Profibus與FF總線技術應用比較

劉彥明

（福陸中國工程建設有限公司，上海 201103）

0 引言

近年來，隨著石油化工領域的項目新建、投產，現場總線技術應用已經在2000年通過的IEC61158.3~6總線標準的基礎上，有了很成熟的用戶群和相當多的比較分析。尤其是FF總線（Foundation Fieldbus）和Profibus兩種總線，它們在化工領域應用廣泛，在以下方面有著共同的優勢[1,3]：

雙向通訊，安裝、調試和維護簡單方便。

過程變量信息傳遞速度快。

總線儀表通訊，現場儀表故障只影響本身或相關少量設備。

總線供電，本質安全型，危險點分散。

目前主流DCS供應商都同時支持這兩種總線，受到市場項目投資規律的影響，本文將從技術差異性角度比較兩種總線，重點關注經濟合理性，以求工程總承包項目（EPC）效益最大化。

1 FF和Profi bus總線的主要差異

FF總線是由現場總線基金會組織（FF）開發的現場總線，體系結構參照國際標準化組織（ISO）的開放系統互聯協議（OSI）而制定的；Profibus則是符合德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50179，按照ISO/OSI參考模型制定。表1對兩種總線的技術特點進行了比較總結[1,2]。

圖1表明了兩種總線在控制應用上的主要差異, 對于Profibus, 控制模塊跟傳統控制系統一樣，在系統端執行控制功能，但采用數字智能現場儀表，在現場端進行信號的雙向信息處理；而FF總線則把控制模塊功能移到了現場儀表端[3]。這個顯著的差異引起了相關的費用差異。

2 堆棧大小，電量消耗以及費用比較

通過表1中對兩種總線物理層的比較，基于Profibus和FF總線采用了相同的ASIC物理層和IEC標準，西門子公司致力于將FF總線信號并入到Profibus總線系統中。在實際項目執行時，因為FF堆棧容量大于Profibus堆棧容量，具體堆棧尺寸比較見圖2。FF總線堆棧容量為350K字節，而PA堆棧容量僅需50K字節，這樣在數據層鏈接并入時，需要增加一部分內存用以移除PA堆棧，并被FF堆棧取代。對于這些增加的內存字節，相應時鐘時間要成倍的增加，同時2mA多余的電量也要用于FF總線儀表。

綜合以上分析，不難理解FF智能儀表生產成本為何會高于Profibus儀表，根據幾家供貨廠商液位儀表的列表價格比較，大概FF總線儀表費用高于同類型PA儀表100美金左右。

表1 FF&Profi bus 總線技術特點比較Table1 Technical data comparison list of FF and Profi bus

圖1 FF 和Profi bus總線在現場儀表和控制系統比較線Fig.1 The line between control system and instrument for FF and Profi bus

3 回路中儀表數量及節點數量比較

回路中儀表數量取決于項目的設計原則及是否是本安回路，對于非本安回路，FF總線回路推薦不超過12臺設備，系統內通訊循環時間大概在0.5s到1s之間。對于PA總線回路推薦設備不超過24臺，循環更新時間大概在400ms。這樣在同樣的控制要求下，PA總線回路儀表數量大概是FF總線回路的一倍。對于有快速時間要求的控制回路來講，這個數量差距會更大。

對于通訊節點來講，技術層面的數據鏈接對于主流供應商已經沒有區別，但在相同的網絡負荷條件下，數據集成器、交換機的費用比較表明，FF總線設備大概要高于Profibus總線設備500美金左右。

Profibus和FF總線接線系統設計比較，電纜和接線箱費用沒有差別，但對于同樣規模的項目，FF總線回路意味著需要更多的電纜和接線箱，必然會導致整體費用的增加。

通過圖1和圖2的分析比較圖，FF總線堆棧協議量大主要是因為控制功能是現場端隔離，這樣就無形中增加了項目的管理復雜程度。大部分馬達控制系統和動設備包，如MCC和VSDS，都會采用Profibus DP協議，如果現場儀表和控制系統也采用同樣的通訊協議，維護人員僅需使用一種故障處理系統即可，這可能也是相比較于FF總線，根據近年來終端用戶和技術部門的反饋，PA總線更容易使用的原因。

圖2 FF 和Profi bus總線通訊協議堆棧比較Fig.2 The protocols stack for Profi bus and Foundation fi eldbus

4 Profi bus總線技術在大型化工項目上的應用

1.該美國工程公司作為此項目的EPCM（設計、采購、施工管理）承包商，承擔了報批文件，基礎設計和詳細設計及施工管理工作，業主在投資控制率方面要求±10%的精度，即根據基礎設計包進行費用估算，經過業主報批后，最終項目簡稱投產總費用不能超過±10%。該項目主體工藝單元特點是多回路、多變量，具有大時滯和高度非線性，因此，對控制的實時性和通訊的穩定性就有比較高的要求。同時，原料準備單元和半成品摻混單元、成品包裝單元都會采用動設備包就地控制，因此底層通信網絡的可靠穩定運行非常關鍵。

2.在基礎設計階段費用考慮方面，電氣高、低壓控制系統與DCS之間的通訊總線協議也是影響之一，馬達控制系統（MCC）采用ABB公司的高低壓柜；變頻控制系統（VSDS）采用SIEMENS公司的控制技術；動設備的控制系統統一要求采用SIMENS S7-300系列。驅動設備的訪問控制方式要滿足工業控制網絡的要求，即通信的實時性和確定性。Profibus總線的主從訪問方式、傳送速度快、擴展方便靈活，在很大程度上吻合此項目的工廠自動化管理層和車間監控層的要求。經過與3家主流DCS供貨商的技術澄清和商務比價，最終控制單元選用ABB公司的AC800 xA系列的CPU PM866K02做主站，現場智能儀表及動設備PLC、MCC、VSDS控制柜做從站，構成Profibus-DP總線控制系統。控制系統配置如圖3所示。

3.Profibus技術的經濟性在本項目中得到了極大的體現，在詳設設計技術詢價澄清階段，因本項目德國進口動設備通訊協議的要求，EMERSON公司的Delta-V系統因通訊點數價格過高而放棄競標。

1）相比于傳統DCS設計，在硬件方面，Profibus總線技術主要優點有以下幾個方面：

a）節省項目費用：傳統的DCS系統架構需要把所有現場設備測量點信號通過多芯電纜硬接線全部引至中央控制室，大量的電纜和電纜橋架的采購成本較高。采用Profibus遠程I/O模式，大量節省多芯電纜和橋架。并且不需要中間接線柜。

b）縮短項目周期：傳統的DCS系統架構，大量的電纜和電纜橋架的安裝施工難度較大，周期長。設計也要完成從接線箱到接線柜到控制柜的接線圖、回路圖設計，工作量大，周期長，與供貨商的界面也較多。采用Profibus遠程I/O模式，設計和施工周期都能縮短。

c）提高項目的擴展性：項目后期或施工結束后，若要更改儀表類型或數量，需要做大量的工作并重新布線。采用Profibus遠程I/O模式，只需要在遠程I/O站找到空余位置并完成接線即可。

d）提高安全性和可用性：Profibus遠程I/O站到控制器采用冗余通訊，一條通訊線路故障并不能影響系統正常工作，大大提高了系統的安全性和可用性。

e）提高信號抗干擾能力：傳統的雙絞線遠距離傳輸信號，現場錯綜復雜，易受電磁干擾，電氣干擾等。采用現場總線傳輸，大大提高了信號抗干擾能力。

2）結合本文第2，3部分敘述，相較于FF總線，ABB這套DCS系統的Profibus的優勢還體現在如下方面：

a）各節點擴展方便，傳輸波特率選用在187.5Kbps，允許在總線段節點接入32個設備，實際設計時，按照15個左右考慮，為將來項目擴展留有空間。

b）冗余方面，本項目設置了控制器主站冗余、總線冗余，從站不考慮冗余，對于上層應用來說，故障主站能夠迅速切換到冗余主站上。從站不冗余則不要求賦給不同的地址單元，節約內存。應用數據的備份處理由用戶程序負責，與從站的模塊設置結構無關。

c）時間標簽，本項目對動設備有時間要求及相應的操作程序的啟動，ABB控制系統中可設置一個精密的時間標簽，定時發布數字量信號用于校驗，以記錄并標識網絡中發生時間的準確時間，從而更好地控制全系統中各設備的時間同步。時鐘同步控制對于多從站的Profibus系統控制性能的提高非常重要。

圖3 ABB DCS 控制系統框架圖Fig.3 ABB DCS Architecture drawing

5 結束語

自動化領域已經步入通信時代的現場總線技術，總線控制進入現場層，單站點成本是必須考慮的因素，在滿足應用功能需求的基礎上，成本的考量是選擇現場總線類型的重要出發點。工程公司作為EPC總包合同的執行人，在滿足業主或工藝包應用軟件的要求的同時，一定要充分考慮以現場總線為基礎的接入技術和共存策略研究，追求更為經濟合理的系統框架，才能確立做為一流工程公司的話語權。

[1]陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京:清華大學出版社,2008.

[2]IEC 61158,Digital data communication for measurement and control–Fieldbus for use in industrial control system,Part 1:Overview and guidance [S].International Electrotechnical Commission,2006.

[3]蒲維.現場總線控制系統實時建模,分析與調度方法的研究[D].中國科學院自動研究所,2003.