現(xiàn)場總線在電力行業(yè)中的應用

1引言

隨著計算機、控制、通信和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的進步，現(xiàn)場總線在20世紀80年代中期逐漸發(fā)展起來?，F(xiàn)場總線是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場測量與控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多節(jié)點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS是過程現(xiàn)場總線(ProcessFieldBus)的縮寫。德國科學技術(shù)部總結(jié)了20世紀80年代德國工業(yè)界自動控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗，為了適應分散控制系統(tǒng)的發(fā)展要求。對各公司自己定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議加以規(guī)范化、公開化，使得不同廠家生產(chǎn)的自動控制設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)通信級互相兼容、遵守同一協(xié)議，以利于提高工業(yè)標準化水平，于1987年列為德國國家項目，由13家大公司(如SIEMENS、ABB、AEG等)及5家研究所經(jīng)過2a多的時間完成。1991年，PROFIBUS成為德國國家標準DIN19245,1996年6月成為歐洲標準EN10170,1999年加入IEC61158協(xié)議。PROFIBUS已成為應用廣泛、技術(shù)成熟的國際標準現(xiàn)場總線之一，廣泛應用于加工制造、過程和樓宇自動化等領(lǐng)域。

2PROFIBUS現(xiàn)場總線

2.1PROFIBUS系列

PROFIBUS根據(jù)應用特點分為PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA3個兼容版本。

a.PROFIBUS-DP以DIN19245的第一部分為基礎(chǔ)，經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價通信網(wǎng)絡(luò)，適用于自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間通信。在設(shè)備級，中央控制器(如PLC、PC)通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備(如I/O、傳感器、閥門、執(zhí)行器等)進行通信。DP一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)，主從站之間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳送方式工作，最高通信速率可達12Mbit/s。

b.PROFIBUS-FMS完成車間級通用性通信任務，提供大量的通信服務，實現(xiàn)周期性和非周期性通信。目前，PROFIBUS-FMS的作用正在為高速工業(yè)以太網(wǎng)HSE(HighSpeedEthernet)代替。

c.PROFIBUS-PA專為過程自動化設(shè)計,用于本質(zhì)安全和現(xiàn)場供電的場合。

2.2PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)和傳輸技術(shù)

PROFIBUS協(xié)議根據(jù)ISO74898國際標準，以開放系統(tǒng)互連ISO/OSI為參考模型。協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示。協(xié)議定義了第1層(物理層)、第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)和第7層(應用層)。沒有使用第3層至第6層，這樣可以減少通信開支，增加效率。

2.2.1PROFIBUS的物理層

現(xiàn)場總線的物理層規(guī)定了總線介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)拓撲、傳輸距離、傳輸速率、站點數(shù)以及總線接口。它提供有關(guān)同步和比特流在物理媒體上的傳輸手段。PROFIBUS提供3種傳輸技術(shù)。

a.DP和FMS的RS485傳輸基本特點見表1。

b.PA的IEC1158-2傳輸基本特點見表2。

c.在電磁干擾很大的環(huán)境下，可以使用光纖導體提高傳輸距離和傳輸速度。許多廠商提供專用的總線插頭可將RS485信號和光纖信號互相轉(zhuǎn)換。

2.2.2PROFIBUS的數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層主要實現(xiàn)介質(zhì)存取控制MAC和數(shù)據(jù)通信服務功能。MAC保證令牌的按序傳遞，在任意時刻總線上只有一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，避免信息的碰撞延時。數(shù)據(jù)通信服務提供點對點，點對多點和廣播通信功能，所有電文海明距離等于4，保證數(shù)據(jù)的完整性。

2.2.3PROFIBUS的應用層

在DP和PA中沒有應用層，只有復雜場合使用的FMS中有應用層。應用層由低層接口LLI和現(xiàn)場總線信息規(guī)范FMS2部分組成，F(xiàn)MS描述通信對象，提供應用服務;LLI主要實現(xiàn)將FMS的服務映射到數(shù)據(jù)鏈路層，通信連接的建立、監(jiān)視和釋放以及數(shù)據(jù)流控制。

3PROFIBUS在控制領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢

3.1總線存取協(xié)議--實時性

PROFIBUS主站之間采用令牌傳遞方式，主站和從站之間采用主從方式。令牌傳遞程序保證每個主站在確定的時間片內(nèi)得到總線訪問權(quán)限，主站得到令牌以后，根據(jù)主從關(guān)系表向從站發(fā)送和索取數(shù)據(jù)信息。這種介質(zhì)存取方式確?？刂葡到y(tǒng)需要的實時性。例如，主頻200MHz的CPU，300個I/O點的掃描周期小于50ms。

3.2系統(tǒng)配置靈活

可根據(jù)應用對象的控制要求，靈活選擇純主-從系統(tǒng)、純主-主系統(tǒng)或多主多從的混合系統(tǒng)。3種系列的PROFIBUS容易集成在一起，DP和FMS使用了同樣的傳輸技術(shù)和總線存取協(xié)議，因而這2套系統(tǒng)可在一根雙絞線上同時操作;PA和DP之間使用分段耦合器能方便地集成在一起。

3.3PROFIBUS-PA本質(zhì)安全特性

PROFIBUS-PA支持總線供電。在一條雙絞線上即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和向現(xiàn)場設(shè)備供電?？偩€的操作電源來自單一供電裝

目前，我國大型冷庫的制冷監(jiān)控系統(tǒng)主要采用人工或集中式控制系統(tǒng)，控制器與現(xiàn)場設(shè)備之間靠大量的I／O電纜連接，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。控制系統(tǒng)傳送4～20mA模擬量信號，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，這樣，由于控制器獲取信息量有限，現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能較弱；另一方面也很難完成現(xiàn)場設(shè)備的動態(tài)監(jiān)控、遠程參數(shù)設(shè)定、修改等功能，造成制冷控制系統(tǒng)的信息集成能力不強和可維護性較差，影響冷庫的生產(chǎn)效率，并給生產(chǎn)管理帶來諸多不便。

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工控領(lǐng)域的應用和發(fā)展，建立基于Profibus—DP現(xiàn)場總線的冷庫制冷監(jiān)控系統(tǒng)成為解決這一問題的有效途徑。Profibus現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字化的、串行、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，用于工廠／車間儀表和控制設(shè)備的局域網(wǎng)。由于它采用純數(shù)字技術(shù)，在單根電纜上連接多個儀表和設(shè)備，所傳遞的信息量大（不僅有控制數(shù)據(jù)，也有組態(tài)、狀態(tài)和診斷等數(shù)據(jù)），加之其具有更強的抗干擾性能，更低的安裝、運行和維護成本，因此其在冷庫制冷監(jiān)控系統(tǒng)中的應用，將大大減少布線工作量與電纜投資，避免信號干擾，使系統(tǒng)更可靠，操作更簡便，監(jiān)控更直觀。

2、系統(tǒng)組成及主要功能

該萬噸冷庫制冷系統(tǒng)有一臺獨立的開啟式螺桿壓縮機，分別給六個庫房供冷，庫房用循環(huán)風機吹送冷風，其中，1號—5號庫是冷凍庫，有60個—18℃測溫點，6號庫是冷藏庫，有12個0～4℃測溫點；控制風機12組共計60臺風機?？刂葡到y(tǒng)要求自動控制沖霜過程，壓縮機、氨泵、水泵、冷風機等設(shè)備的開、停及壓縮機的能量增減。在中央控制室監(jiān)控冷庫各制冷設(shè)備的運行狀況、顯示庫房溫度、回氣總管壓力、冷凝總管壓力、低壓循環(huán)桶的液位、各臺壓縮機的運行參數(shù)及曲線。庫房的溫度、總管壓力可以根據(jù)實際需要，在中控室進行設(shè)定。

2.1系統(tǒng)組成

根據(jù)以上制冷工藝的要求，該監(jiān)控系統(tǒng)由Profibus—DP總線構(gòu)成單主從工作方式，如圖1所示。主站選用Siemens的S7—300PLC（CPU315—2DP），站地址設(shè)為2，實現(xiàn)總線通信控制與管理，完成周期性數(shù)據(jù)訪問。從站為三臺S7——200PLC（CPU226）和一塊遠程I／O（ET200M），站地址分別設(shè)定為3、4、5、6。主站與S7—200PLC從站之間的Profibus—DP通信是通過EM277通信模塊將CPU226作為DP從站實現(xiàn)的。上位機選用研華工控機，內(nèi)置專用的通信網(wǎng)卡CP5611，通過MPI口與PLC相連。工控機作為人機操作站，裝有西門子的編程軟件STEP7V5.1和組態(tài)王監(jiān)控軟件。利用STEP7V5.1編程軟件首先對系統(tǒng)進行相應網(wǎng)絡(luò)配置，如通信端口的設(shè)置，站地址和數(shù)據(jù)傳輸速率的設(shè)定等；然后通過MPI端口對主站S7—300進行硬件組態(tài)，由電源模塊PS307、CPU315—2DP、模擬量輸出模塊SM332、數(shù)字量輸入模塊SM321和數(shù)字量輸出模塊SM322組成。上位機選用組態(tài)王進行各種畫面的組態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、參數(shù)設(shè)定、手／自動操作、故障報警、歷史數(shù)據(jù)記錄等操作，監(jiān)控制冷控制系統(tǒng)的有關(guān)參量，并具有完備的報表管理功能。

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