PROFIBUSFIBUS DP/PADP/PA現場總線技術在水泥工業中的應用

谷強，于晶

1 引言

現場總線是一種連接現場設備與控制器或監視器的雙向通訊系統。同時它也是一種網絡，能夠將過程自動化設備集成到統一的系統中，由于其位于生產控制和網絡結構的低層，也稱為低層控制網絡。現場總線與工廠現場設備直接連接，一方面將現場測量控制設備互聯為通信網絡，實現不同網段、不同現場通信設備的信息共享；另一方面又將現場運行的各種信號傳到遠離現場的控制室，并進一步與操作終端、上層控制管理網絡連接和信息共享。現場總線既可以將一個現場設備的運行參數、狀態以及故障信息等送往控制室，又可將各種控制、維護、組態命令甚至現場設備的工作電源等送往各相關的現場設備，從而溝通了生產過程現場控制設備之間及其更高控制管理層之間的聯系。

水泥工業主要由生料制備、燒成系統及水泥粉磨等過程組成，簡稱“兩磨一燒”。水泥生產是一個高溫、負壓的生產過程，存在大量的溫度、壓力、流量、閥門開度等模擬量點，且分布不集中。國內現有的水泥工業控制系統主要采用DCS控制系統，其系統通訊網絡截止于過程控制站，過程控制站和現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，在現場條件下的干擾問題更顯得突出；另一方面，水泥生產線上的設備和儀表由不同生產廠家提供，這給系統的開發、維護、擴展、升級帶來了很大不便。由此可見，PROFIBUS現場總線技術對進一步提高水泥工業控制水平有顯著的作用。

2 PROFIBUS現場總線技術

PROFIBUS是德國標準（DIN19245）和歐洲標準（EN50170）的現場總線標準。PROFIBUS支持主-從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。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，傳輸介質為雙絞線或光纜，最多可掛接127個站點。它能滿足所有現場總線的定義，是唯一能提供全解決方案的現場總線。

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，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。使用PROFI?BUS-DP可取代24VDC或4～20mADC信號傳輸。

（2）PROFIBUS-PA專為過程自動化設計，可使傳感器和執行機構連在一根總線上，并有本征安全規范。可通過總線給現場設備供電。

（3）PROFIBUS-FMS用于車間級監控網絡，是一個令牌結構、實時多主網絡。

2.2 傳輸技術

PROFIBUS提供了三種數據傳輸類型：

（1）用于DP和FMS的RS-485傳輸：為網絡拓撲線性總線；傳輸速率：9.6bit/s～12Mbit/s；采用屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環境條件；不帶中繼時每分段32個站，帶中繼時最多到127個站。

FLP-5型流化床包衣機（常州市佳發制粒干燥設備有限公司）；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：數字式、位同步數據傳輸；傳輸速率31.25Kbit/s，電壓式；采用雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式；可通過數據線遠程電源供電；能進行本征及非本征安全操作；每段32個站,總數最多到126個站；最多可擴展至4臺中繼器。

（3）光纖：在電磁干擾很大的環境下可使用光纖導體，以增加高速傳輸的距離。許多廠商提供專用總線插頭，可將RS-485信號轉換成光纖導體信號，或將光纖導體信號轉換成RS-485信號。

2.3 配置形式

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

（2）單一總線型:現場設備都具有PROFIBUS接口，適用現場總線技術，實現完全的分布結構，這種方案設備成本較高，應用較少。

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

3 應用

3.1 PROFIBUS-DP

PROFIBUS-DP是典型PROFI?BUS網絡的支柱，它能夠連接驅動裝置、馬達啟動器、數字I/O和PROFI?BUS-PA網段。過程工業中，除了有常見的模擬和數字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（數字）輸入輸出設備，PROFIBUS-DP連接遠程I/O設備和驅動設備。

采用RS-485作為物理層的PROFIBUS-DP網絡中，一個網段不能超過32個節點，超出后信號將衰減到不可讀的程度。節點必須是菊花鏈路連接即串級連接，這樣當其中一個設備出現故障時不會影響其他設備的運行。每個網段必須有終端電阻，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絡。偏置網絡有助于提高信號信噪比，因為它提高了信號質量，這對任意波特率都有好處。每個PRO?FIBUS-DP接口不要超過125個直接尋址設備。在主站和任何現場設備之間的中繼器不要超過9個。每一網段的長度與波特率相匹配。遵循推薦的接地習慣。按最大波特率設計，但實際運行在盡可能低的波特率。

PROFIBUS現場總線技術在水泥工業中應用的系統結構如圖1所示。該系統由過程監控層和現場控制層組成。過程監控層，將來自現場的信息送往中控室，置入實時數據庫，進行控制與優化計算，并集中顯示，操作員可根據顯示器所顯示的數據對現場設備進行監視和控制，由傳輸速度較快的以太網組成，各種現場總線可通過通信控制器或PC接口與過程控制層交換數據。現場控制層，PROFIBUS現場總線通過I/O模塊與工廠設備連接，現場設備通過現場控制層將數據傳送至現場總線，是工廠信息網絡集成系統的底層。某些對信息系統要求較高的工廠，在過程監控層上還會設立生產管理層，以解決工廠的生產、調度、計劃、銷售、庫存和財務等問題，它是工廠局域網絡的上層，一般由關系數據庫收集整理這些來自各部門的各類信息并進行綜合處理，由以太網組成，最終實現CIMS系統。

3.2 PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA是指在DP-V1協議發布時加入的一系列PROFI?BUS規范，目的是使PROFIBUS協議更適合在過程工業使用。PROFI?BUS-PA使用的是IEC 61158-2標準中的曼徹斯特編碼（MBP）總線供電物理層。因為過程自動化主要是模擬量輸入輸出設備，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備連接到專用物理層。

PROFIBUS-PA主站系統通過DP/PA link連接到PROFIBUS-DP主站系統（見圖2）。DP/PA link經接口模塊連接到PROFIBUS-PA主站。底層的PROFIBUS-PA現場設備經DP/PA耦合器連接到DP/PA link。這意味著DP/PA link創建了一個從PRO?FIBUS-DP主站系統到PROFIBUSPA主站系統的網關。

圖1 水泥廠系統結構圖

圖2 PROFIBUS-PA儀表連接圖

圖3 PROFIBUS-PA儀表設計簡圖

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

在PROFIBUS-PA總線情況下，儀表成為系統的一部分，控制工程師可以對儀表進行完全的控制。從工程師的觀點看，現在儀表和控制系統之間已經沒有區別，儀表和系統成為一個整體。將儀表作為控制系統的一部分是一個重大的轉變，它賦予了儀表一個新的職責，而之前這個職責只保留給控制系統。這些改變帶來了很多好處，同時也帶來了挑戰。

工廠設備檢修、工藝參數改變時都需要對儀表進行校驗。總線儀表的校驗概念和模擬儀表是不同的，對模擬儀表來說，其校驗和量程設定使用的是同一組電位器，可以說校驗和量程設定是等價的，但對于總線儀表來說,校驗是指對傳感器的讀數和物理輸出進行校正，檢查是否符合已知標準。總線儀表進行校準和模擬儀表一樣必須施加標準參考源。而量程設定是不需要施加參考源的，僅僅是在測量值需要運算時才進行的，不影響原始測量值的讀數。

4 PROFIBUS現場總線技術的優點

一般來說PROFIBUS現場總線技術的應用，將在工廠的整個生命周期內提高效率，節省費用。其更關鍵的優勢是：

（1）優化結構/安裝

沒有現場總線，每一個現場設備至少需要一組電纜。許多現場設備可能需要更多的電纜。現場總線的應用結束了很多電纜一起運行的狀況。PROFIBUS能夠將多條電纜減少至一根，電纜減少將節省安裝費用和物理空間。

（2）快速調試

對4～20mA設備，最終用戶需在現場設備和控制設備中調整量程，現場設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場設備中，最終用戶只需要在一個地方進行量程調整。

（3）更高精度

對于4～20mA 儀表，應用PROFI?BUS-DP/PA現場總線技術，可直接將4～20mA信號通過DP/PA耦合器傳輸到控制器內，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

沒有雙向制通訊，控制器可能不能判斷過程變量出錯。恰當的通訊方式將保證生產安全進行，這也是工廠資產管理的關鍵組成部分。

（5）能夠進行工廠資產管理

工廠資產管理給投資帶來越來越多的益處。傳統情況下，過程自動化的資產管理主要專注于儀表。PROFIBUS擴展了這種定義而將各種設備包含進來，如計算機、網關、控制器、電機、機械和儀表等。PROFI?BUS的雙向通訊是能夠提高工廠資產回報率的重要手段。

5 結語

在水泥工業中應用現場總線技術，不僅可以節省硬件數量與投資，節省開銷，提高水泥工廠的自動化控制水平，提高工廠運行的可靠性、經濟性和技術性，并能提高生產效率，使單元級控制系統進入一個新的開放式分布分散智能化控制系統的階段。現場總線技術的使用，實現了功能分布、位置分布真實的開放式分布系統。

[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總線系統設計與應用[M].北京：中國電力出版社.