PROFIBUSFIBUS DP/PADP/PA现场总线技术在水泥工业中的应用

谷强，于晶

1 引言

现场总线是一种连接现场设备与控制器或监视器的双向通讯系统。同时它也是一种网络，能够将过程自动化设备集成到统一的系统中，由于其位于生产控制和网络结构的低层，也称为低层控制网络。现场总线与工厂现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互联为通信网络，实现不同网段、不同现场通信设备的信息共享；另一方面又将现场运行的各种信号传到远离现场的控制室，并进一步与操作终端、上层控制管理网络连接和信息共享。现场总线既可以将一个现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室，又可将各种控制、维护、组态命令甚至现场设备的工作电源等送往各相关的现场设备，从而沟通了生产过程现场控制设备之间及其更高控制管理层之间的联系。

水泥工业主要由生料制备、烧成系统及水泥粉磨等过程组成，简称“两磨一烧”。水泥生产是一个高温、负压的生产过程，存在大量的温度、压力、流量、阀门开度等模拟量点，且分布不集中。国内现有的水泥工业控制系统主要采用DCS控制系统，其系统通讯网络截止于过程控制站，过程控制站和现场仪表之间是一对一模拟信号传输，这需要全厂大范围的布线，在现场条件下的干扰问题更显得突出；另一方面，水泥生产线上的设备和仪表由不同生产厂家提供，这给系统的开发、维护、扩展、升级带来了很大不便。由此可见，PROFIBUS现场总线技术对进一步提高水泥工业控制水平有显著的作用。

2 PROFIBUS现场总线技术

PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m，在12Mbit/s下为200m，可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或光缆，最多可挂接127个站点。它能满足所有现场总线的定义，是唯一能提供全解决方案的现场总线。

2.1 组成

PROFIBUS由三个兼容部分组成，即 PROFIBUS-DP、PROFIBUSPA和PROFIBUS-FMS。

（1）PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFI⁃BUS-DP可取代24VDC或4～20mADC信号传输。

（2）PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并有本征安全规范。可通过总线给现场设备供电。

（3）PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。

2.2 传输技术

PROFIBUS提供了三种数据传输类型：

（1）用于DP和FMS的RS-485传输：为网络拓扑线性总线；传输速率：9.6bit/s～12Mbit/s；采用屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件；不带中继时每分段32个站，带中继时最多到127个站。

FLP-5型流化床包衣机（常州市佳发制粒干燥设备有限公司）；BT-300型蠕动泵（重庆杰恒蠕动泵有限公司）；BS400S-WE1型电子天平（德国Sartorius公司）；6890型气相色谱仪，包括氢火焰离子化检测器等（美国Agilent公司）；KQ-600DE型超声波清洗仪（昆山市超声仪器有限公司）。

（2）用于PA的IEC1158-2传输：数字式、位同步数据传输；传输速率31.25Kbit/s，电压式；采用双绞线，屏蔽式或非屏蔽式；可通过数据线远程电源供电；能进行本征及非本征安全操作；每段32个站,总数最多到126个站；最多可扩展至4台中继器。

（3）光纤：在电磁干扰很大的环境下可使用光纤导体，以增加高速传输的距离。许多厂商提供专用总线插头，可将RS-485信号转换成光纤导体信号，或将光纤导体信号转换成RS-485信号。

2.3 配置形式

（1）总线接口型：现场设备不具备PROFIBUS接口，采用分散式I/O作为总线接口与现场设备连接。这种模式设备成本低,在水泥工业DCS控制系统中应用较多，西门子PCS7系统中I/O模块与PLC间即为PRO⁃FIBUS-DP协议传输。

（2）单一总线型:现场设备都具有PROFIBUS接口，适用现场总线技术，实现完全的分布结构，这种方案设备成本较高，应用较少。

（3）混合型:现场设备部分具有PROFIBUS接口，应采用PROFIBUS现场设备加分散式I/O混合使用的办法，是一种灵活的集成方案。

3 应用

3.1 PROFIBUS-DP

PROFIBUS-DP是典型PROFI⁃BUS网络的支柱，它能够连接驱动装置、马达启动器、数字I/O和PROFI⁃BUS-PA网段。过程工业中，除了有常见的模拟和数字I/O信号，越来越多的变频信号也加入其中。工厂自动化主要使用离散（数字）输入输出设备，PROFIBUS-DP连接远程I/O设备和驱动设备。

采用RS-485作为物理层的PROFIBUS-DP网络中，一个网段不能超过32个节点，超出后信号将衰减到不可读的程度。节点必须是菊花链路连接即串级连接，这样当其中一个设备出现故障时不会影响其他设备的运行。每个网段必须有终端电阻，PROFIBUS使用有源终端电阻，包括上拉电阻和下拉电阻用以偏置网络。偏置网络有助于提高信号信噪比，因为它提高了信号质量，这对任意波特率都有好处。每个PRO⁃FIBUS-DP接口不要超过125个直接寻址设备。在主站和任何现场设备之间的中继器不要超过9个。每一网段的长度与波特率相匹配。遵循推荐的接地习惯。按最大波特率设计，但实际运行在尽可能低的波特率。

PROFIBUS现场总线技术在水泥工业中应用的系统结构如图1所示。该系统由过程监控层和现场控制层组成。过程监控层，将来自现场的信息送往中控室，置入实时数据库，进行控制与优化计算，并集中显示，操作员可根据显示器所显示的数据对现场设备进行监视和控制，由传输速度较快的以太网组成，各种现场总线可通过通信控制器或PC接口与过程控制层交换数据。现场控制层，PROFIBUS现场总线通过I/O模块与工厂设备连接，现场设备通过现场控制层将数据传送至现场总线，是工厂信息网络集成系统的底层。某些对信息系统要求较高的工厂，在过程监控层上还会设立生产管理层，以解决工厂的生产、调度、计划、销售、库存和财务等问题，它是工厂局域网络的上层，一般由关系数据库收集整理这些来自各部门的各类信息并进行综合处理，由以太网组成，最终实现CIMS系统。

3.2 PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA是指在DP-V1协议发布时加入的一系列PROFI⁃BUS规范，目的是使PROFIBUS协议更适合在过程工业使用。PROFI⁃BUS-PA使用的是IEC 61158-2标准中的曼彻斯特编码（MBP）总线供电物理层。因为过程自动化主要是模拟量输入输出设备，PROFIBUS-PA被加入了许多特性，以便其很容易地将许多单功能的模拟量设备连接到专用物理层。

PROFIBUS-PA主站系统通过DP/PA link连接到PROFIBUS-DP主站系统（见图2）。DP/PA link经接口模块连接到PROFIBUS-PA主站。底层的PROFIBUS-PA现场设备经DP/PA耦合器连接到DP/PA link。这意味着DP/PA link创建了一个从PRO⁃FIBUS-DP主站系统到PROFIBUSPA主站系统的网关。

图1 水泥厂系统结构图

图2 PROFIBUS-PA仪表连接图

图3 PROFIBUS-PA仪表设计简图

图3为东方希望4800t/d熟料生产线窑尾车间温度、压力传感器通过现场接线盒串联到DP/PA coupler上，模拟信号经过DP/PA coupler接入现场总线控制器，并最终传输进系统，在一条总线上的每一块PA仪表都有其唯一的地址，这个地址相当于这块PA仪表的“身份证”，DCS系统现场控制站通过此“身份证”来扫描和读取PA仪表的信息。

在PROFIBUS-PA总线情况下，仪表成为系统的一部分，控制工程师可以对仪表进行完全的控制。从工程师的观点看，现在仪表和控制系统之间已经没有区别，仪表和系统成为一个整体。将仪表作为控制系统的一部分是一个重大的转变，它赋予了仪表一个新的职责，而之前这个职责只保留给控制系统。这些改变带来了很多好处，同时也带来了挑战。

工厂设备检修、工艺参数改变时都需要对仪表进行校验。总线仪表的校验概念和模拟仪表是不同的，对模拟仪表来说，其校验和量程设定使用的是同一组电位器，可以说校验和量程设定是等价的，但对于总线仪表来说,校验是指对传感器的读数和物理输出进行校正，检查是否符合已知标准。总线仪表进行校准和模拟仪表一样必须施加标准参考源。而量程设定是不需要施加参考源的，仅仅是在测量值需要运算时才进行的，不影响原始测量值的读数。

4 PROFIBUS现场总线技术的优点

一般来说PROFIBUS现场总线技术的应用，将在工厂的整个生命周期内提高效率，节省费用。其更关键的优势是：

（1）优化结构/安装

没有现场总线，每一个现场设备至少需要一组电缆。许多现场设备可能需要更多的电缆。现场总线的应用结束了很多电缆一起运行的状况。PROFIBUS能够将多条电缆减少至一根，电缆减少将节省安装费用和物理空间。

（2）快速调试

对4～20mA设备，最终用户需在现场设备和控制设备中调整量程，现场设备和控制器中量程必须匹配。使用PROFIBUS，模拟输入和输出模块从控制器中移入了现场设备中，最终用户只需要在一个地方进行量程调整。

（3）更高精度

对于4～20mA 仪表，应用PROFI⁃BUS-DP/PA现场总线技术，可直接将4～20mA信号通过DP/PA耦合器传输到控制器内，这样可减少传输过程中可能造成的精度损失。

（4）可靠的过程变量确认

没有双向制通讯，控制器可能不能判断过程变量出错。恰当的通讯方式将保证生产安全进行，这也是工厂资产管理的关键组成部分。

（5）能够进行工厂资产管理

工厂资产管理给投资带来越来越多的益处。传统情况下，过程自动化的资产管理主要专注于仪表。PROFIBUS扩展了这种定义而将各种设备包含进来，如计算机、网关、控制器、电机、机械和仪表等。PROFI⁃BUS的双向通讯是能够提高工厂资产回报率的重要手段。

5 结语

在水泥工业中应用现场总线技术，不仅可以节省硬件数量与投资，节省开销，提高水泥工厂的自动化控制水平，提高工厂运行的可靠性、经济性和技术性，并能提高生产效率，使单元级控制系统进入一个新的开放式分布分散智能化控制系统的阶段。现场总线技术的使用，实现了功能分布、位置分布真实的开放式分布系统。

[1]James Powell,P.Eng.Henry Vandelinde.Catching the Process Field bus用于过程自动化的PROFIBUS介绍[M]Ph.D,燕爱利.译.

[2]周志敏.PROFIBUS总线系统设计与应用[M].北京：中国电力出版社.