现场总线在DCS系统中的应用.docx

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现场总线在DCS系统中的应用

现场总线在DCS项目中的应用

∙作者：

镇江宏顺热电有限公司/总经理/邵明扬；科远股份/系统设计部/谢占峰

∙供稿：

南京科远

∙阅读人次：

198

∙发布时间：

2009-12-10

　　引言

　　随着科学技术的发展，工业控制过程对现场信号的采集、传输和数据转换提出了更高的要求。

而数字通信技术、网络技术和微处理技术的迅速发展，把传统的数字信号和模拟信号混合的系统变成全数字信号系统成为可能。

基于现场总线技术的控制系统FCS（FieldbusControlSystem）就是在这种背景下产生的，并成为当前过程控制领域的热点。

在传统的自动化控制工程项目中，如何将现场总线技术与DCS控制系统紧密结合并发挥出巨大的优势，引起了各用户和系统集成商的高度重视，并将此作为系统竞争力的一个具体体现。

本文结合具体项目，初步阐述了Profibus现场总线和DCS相结合的方案，方案的灵活性、经济性和技术稳定性已在工程运用中得到很好的诠释。

　　1、现场总线概述

　　1．1概念

　　现场总线是安装在生产过程区域的现场设备\仪表与控制室内的自动控制装置\系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。

其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。

　　或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

　　1．2现场总线的主要特征

　　在FCS中，现场总线的主要特征是把数字通讯技术、网络技术、微处理技术集合在一起，充分体现了当今科学技术发展中的数字化、模块化、网络化及互换性、兼容性、开放性的特点，是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术，是一次工业现场级设备通信的数字化革命。

可以从4个层面来表述现场总线的含义。

（1）现场通讯网络：

传统的DCS项目中，通讯网络的终点是控制站或者IO站，现场仪表仍是采用4-20mA.DC模拟信号送进控制系统。

而现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20mA\24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能，实现了真正意义上的现场通讯网络，把数字化通讯线一直延伸到了生产现场或者生产设备。

（2）互操作性：

不同厂商制造的设备，只要支持相同的总线通讯协议，就可以集成在一个系统内，互相通讯，运用同一个组态软件进行组态工作，以实现系统组态策略。

　　（3）分散功能：

在FCS系统中，将传统输入\输出IO控制站的一些功能分散地分配给了现场智能执行器、智能变送器、智能控制仪表、智能马达控制器等，提高了智能化和数字化的水平，大大提高了系统的可靠性。

　　（4）开放式互连网络：

现场总线为开放式互连网络，既可以与同类网络互连，也可以与不同网络互连（如TCP\IP）。

开放是网络互连还体现在网络数据共享，可以完成将现场级、车间级、企业级各个层面的数据共享和数据流动。

现代企业管理的重要基础之一就是实现数据共享。

　　1．3传统的与基于现场总线式的现场级与车间级控制系统优缺点

　　1．3．1传统的现场级与车间级控制系统

传统的现场级与车间级控制系统系统（包括：

基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统），其主要特点之一是，现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I\O点对设备的一个测控点）所谓I\O接线方式，信号传递4-20mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。

如图1-1所示：

图1-1：

传统的现场级与车间级控制系统架构

　　传统的现场级与车间级控制系统的主要缺点：

（1）信息集成能力不强：

控制器与现场设备之间靠I\O连线连接，传送4-20mA模拟量信号或24VDC等开关量信号，并以此监控现场设备。

这样，控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。

（2）系统不开放、可集成性差、专业性不强：

除现场设备均靠标准4-20mA\24VDC连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。

不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差。

这种系统很少留出接口，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，面向行业的监控系统很少。

　　（3）可靠性不易保证：

对于大范围的分布式系统，大量的I\O电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。

　　（4）可维护性不高：

由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。

另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。

　　1．3．2基于现场总线式的现场级与车间级控制系统

　　基于现场总线式的现场级与车间级控制系统的网络架构如图1-2。

图1-2：

基于现场总线式的现场级与车间级控制系统架构

　　基于现场总线的现场级与车间级控制系统主要优点：

（1）增强了现场级信息集成能力

　　现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。

现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4-20mA信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。

系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。

（2）开放式、互操作性、互换性、可集成性

　　不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。

系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。

　　（3）系统可靠性高、可维护性好

　　基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的I\O连线，对于大规模I\O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。

同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。

　　（4）降低了系统及工程成本

　　对大范围、大规模I\O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I\O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。

　　2 现场总线的分类和PROFIBUS现场总线

　　2．1现场总线的分类

　　目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。

较著名名的有基金会现场总线（FF）、HART现场总线、CAN现场总线、LONWORKS现场总线、PROFIBUS现场总线、MODBUS、CONTROLNET、DEVICENET总线等。

　　2．2PROFIBUS现场总线

　　总线标准之一的PROFIBUS技术是1987年由Siemens公司等13家企业和5家研究机构联合开发；1989年批准为德国工业标准DIN19245；1996年批准为欧洲标准EN50170V.2；1999年PROFIBUS成为国际标准IEC61158的组成部分（TypeIII）。

以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的和应用最广泛的现场总线标准。

PROFIBUS现场总线通讯协议包括三个主要部分：

ProfibusDP：

主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于自动化系统的单元级和现场级通讯。

ProfibusPA：

电源和通讯数据通过总线并行传输，主要用于过程自动化系统中单元级和现场级通讯。

ProfibusFMS：

定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。

采用PROFIBUS现场总线的自动化系统结构如下图1-3。

1-3PROFIBUS现场总线控制系统架构

从上图中可以看出采用PROFIBUS现场总线的控制系统可以分为现场控制层、监控层和企业管理层。

关于现场控制层，具体介绍如下：

现场控制层是由现场智能设备、现场智能仪表、远程I\O和网络设备组成。

现场控制涉及到PROFUBUS-DP和PROFIBUS-PA两个部分：

PROFUBUS-DP是高速网络，通讯速度可达12M。

PROFUBUS-DP可以连接远程I\O、执行机构、智能马达控制器、人机界面HMI、阀门定位器、变频器等智能设备。

一条PROFIBUS-DP总线理论上可以连接123个从站设备。

PROFUBUS-DP的拓扑结构可以是总线型、星型、树型；通讯介质可以是双绞线、光纤，也支持红外传输。

采用双绞线时，不加中继器时最远通讯距离可达1.2KM，最多可以采用9个中继器，最远通讯距离可达9KM。

采用光纤时，最远距离可达100KM以上。

PROFUBUS-PA是低速网络，通讯速率为31.25Kb\s；支持点对点连接、总线型、混合型、树型拓扑结构。

PROFUBUS-PA主要用于连接现场智能仪表，如压力、温度、流量液位等变送器及其执行机构。

通讯介质可以采用屏蔽双绞线电缆，可以采用非屏蔽双绞线电缆，可通过总线供电。

　　2．3 PROFIBUS现场总线的优点

　　1）PROFIBUS是一个完全开放的、与制造商无关的、无知识产权保护的现场总线标准。

全球有超过250家公司可以生产超过2000种支持PROFIBUS的系统和设备。

　　2）PROFIBUS具有较高的可靠性，体现在以下几个方面：

l   总线上的数据传输是完全基于数字信号实现，这样可以大幅提高信号传输过程中的抗干扰能力；

l   PROFIBUS采用总线直接连接现场智能设备，可以减少大量接线点，减少了由于接线不牢或者接线脱落引起的故障。

l   PROFIBUS连接智能设备，减少了A\D转换环节，提高了数据采集精度，为精确控制提供保证。

l   PROFIBUS上各设备的连接非常简单，可以通过专用工具和PROFIBUS接头，减少接线风险；同时PROFIBUS接头可以保证总线上任何一个节点故障不影响到整个网络的通讯正常。

l   支持冗余总线系统，提高系统可靠性。

3）   配置灵活，体现在以下方面：

l   拓扑结构灵活，可以支持总线型、星型、数型、冗余环型等各种拓扑结构；

l   支持光纤和双绞线作为通讯介质。

采用多模光纤时，两个光电模块间的距离可达3KM，采用单模光纤时，两个光电模块间的距离可达26KM。

采用双绞线不加中继器最远距离可达1公里，采用中继器可达9公里。

l   1条PROFIBUS-DP总线最多可以连接123个DP从站，所有满足PROFIBUS-DP通讯规约的设备都可以连接到系统中；

l   提供多种接口设备，可以将冗余DP总线转换成单DP总线，或者将冗余总线转换成PA总线，也可以将DP总线转换成AS-I总线，非常扩展；

l   提供用于危险领域的接口模块，可以支持在危险领域的应用；

4）   具有较高的实时性

这是由PROFIBUS总线系统的数据传输速率高做决定的。

PROFUBUS-DP通讯速度可达12M，是目前通讯速率最高的现场总线。

　　3、PRFIBUS现场总线在电厂辅控项目中的应用

 　　3．1总线式控制系统在辅控系统中的应用

　　在科远公司承接的一个1000MW级超超临界机组全厂辅助车间集中控制系统中，共包括锅炉补给水系统、凝结水精处理、净水处理、废水处理、循环水加氯、生活污水处理、脱硝液氨系统、脱硫系统、输煤系统、除灰系统、除尘系统等子系统。

　　为提高电厂自动化管理水平，实现全厂辅助车间（系统）的管理、控制一体化，要求各个系统采用以DCS为基础的现场总线控制系统，控制逻辑仍在DCS控制器中实现。

控制系统上层即人机终端与主控制器之间采用工业以太网通讯，配置两台工控机、一套冗余控制器、光电转换器等设备构成光纤高速路网，通讯速率为100M位\秒波特率。

现场设备层之间采用现场总线通讯，总线要求选用PROFIBUS-DP作为本方案的技术基础。

通讯的连接介质冗余主环网或冗余总线应选配光缆，分支现场总线通讯可选用总线电缆。

所有现场总线接口的现场仪表、智能电机控制器、变频器等可直接连接到现场总线上。

变送器、气动阀门定位器、智能电机控制器可通过耦合器（DP\PA或其它）连接到现场总线上。

现场电磁阀要求采用具有总线接口的阀岛来控制，阀岛应能方便地与现场总线进行连接。

现场的压力变送器、流量及液位变送器和压力开关（常规信号）、化学分析仪表等仪表要求采用带总线接口的工业仪表，气动阀门定位器亦采用总线，这些仪表设备都能通过耦合器（DP\PA或其它）连接到网络上。

根据以上技术要求，采用总线系统的网络结构如下图3-1（以锅炉补给水系统为例）：

图3-1：

电厂辅助车间锅炉补给水控制系统总线网络结构

在锅炉补给水现场，分布着很多总线式仪表、变送器、SIMCODE马达控制器，根据就近和危险分散的原则，在现场布置了5面总线通讯柜，分别通过PROFIBUS-DP总线与布置在控制室内的CPU通讯。

现场设备包括采用DP协议通讯的设备和采用PA设备通讯的设备，现场总线结构如下图3-2：

               图3-2：

现场总线设备网络结构

　　3．2规划PROFIBUS网络时应注意事项

　　为了使网络能够稳定可靠的运行，在规划网络时应该注意以下几个方面：

l        需要的网络附件的型号和数量。

如OLM、DP网线段有源终端电阻、PROFIBUS-DP插头、PA总线TAPS、DP\PALINK、Y-LINK等；

l        注意现场设备是通过DP还是PA协议接如总线网络；

l        现场需要多长的电缆，长度的限制是多少；

l        每个现场总线网段应合理配置网络正常工作必须的终端器，其中ProfibusDP网段的末端设备应配置有源终端器，确保网段上的设备在线热插拔时不影响网络的正常运行。

l        互为备用关系的设备或者仪表，应划分在不同的网线段。

l        需要哪些过程数据，需要设备的哪些状态信息。

　　4、现场总线的前景

　　目前制约基于现场总线的控制系统大规模使用的因素，主要使用在以下几个方面：

　　l        支持现场总线的智能设备在项目建设初期的投资成本比较高；

　　l        有些设备和仪表不带总线接口；

　　l        哪些设备和仪表信息可以传送；

　　l        系统结构如何规划，如何合理的规划一个安全可靠的基于总线的控制系统；

　　l        通讯的安全可靠性

　　l        设备选型的局限性

但从实际来说，虽然系统设备硬件成本会比传统控制系统的成本有所提高，但在电缆桥架、控制电缆、安装施工、系统调试方面，可以减少不少费用，缩短项目工期。

随着仪表、设备制造商可以提供越来越多的带总线接口的系统和设备，而且这些设备的价格越来越接近常规设备，基于现场总线的控制系统必将分系统、分阶段地逐步取代现有的分散式控制系统,更多的应用在自动化控制系统中。