基于PROFIBUS的工業以太網在海水淡化中的應用

鄒智慧 楊帥

[摘要]本文基于PROFIBUS的工業以太網在海水淡化中的應用，簡單分析了海水淡化是未來生活中重要性。重點介紹了PROFIBUS的基本概念、分類及其特點，詳細闡述了PROFIBUS在海水淡化裝置中的應用，并對PROFIBUS的通信協議進行說明。

[關鍵詞]海水淡化PROFIBUS現場總線

一、引言

地球表面2/3的面積被水覆蓋，但水儲量的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過淡化，隨著人類數量的不斷增加和環境污染，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國家和地區采用海水或苦咸水淡化技術取得淡水。海水淡化，事實上已經成為世界許多國家解決缺水問題，普遍采用的一種戰略選擇，其有效性和可靠性已經得到越來越廣泛的認同。然而海水淡化過程自動控制系統相對比較復雜，受外界環境的變化影響很大，因此基于PROFIBUS的工業以太網在海水淡化裝置中的應用現已成為一項重要的科研課題。

二、 PROFIBUS的簡述

PROFIBUS的全名是Process Field Bus，PROFIBUS是一種具有國際化、開放式以及不依賴設備生產的現場總線標準，其廣泛適用于化工生產、過程工業及其自動化控制和電力、樓宇等其他領域。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的區域內連接本質安全型通過總線饋電的現場儀表，這使PROFIBUS更加完善。PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信，常應用于MCU與外設之間的通信，使用它可取代4-20mA直流信號傳輸；PROFIBUS-FMS是一種現場通信網絡，用分散式數字控制的，可應用于生產車間及監控網絡，同時可實現現場設備層到車間級的網絡監控，從而為解決工廠綜合自動化到現場設備智能化提供可行的方案；PROFIBUS-PA專為過程自動化設計，可使傳感器和執行機構聯在一根總線上。

三、PROFIBUS的特點

與其它現場總線相比，PROFIBUS具有穩定的國際標準，并經EN50170作保證以及實際應用驗證具有其普遍性。在原則方面上，PROFIBUS協議可在任何微處理器上都得以實現。同時微處理器內部或者外部安裝異步串行通信接口就可以完成，但是當數據傳輸速率大于500K bit/s或者需要配合使用IEC1158-2傳輸技術時，建議使用其PROFIBUS協議專用芯片。PROFIBUS傳送速度在 9.6kbaud～12Mbaud范圍內啟動總線系統必須設置成相同的速度。PROFIBUS協議廣泛應用于化工生產、制造業自動化和過程工業及其自動化控制和電力、樓宇、流程工業自動化等領域。

除以之外，在海水談化過程中應用PROFIBUS還具有以下特點：

(1)PROFIBUS主要采用實時通信的方法，應用以太網交換技術、流量控制和全雙工通信等技術，采用了確定性數據通信調度控制，并簡化通信棧軟件的層次以及現場設備層網絡等等相應措施，同時針對工業過程控制的通信實時性，使以太網通信實時性得以提高。

(2)PROFIBUS采用直流電源耦合和電源冗余管理的技術給總線供電，設計了以太網集線器能實現網絡供電或總線供電，充分解決了以太網總線的供電問題。

(3)以太網的遠距離傳輸采用控制區域微網段化、網絡分層、網絡超小時滯中繼以及光纖等技術。

(4)網絡安全采用控制區域微網段化，實現各控制區域與其他區域之間邏輯上的網絡隔離，同時實現了各控制區域通過網絡隔離和安全過濾的現場控制器與系統主干相連。

(5)主要設計采用分散結構化的設計、冗余、EMC的設計、自行診斷等可靠性設計技術，大大提高了基于以太網技術的現場設備可靠性。

四、 PROFIBUS現場總線設計

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，蒸發冷凝管通過重復蒸發和冷凝，給低等級的輸入定量的蒸汽生產大量的蒸餾水。海水淡化首先把生蒸汽引入第一效蒸發器，此時蒸發管內的生蒸汽在管內開始冷凝，而管外海水產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器作為加熱蒸汽，并且在下一效蒸發器中冷凝為蒸餾水。由于第二效的操作壓力要比第一效低，二次蒸汽必須經過汽液分離器后才能進入下一效傳熱管。蒸發與冷凝過程在多效蒸餾裝置中不斷重復，每效均可以產生基本等量的蒸餾水，進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生器中，其余裝置的冷凝液進入產品水罐中，各效裝置的產品水罐相連從而得到所需要產品。

海水淡化控制過程是變化緩慢的動態過程，但其有些龐大的實時數據量，且系統對數據的變化要做出快速的響應，PROHBUS現場總線滿足海水淡化過程的快速響應和數據交換量的要求，PROHBUS是開放式現場總線系統，符合歐洲標準和國際標準。海水淡化控制系統根據全集成自動化的思想分為幾個部分：系統工作電源、管理級、控制級、現場級和監控部分。

五、總結

隨著人類迅速的發展，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的工業以太網在海水淡化裝置中的應用現已成為一項重要的科研課題，通過對PROFIBUS的工業以太網在海水淡化過程中的應用，可以提高系統的控制過程，將復雜的生產過程，通過PROFIBUS的工業以太網現場總線，實現蒸餾過程所有裝置高度集成自動化控制。是未來工業生產發展的趨勢。