现场总线在电力行业中的应用

1引言

随着计算机、控制、通信和网络等技术的进步，现场总线在20世纪80年代中期逐渐发展起来。现场总线是应用在生产现场测量与控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多节点通信的底层控制网络。PROFIBUS是过程现场总线(ProcessFieldBus)的缩写。德国科学技术部总结了20世纪80年代德国工业界自动控制技术的发展经验，为了适应分散控制系统的发展要求。对各公司自己定义的网络协议加以规范化、公开化，使得不同厂家生产的自动控制设备在网络通信级互相兼容、遵守同一协议，以利于提高工业标准化水平，于1987年列为德国国家项目，由13家大公司(如SIEMENS、ABB、AEG等)及5家研究所经过2a多的时间完成。1991年，PROFIBUS成为德国国家标准DIN19245,1996年6月成为欧洲标准EN10170,1999年加入IEC61158协议。PROFIBUS已成为应用广泛、技术成熟的国际标准现场总线之一，广泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化等领域。

2PROFIBUS现场总线

2.1PROFIBUS系列

PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA3个兼容版本。

a.PROFIBUS-DP以DIN19245的第一部分为基础，经过优化的高速、廉价通信网络，适用于自动控制系统和设备级分散I/O之间通信。在设备级，中央控制器(如PLC、PC)通过高速串行线同分散的现场设备(如I/O、传感器、阀门、执行器等)进行通信。DP一般构成单主站系统，主从站之间采用循环数据传送方式工作，最高通信速率可达12Mbit/s。

b.PROFIBUS-FMS完成车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，实现周期性和非周期性通信。目前，PROFIBUS-FMS的作用正在为高速工业以太网HSE(HighSpeedEthernet)代替。

c.PROFIBUS-PA专为过程自动化设计,用于本质安全和现场供电的场合。

2.2PROFIBUS的协议结构和传输技术

PROFIBUS协议根据ISO74898国际标准，以开放系统互连ISO/OSI为参考模型。协议结构如图1所示。协议定义了第1层(物理层)、第2层(数据链路层)和第7层(应用层)。没有使用第3层至第6层，这样可以减少通信开支，增加效率。

2.2.1PROFIBUS的物理层

现场总线的物理层规定了总线介质、网络拓扑、传输距离、传输速率、站点数以及总线接口。它提供有关同步和比特流在物理媒体上的传输手段。PROFIBUS提供3种传输技术。

a.DP和FMS的RS485传输基本特点见表1。

b.PA的IEC1158-2传输基本特点见表2。

c.在电磁干扰很大的环境下，可以使用光纤导体提高传输距离和传输速度。许多厂商提供专用的总线插头可将RS485信号和光纤信号互相转换。

2.2.2PROFIBUS的数据链路层

数据链路层主要实现介质存取控制MAC和数据通信服务功能。MAC保证令牌的按序传递，在任意时刻总线上只有一个节点发送数据，避免信息的碰撞延时。数据通信服务提供点对点，点对多点和广播通信功能，所有电文海明距离等于4，保证数据的完整性。

2.2.3PROFIBUS的应用层

在DP和PA中没有应用层，只有复杂场合使用的FMS中有应用层。应用层由低层接口LLI和现场总线信息规范FMS2部分组成，FMS描述通信对象，提供应用服务;LLI主要实现将FMS的服务映射到数据链路层，通信连接的建立、监视和释放以及数据流控制。

3PROFIBUS在控制领域的技术优势

3.1总线存取协议--实时性

PROFIBUS主站之间采用令牌传递方式，主站和从站之间采用主从方式。令牌传递程序保证每个主站在确定的时间片内得到总线访问权限，主站得到令牌以后，根据主从关系表向从站发送和索取数据信息。这种介质存取方式确保控制系统需要的实时性。例如，主频200MHz的CPU，300个I/O点的扫描周期小于50ms。

3.2系统配置灵活

可根据应用对象的控制要求，灵活选择纯主-从系统、纯主-主系统或多主多从的混合系统。3种系列的PROFIBUS容易集成在一起，DP和FMS使用了同样的传输技术和总线存取协议，因而这2套系统可在一根双绞线上同时操作;PA和DP之间使用分段耦合器能方便地集成在一起。

3.3PROFIBUS-PA本质安全特性

PROFIBUS-PA支持总线供电。在一条双绞线上即可实现数据通信和向现场设备供电。总线的操作电源来自单一供电装

目前，我国大型冷库的制冷监控系统主要采用人工或集中式控制系统，控制器与现场设备之间靠大量的I／O电缆连接，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。控制系统传送4～20mA模拟量信号，并以此监控现场设备，这样，由于控制器获取信息量有限，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能较弱；另一方面也很难完成现场设备的动态监控、远程参数设定、修改等功能，造成制冷控制系统的信息集成能力不强和可维护性较差，影响冷库的生产效率，并给生产管理带来诸多不便。

随着计算机网络技术在工控领域的应用和发展，建立基于Profibus—DP现场总线的冷库制冷监控系统成为解决这一问题的有效途径。Profibus现场总线是一种全数字化的、串行、双向传输、多分支结构的通信网络，用于工厂／车间仪表和控制设备的局域网。由于它采用纯数字技术，在单根电缆上连接多个仪表和设备，所传递的信息量大（不仅有控制数据，也有组态、状态和诊断等数据），加之其具有更强的抗干扰性能，更低的安装、运行和维护成本，因此其在冷库制冷监控系统中的应用，将大大减少布线工作量与电缆投资，避免信号干扰，使系统更可靠，操作更简便，监控更直观。

2、系统组成及主要功能

该万吨冷库制冷系统有一台独立的开启式螺杆压缩机，分别给六个库房供冷，库房用循环风机吹送冷风，其中，1号—5号库是冷冻库，有60个—18℃测温点，6号库是冷藏库，有12个0～4℃测温点；控制风机12组共计60台风机。控制系统要求自动控制冲霜过程，压缩机、氨泵、水泵、冷风机等设备的开、停及压缩机的能量增减。在中央控制室监控冷库各制冷设备的运行状况、显示库房温度、回气总管压力、冷凝总管压力、低压循环桶的液位、各台压缩机的运行参数及曲线。库房的温度、总管压力可以根据实际需要，在中控室进行设定。

2.1系统组成

根据以上制冷工艺的要求，该监控系统由Profibus—DP总线构成单主从工作方式，如图1所示。主站选用Siemens的S7—300PLC（CPU315—2DP），站地址设为2，实现总线通信控制与管理，完成周期性数据访问。从站为三台S7——200PLC（CPU226）和一块远程I／O（ET200M），站地址分别设定为3、4、5、6。主站与S7—200PLC从站之间的Profibus—DP通信是通过EM277通信模块将CPU226作为DP从站实现的。上位机选用研华工控机，内置专用的通信网卡CP5611，通过MPI口与PLC相连。工控机作为人机操作站，装有西门子的编程软件STEP7V5.1和组态王监控软件。利用STEP7V5.1编程软件首先对系统进行相应网络配置，如通信端口的设置，站地址和数据传输速率的设定等；然后通过MPI端口对主站S7—300进行硬件组态，由电源模块PS307、CPU315—2DP、模拟量输出模块SM332、数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322组成。上位机选用组态王进行各种画面的组态，实现数据浏览、参数设定、手／自动操作、故障报警、历史数据记录等操作，监控制冷控制系统的有关参量，并具有完备的报表管理功能。

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