李若明

(康寧(上海)管理有限公司亞太工程部，上海 200433)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，通信的方式和結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，信息傳遞的實(shí)時(shí)性和正確性有了很大的提高，而且在傳輸距離和數(shù)據(jù)的可靠性方面也得到極大的改善。通信技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)生了深刻變革，信息技術(shù)正在迅速滲透到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備層[1]，其中在工廠生產(chǎn)控制系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的Profibus通信方式也有了很大的發(fā)展。作為工業(yè)控制行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)通信技術(shù)之一，Profibus通信技術(shù)得到了絕大多數(shù)DCS和PLC控制系統(tǒng)設(shè)備制造商的支持，其在遠(yuǎn)程I/O站的控制設(shè)計(jì)中已經(jīng)成為一種普遍的方案[2]。本文著重介紹了Profibus通信技術(shù)在馬達(dá)控制中心(motor control center，MCC)和現(xiàn)場(chǎng)防爆區(qū)域中的設(shè)計(jì)方案和應(yīng)用的實(shí)例，為Profibus技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力的證明。

1 Profibus通信技術(shù)簡(jiǎn)介

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備數(shù)字化的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)信息集成能力，組成的系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好，且總線協(xié)議是開(kāi)放的。在現(xiàn)有的各種現(xiàn)場(chǎng)總線中，Profibus總線占有很大的市場(chǎng)份額[3]。Profibus是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它與RS-485通信的不同之處在于其數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議[4]。Profibus傳送速度可在 9.6 kbits～12 Mbit/s范圍內(nèi)選擇。當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。

Profibus廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他自動(dòng)化領(lǐng)域[5]。Profibus是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供可行的解決方案。Profibus協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO 7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(open system interconnection，OSI)作為參考模型。按照功能不同，Profibus主要分為DP、PA與柔性制造系統(tǒng)(flexible manufacture system，F(xiàn)MS)三個(gè)主要組成部分[6]。近年來(lái)，隨著工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，F(xiàn)MS已淡出市場(chǎng)。Profibus-PA主要用于直接連接現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表和閥門，它的使用代表了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的高端應(yīng)用。它可以替代傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程I/O站，實(shí)現(xiàn)控制功能，是 Profibus-DP向現(xiàn)場(chǎng)的延伸[7]，是采用Profibus的通信協(xié)議和最適合現(xiàn)場(chǎng)儀表的傳輸技術(shù)。本文主要討論的是Profibus-DP的應(yīng)用。

2 精細(xì)化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 實(shí)例項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目為某美國(guó)材料企業(yè)在上海全資投資的一個(gè)精細(xì)化工工廠，其主要生產(chǎn)產(chǎn)品為膠水原料。該原料被廣泛應(yīng)用于該企業(yè)的下游產(chǎn)品的制造過(guò)程。此工廠是一個(gè)比較典型的精細(xì)化工企業(yè)，其工廠區(qū)域主要由倉(cāng)庫(kù)、罐區(qū)、生產(chǎn)大樓以及辦公大樓組成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，工廠的罐區(qū)和生產(chǎn)大樓被定義為防爆區(qū)域1區(qū)，而本工廠的中央控制系統(tǒng)、MCC機(jī)柜和現(xiàn)場(chǎng)操作員使用的控制屏都位于生產(chǎn)大樓中。康寧(上海)管理有限公司所屬的美施威爾工業(yè)自動(dòng)化(上海)有限公司作為控制系統(tǒng)和MCC設(shè)備的供貨方，負(fù)責(zé)全廠生產(chǎn)控制系統(tǒng)、MCC設(shè)備和工廠空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試。該項(xiàng)目的主要工作內(nèi)容為:控制系統(tǒng)和MCC設(shè)備的盤柜設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O站和操作屏的設(shè)計(jì)以及各子系統(tǒng)間通信方式的設(shè)計(jì)(尤其是控制系統(tǒng)和MCC設(shè)備間的通信)。

本控制系統(tǒng)是以西門子的PCS7系統(tǒng)為基本框架構(gòu)建而成的。按照設(shè)計(jì)要求，最終控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.1 Network architecture of control system

2.2 電機(jī)系統(tǒng)控制中的應(yīng)用

常規(guī)馬達(dá)中心的控制是由DCS通過(guò)硬接線的方式實(shí)現(xiàn)的，這種方式的最大缺點(diǎn)是需要大量的電纜。這既占用了較大的空間，又增加了配管和電纜橋架施工的工作量，同時(shí)也增大了由于接線錯(cuò)誤而產(chǎn)生錯(cuò)誤點(diǎn)的幾率，最終給以后的維護(hù)工作帶來(lái)較大的不便。此外，該做法的人工和材料成本較大。針對(duì)以上缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始在一些項(xiàng)目中使用通信的方法來(lái)進(jìn)行MCC的控制。開(kāi)始時(shí)，通信技術(shù)并不非常成熟和穩(wěn)定，傳輸數(shù)據(jù)的速率也比較低，達(dá)不到控制實(shí)時(shí)性的要求。因此，常利用通信來(lái)傳輸一些模擬量的信號(hào)，如變頻器的速度設(shè)定和轉(zhuǎn)速反饋等。近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性得到了很大的提高，應(yīng)用的范圍和規(guī)模在不斷地?cái)U(kuò)大[8]。

在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，MCC的控制都通過(guò)Profibus-DP來(lái)實(shí)現(xiàn)，DCS對(duì)MCC的控制沒(méi)有使用一根硬接線，只需要一根Profibus通信電纜，就能完成所有的控制要求。本項(xiàng)目中的MCC設(shè)備選用的是西門子的低壓控制產(chǎn)品SIMOCODE(一般電機(jī)的啟停、保護(hù)和診斷)和變頻器MM440(變頻電機(jī)的啟停、保護(hù)和診斷)，它們都支持以Profibus通信方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)定和啟?？刂?。

在此設(shè)計(jì)中，需要介紹一下Profibus中繼器的使用。一般來(lái)說(shuō)，中繼器起到放大信號(hào)和增加傳輸距離的作用，但在本項(xiàng)目中使用到其另一個(gè)非常有用的網(wǎng)絡(luò)分段功能，這個(gè)功能常常被大家所忽視。當(dāng)然這兩個(gè)功能不同，安裝的位置也不同。安裝在控制器柜中的為分段功能，而安裝在中間過(guò)渡柜中的就是中繼功能。因?yàn)镻rofibus在通過(guò)中繼器后會(huì)形成一個(gè)獨(dú)立的新的網(wǎng)段，所以使用一個(gè)中繼器就等于產(chǎn)生出一個(gè)新的Profibus網(wǎng)段，新舊網(wǎng)段間彼此獨(dú)立互不影響，而中繼器之間使用串型連接，從而連接起整個(gè)Profibus網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)單個(gè)中繼器的操作，可以實(shí)現(xiàn)通斷其中的一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)段工作，但并不影響其他網(wǎng)段的正常工作，這種設(shè)計(jì)方式的應(yīng)用為單個(gè)區(qū)域的停車維護(hù)提供了可能。

西門子的DCS控制系統(tǒng)PCS7專門為SIMOCODE和MM440開(kāi)發(fā)了編程模塊，只要填入相對(duì)應(yīng)設(shè)備的Profibus讀/寫字節(jié)地址，就能方便地實(shí)現(xiàn)基本控制和診斷功能。此類模塊還帶有供操作員使用的標(biāo)準(zhǔn)操作界面，不需要額外的編程工作。但是此類模塊需要和PCS7配合使用，且需要另外購(gòu)買。項(xiàng)目中有些MCC設(shè)備分為本地和遠(yuǎn)程兩種啟動(dòng)方式，通過(guò)在MCC設(shè)備中參數(shù)的設(shè)置可以完全實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)方式的切換。通過(guò)通信字可以將PCS7中的連鎖信號(hào)傳輸?shù)組CC設(shè)備中，這樣在設(shè)備本地啟停模式中也可以實(shí)現(xiàn)連鎖功能。需要注意的是，在一些關(guān)鍵的緊急停車回路中，建議使用硬接線的方式來(lái)達(dá)到可靠性和實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)要求;在設(shè)計(jì)時(shí)，要注意在同一網(wǎng)段中連接的設(shè)備需要加以限制，在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)可以適當(dāng)降低Profibus的通信速率來(lái)保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2.3 防爆區(qū)域控制中的應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，罐區(qū)和生產(chǎn)大樓的控制點(diǎn)都位于防爆區(qū)域中，防爆區(qū)域等級(jí)為1區(qū)，防爆方法為本安(Exi)。常規(guī)的設(shè)計(jì)方法是將控制信號(hào)從位于防爆區(qū)內(nèi)的設(shè)備連接到現(xiàn)場(chǎng)的防爆接線盒中，再?gòu)慕泳€盒通過(guò)本安電纜從專用電纜橋架連接到中央控制室。這種方法也存在浪費(fèi)電纜、增加錯(cuò)誤點(diǎn)幾率和維護(hù)困難等缺點(diǎn)。在本項(xiàng)目的防爆設(shè)計(jì)中，選用了西門子本安遠(yuǎn)程I/O站和ET200isp模塊。使用一個(gè)增安的不銹鋼防爆接線箱(Exe)，可以將ET200isp直接安裝在靠近控制點(diǎn)的防爆區(qū)域內(nèi);而本安遠(yuǎn)程I/O站與中央控制系統(tǒng)僅用兩根Profibus通信電纜(冗余系統(tǒng))連接，用來(lái)傳輸控制指令和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。該遠(yuǎn)程I/O站中安裝的所有輸入輸出卡件可以直接連接現(xiàn)場(chǎng)的本安信號(hào)，其集成了一般I/O卡件和安全柵的功能，大大節(jié)約了安裝空間，減少了柜內(nèi)的跨接線，為維護(hù)人員提供了極大的方便?；芈烦霈F(xiàn)問(wèn)題時(shí)，維護(hù)人員只需檢查從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到防爆箱的那一段線路，其他的線路只要保證遠(yuǎn)程I/O站與DCS控制系統(tǒng)的通信正常即可。ET200isp的電源模塊為防爆箱的所有卡件和控制回路提供防爆的電源，用戶只需要接兩路24 VDC(冗余)電源到防爆箱即可。在該方案中，西門子提供了一個(gè)RS-Coupler的設(shè)備，通過(guò)該設(shè)備將一般的Profibus通信方式轉(zhuǎn)化為本安的Profibus通信方式，在通信電纜硬件上的區(qū)別僅是需要使用本安的Profibus通信接頭來(lái)代替原來(lái)的一般接頭，電纜仍使用一般的Profibus通信電纜。

本方案的最大優(yōu)勢(shì)是節(jié)約電纜，特別是成本和要求很高的本安電纜。一般的I/O模塊和安全柵的有效結(jié)合也使卡件直接安裝于防爆區(qū)域和連接現(xiàn)場(chǎng)的防爆信號(hào)成為了可能。

3 應(yīng)用實(shí)例中的問(wèn)題和缺陷

Profibus通信技術(shù)在本項(xiàng)目的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中占有重要地位，它的有效應(yīng)用體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中的發(fā)展和進(jìn)步[9]，但是由于其屬于比較新的技術(shù)，應(yīng)用的實(shí)例并不很多，而且領(lǐng)域也并不廣泛，所以在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還存在不少缺陷和值得改進(jìn)之處。

在本項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中，Profibus主要存在以下三個(gè)主要問(wèn)題。

①Profibus通信采用的是總線型連接方式，但在實(shí)際應(yīng)用中還是一段一段的串型連接，中間只要有一段線路出現(xiàn)故障，則所有在此故障點(diǎn)以后的節(jié)點(diǎn)都會(huì)無(wú)法正常通信。

②西門子的MM440變頻器需要外加Profibus通信接口，其在與本身變頻器進(jìn)行連接時(shí)存在不容易完全匹配的問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間使用，接口部分容易損壞。在軟件方面，Profibus通信的一些參數(shù)在掉電的情況下也容易丟失。

③由于Profibus通信網(wǎng)絡(luò)不能容納過(guò)量的通信錯(cuò)誤，所以遠(yuǎn)程I/O站的熱插拔功能比較薄弱，只有一些特定位置的卡件可以在線更換，而且一次不能多于一塊，這是Profibus目前存在和無(wú)法解決的最大問(wèn)題，其必然會(huì)增大在線維護(hù)和查錯(cuò)的困難。

以上三點(diǎn)是主要的問(wèn)題，當(dāng)然還存在一些其他的問(wèn)題，如本安卡件類型單一、驅(qū)動(dòng)能力不足和通信地址更改麻煩等問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)一個(gè)精細(xì)化工工業(yè)中的Profibus通信技術(shù)應(yīng)用實(shí)例，描述了該技術(shù)的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和不足之處，從本文的敘述可以看出，Profibus通信技術(shù)發(fā)展快速應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。但是在其發(fā)展過(guò)程中，除了在Profibus-PA方面需要大力開(kāi)發(fā)外[10]，在解決通信故障方面也有很多工作需要完成，希望通過(guò)大家的努力，盡快使該技術(shù)得到補(bǔ)充和完善。

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