROFIBUS-FMS：定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换

    采用 PROFIBUS 现场总线的自动化系统结构：

采用 PROFIBUS 现场总线的控制系统可以分成现场控制层、监控层和 企业管理层三层。

现场控制层

    现场控制层由现场智能设备、现场智能仪表、远程 I/O 和网络设备构成。现场控制涉及PROFIBUS 协议 PROFIBUS-DP 和 PROFIBUS-PA 两个部分。

    PROFIBUS-DP 是高速网络，通讯速率达到 12M。PROFIBUS-DP 可以连接远程 I/O、执行机构、智能马达控制器、人机界面 HMI 、阀门定位器、变频器等智能设备，一条 PROFIBUS-DP  总线可以最多连接 123 个从站设备。PROFIBUS-DP  的拓扑结构可以是总线型、星型和树型，通讯介质可以是屏蔽双绞线、光纤，也支持红外传输，采用双绞线时，不加中继器最远通讯距离可达 1.2 公里，最多可以采用 9 个中继器，最远通讯距离可达 9 公里。采用光纤时，最远通讯距离可达 100 公里以上，其中采用多膜光纤，两点间最远距离可达 3 公里，采用单膜光纤时，两点间最远距离可达 3 公里。

    PROFIBUS-PA  是低速现场级网络，通讯速率为 31.25kb/s，支持点对点连接、总线型、混合型、树型拓扑结构。PROFIBUS-PA 主要用于连接现场智能仪表，如压力、温度、液位、流量等变送器及其执行机构等。可以采用屏蔽双绞线电缆，也可采用非屏蔽双绞线电缆，可通过总线供电。

监控层

    监控层由高速工业以太网以及连接在总线上的担任监控作务的工作站或显示操作站、工程师站、PLC/DCS  控制器组成。随着网络技术的不断发展，工业以太网的通讯速率也在不断提高，目前工业级的千兆以太网已经在工业自动化领域大量应用。

企业管理层

    企业管理层由各种服务器和客户机组成，主要由 SIS、MIS 和 ERP 系统构成。其主要目的是在分布式网络环境下，将电厂各工艺段（例如 DCS  系统、辅机程控系统等）的数据和信息（如过程数据、报警信息和设备状态等）进行汇总，从而集成企业的各种信息，实现与Internet  的连接，完成管理、决策和商务应用的各种功能。通过管理层，公司和集团领导可以实时监控现场设备，并通过授权还可以对各系统进行组态。

PROFIBUS 现场总线系统的优点

开放性

    PROFIBUS  是一个完全开放的、与制造商无关的、无知识产权保护的现场总线标准，全球有超过 250 家公司可以生产超过 2000 种支持 PROFIBUS 的系统和设备。PROFIBUS 的开放性保证了不同制造厂商的产品的互连，例如西门子公司的 DCS或 PLC可以通过PROFIBUS 连接第三方的远程 I/O、智能设备和仪表，这些连接只需要产品制造商提供相应的 GSD 文件或 EDD文件，然后进行简单组态即可实现。目前国际知名的自动化系统制造商如： SIEMENS、ABB、EMERSON  等和知名的仪表制造商如：SIEMENS、EMERSON  等都可以 提供丰富的支持 PROFIBUS 的产品。在电力行业知名的 DCS 制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON、FOXBORO 等都支持 PROFIBUS 现场总线，知名的 PLC 品牌如：SIEMENS、MODICON、AB 也都可以支持 PROFIBUS 总线。

可靠性

    PROFIBUS  现场总线已安装运行节点数超过 1000 万个，大大高于其它现场总线系统。

PROFIBUS 是 IEC61158 的重要组成部分，并于 2001 年成为中国的行业标准 JB/T10308.3-2001。PROFIBUS 的可靠性表现在以下几个方面：

    ? PROFIBUS  总线上的数据传输是完全基于数字信号实现的，这样可以大幅提高信号传输过程中的抗干扰能力。

    ? 采用 PROFIBUS总线直接连接现场智能设备，可以减少大量接线点，减少了由于接线不牢或接线不规范引起的故障。

    ? PROFIBUS  连接智能设备，减少了 A/D  转换的环节，提高了自动化系统的采集精度，为控制提供保障。

 ? PROFIBUS  上各设备的连接非常简单，并可以通过专用剥线工具和PROFIBUS接头，减少接线风险；同时 PROFIBUS 接头可以保证总线上任何一个节点故障不影响系统通讯。

    ? 支持冗余总线系统，提高系统可靠性。

灵活扩展

    采用 PROFIBUS 总线结构的控制系统，扩展非常方便灵活，主要表现在以下几个方面：

    ? 拓扑结构灵活，可以支持总线型、星型、树型、冗余环型等多种拓扑结构。

    ? 支持光纤和双绞线作为通讯介质，采用多模光纤时，两个光电模块间的距离可达3KM，采用单模光纤时，两个光电模块间的距离可达 26KM；采用双绞线不加中继的最远通讯距离可达1KM，采用中继时最远可达9KM。

    ? 一条 PROFIBUS-DP 总线最多可以连接 123 个 DP 从站，所有满足 PROFIBUS-DP通讯规约的设备都可以连接到系统中。目前全球有超过 1200 家公司可以生产超过2000 种支持 PROFIBUS 的产品，因此具有很强的开放性和可扩展性。

    ? 提供多种接口设备，用于将冗余 DP 总线转换成单 DP 总线和将冗余 DP 总线转换成PA 总线，可以将 DP 总线转换成Asi 总线等，非常便于扩展。

    ? PROFIBUS  同时可以支持 PROFIsafe 协议，一条总线上既可以传输标准数字信号，也可以同时传输故障安全的信号。

    ? 提供可用于危险领域的接口模块，可以支持在危险区域的应用。

实时性

    采用 PROFIBUS 总线的系统具有很高的实时性，这是由 PROFIBUS 总线系统的数据传输速率高所决定的。PROFIBUS-DP  总线的传输速率可达 12M，是目前通讯速率的现场总线。 一个典型的通过 PA  总线连接的智能仪表的响应时间为 10ms，一个典型的通过 PA 总线连接的执行机构的响应时间为 15ms。一个 PROFIBUS-DP 从站的响应时间<0.3ms。 因此可以确定PROFIBUS 总线系统是一个实时的系统。

    对于新建电厂，我认为选用带总线接口的仪表、执行机构、变频器、智能马达控制器、阀门定位器等的条件已经成熟，因为很多知名的仪表、设备制造商如：SIEMENS 、ABB 、 EMERSON  等都可以提供多种可供选择的成熟的带总线接口的系统和设备，而且价格也越来 越与常规智能设备接近。而且基于 HART 协议连接变送器的结构已经在很多电厂获得应用，在集中校验、提高采集精度等方面取得用户的好评。而现场总线是比 HART 协议更全面的总线，因此具有更好的应用前景。在新建电厂的DCS、FGD   DCS 和辅机程控系统都可以采用现场总线系统，并且已经有很多非常成功的应用。

    对于老电厂的改造系统，由于大量采用非智能仪表和执行机构，全面更换、更新可能性很小，对于这样的系统，PROFIBUS 也可以提供很好的解决方案。可以采用远程 I/O 的方式，通过常规 I/O 模块采集非智能仪表的信号，然后通过 PROFIBUS-DP 总线连接到中央控制器。仪表和执行机构可以按设备生命周期逐批更换。