現(xiàn)場(chǎng)總線在電力行業(yè)中的應(yīng)用內(nèi)容簡(jiǎn)介

1引言

隨著計(jì)算機(jī)、控制、通信和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)場(chǎng)總線在20世紀(jì)80年代中期逐漸發(fā)展起來(lái)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開(kāi)放式、數(shù)字化、多節(jié)點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS是過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線(ProcessFieldBus)的縮寫(xiě)。德國(guó)科學(xué)技術(shù)部總結(jié)了20世紀(jì)80年代德國(guó)工業(yè)界自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，為了適應(yīng)分散控制系統(tǒng)的發(fā)展要求。對(duì)各公司自己定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議加以規(guī)范化、公開(kāi)化，使得不同廠家生產(chǎn)的自動(dòng)控制設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)通信級(jí)互相兼容、遵守同一協(xié)議，以利于提高工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化水平，于1987年列為德國(guó)國(guó)家項(xiàng)目，由13家大公司(如SIEMENS、ABB、AEG等)及5家研究所經(jīng)過(guò)2a多的時(shí)間完成。1991年，PROFIBUS成為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245,1996年6月成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN10170,1999年加入IEC61158協(xié)議。PROFIBUS已成為應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線之一，廣泛應(yīng)用于加工制造、過(guò)程和樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。

2PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線

2.1PROFIBUS系列

PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA3個(gè)兼容版本。

a.PROFIBUS-DP以DIN19245的第一部分為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)通信網(wǎng)絡(luò)，適用于自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間通信。在設(shè)備級(jí)，中央控制器(如PLC、PC)通過(guò)高速串行線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如I/O、傳感器、閥門、執(zhí)行器等)進(jìn)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(dá)12Mbit/s。

b.PROFIBUS-FMS完成車間級(jí)通用性通信任務(wù)，提供大量的通信服務(wù)，實(shí)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(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì),用于本質(zhì)安全和現(xiàn)場(chǎng)供電的場(chǎng)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以開(kāi)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(yīng)用層)。沒(méi)有使用第3層至第6層，這樣可以減少通信開(kāi)支，增加效率。

2.2.1PROFIBUS的物理層

現(xiàn)場(chǎng)總線的物理層規(guī)定了總線介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、傳輸距離、傳輸速率、站點(diǎn)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(diǎn)見(jiàn)表1。

b.PA的IEC1158-2傳輸基本特點(diǎn)見(jiàn)表2。

c.在電磁干擾很大的環(huán)境下，可以使用光纖導(dǎo)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(hào)和光纖信號(hào)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(shí)現(xiàn)介質(zhì)存取控制MAC和數(shù)據(jù)通信服務(wù)功能。MAC保證令牌的按序傳遞，在任意時(shí)刻總線上只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，避免信息的碰撞延時(shí)。數(shù)據(jù)通信服務(wù)提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(yīng)用層

在DP和PA中沒(méi)有應(yīng)用層，只有復(fù)雜場(chǎng)合使用的FMS中有應(yīng)用層。應(yīng)用層由低層接口LLI和現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范FMS2部分組成，F(xiàn)MS描述通信對(duì)象，提供應(yīng)用服務(wù);LLI主要實(shí)現(xiàn)將FMS的服務(wù)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(shì)

3.1總線存取協(xié)議--實(shí)時(shí)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(gè)主站在確定的時(shí)間片內(nèi)得到總線訪問(wèn)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(shí)時(shí)性。例如，主頻200MHz的CPU，300個(gè)I/O點(diǎn)的掃描周期小于50ms。

3.2系統(tǒng)配置靈活

可根據(jù)應(yīng)用對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電?？偩€的操作電源來(lái)自單一供電裝

目前，我國(guó)大型冷庫(kù)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(chǎng)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(hào)，并以此監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，這樣，由于控制器獲取信息量有限，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能較弱；另一方面也很難完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)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(qiáng)和可維護(hù)性較差，影響冷庫(kù)的生產(chǎn)效率，并給生產(chǎn)管理帶來(lái)諸多不便。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工控領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，建立基于Profibus—DP現(xiàn)場(chǎng)總線的冷庫(kù)制冷監(jiān)控系統(tǒng)成為解決這一問(wèn)題的有效途徑。Profibus現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(qiáng)的抗干擾性能，更低的安裝、運(yùn)行和維護(hù)成本，因此其在冷庫(kù)制冷監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，將大大減少布線工作量與電纜投資，避免信號(hào)干擾，使系統(tǒng)更可靠，操作更簡(jiǎn)便，監(jiān)控更直觀。

2、系統(tǒng)組成及主要功能

該萬(wàn)噸冷庫(kù)制冷系統(tǒng)有一臺(tái)獨(dú)立的開(kāi)啟式螺桿壓縮機(jī)，分別給六個(gè)庫(kù)房供冷，庫(kù)房用循環(huán)風(fēng)機(jī)吹送冷風(fēng)，其中，1號(hào)—5號(hào)庫(kù)是冷凍庫(kù)，有60個(gè)—18℃測(cè)溫點(diǎn)，6號(hào)庫(kù)是冷藏庫(kù)，有12個(gè)0～4℃測(cè)溫點(diǎn)；控制風(fēng)機(jī)12組共計(jì)60臺(tái)風(fēng)機(jī)。控制系統(tǒng)要求自動(dòng)控制沖霜過(guò)程，壓縮機(jī)、氨泵、水泵、冷風(fēng)機(jī)等設(shè)備的開(kāi)、停及壓縮機(jī)的能量增減。在中央控制室監(jiān)控冷庫(kù)各制冷設(shè)備的運(yùn)行狀況、顯示庫(kù)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(tái)壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)及曲線。庫(kù)房的溫度、總管壓力可以根據(jù)實(shí)際需要，在中控室進(jìn)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(shí)現(xiàn)總線通信控制與管理，完成周期性數(shù)據(jù)訪問(wèn)。從站為三臺(tái)S7——200PLC（CPU226）和一塊遠(yuǎn)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(guò)EM277通信模塊將CPU226作為DP從站實(shí)現(xiàn)的。上位機(jī)選用研華工控機(jī)，內(nèi)置專用的通信網(wǎng)卡CP5611，通過(guò)MPI口與PLC相連。工控機(jī)作為人機(jī)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)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(guò)MPI端口對(duì)主站S7—300進(jìn)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(jī)選用組態(tài)王進(jìn)行各種畫(huà)面的組態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、參數(shù)設(shè)定、手／自動(dòng)操作、故障報(bào)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(bào)表管理功能。

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