控制网

1 概述

随着公司级信息集成系统的建成，同时磷酸生产装置能力的不断扩大，需要更多的来自现场设备的生产过程信息来为公司决策和磷酸工艺生产服务。传统的仪表由于功能、信息单一，越来越不能满足日益增长的发展要求。在云南三环化工有限公司的“18改30万吨磷酸”项目中，利用原ABB Freelance 2000 DCS控制系统的现场总线控制器支持FF、PROFIBUS等现场总线协议的优势，进行现场总线技术改造，可以用较少的投入来获得所需要的性能无疑是最佳的选择。

通过对FF和PROFIBUS现场总线的构成、改造所需现场总线仪表的种类及当前的市场价格、现场总线控制器对两种现场总线的支持情况等因素进行比较后，决定采用PROFIBUS现场总线。

PROFIBUS是德国国家工业现场总线协议标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROBUS-FMS组成了PROFIBUS系列。其中PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信协议，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输。PROBUS-FMS为现场信息规范，解决车间级通用通信任务。DPT和FMS采用同样的传输技术和统一的总线访问协议，传输速率9.6kbps~12Mbps，最大传输距离在12Mbps 时为100m，1.5 Mbps 时为400m，可用中继器延长到10km。PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，遵从IEC1158-2标准，满足化工和石化工业的要求，可保持其本质安全性并使现场设备通过总线供电，传输速率31.25kbps，每段最大可挂接32台仪表设备，最大挂接总数126台仪表设备。PROFIBUS分为主设备(主站)和从设备(从站)。主站决定总线上的数据通信。当主站得到总线控制权时,不用外界请求就可以主动发送信息。从站为外围设备,典型的从站包括：输入/输出装置、阀门、驱动器和测量变送器。它们没有总线控制权,仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。

2 系统结构

2.1系统网络拓扑
　　系统网络按功能分为二层：车间级监控、现场级

I．   车间级监控

     该层共有四台操作员站，一台工程师站，并且装有OPC服务器和趋势服务器，向下通过以太网与控制器相联，通信协议为TCP/IP，组成工业以太网；向上通过OPC服务器将生产过程信息通过公司局域网发送至公司的实时数据库INSQL保存，并向公司局域网发布实时生产过程信息，凡公司局域网上的电脑通过浏览器访问综合信息站服务器都能查看生产装置的实时生产过程信息数据。工程师站运行DIGITOOL，对整个系统进行组态；操作站运行DIGIVIS,对装置工艺过程进行监控，包括过程的实时数据、报警、趋势、控制阀门、启停电机，并记录整个系统发生的事件和操作记录。       

II．现场级

利用原有的冗余现场总线控制器AC800F，每台控制器增加两块冗余的PROFIBUS通信卡FI830，相同位置的FI830两两相联，组成PROFIBUS冗余通信模式。其中一块用于挂接具有DP接口的现场总线仪表设备，构成PROFIBUS－DP总线；另外一块挂接两块PROFIBUS-DP/PA转换单元HS810，用于挂接具有PA接口的现场总线仪表设备，构成PROFIBUS－PA总线。结构见下图

PROFIBUS-DP总线为线形总线结构，下挂具有DP接口的电磁流量计，流量计与总线通过PROFIBUS-DP T型头连接，总线末端装有终端电阻，通信速率为1Mbps。

PROFIBUS-PA总线为线形－树形混合型结构。设有284mA一条和254mA一条共两条PROFIBUS－PA总线，通过PROFIBUS-DP/PA转换单元向上与DP总线连接，连接后的速率为12Mbps（DP侧）和31.25kbps（PA侧）。总线供电由供电单元向总线供24VDC。现场总线仪表设备的连接方式为T型头（单节点）和MB204总线接线盒(四节点)，连接的从设备为具有PA总线接口的温度和压力变送器及电/气阀门定位器。

2.2系统功能

ABB Freelance 2000 现场控制系统工程师站软件为DIGITOOL V6.1 SP4，支持GSD、FDT现场总线仪表设备的编程方式。本项目采用GSD编程方式，在将现场总线仪表设备厂商提供的GSD文件导入后，通过组态定义设备的周期性输入/输出字节和非周期性参数，这样就可在工程师站上方便的修改设备的参数，如仪表位号、量程、测量上/下限、电/气阀门定位器的正反作用等。因此，本现场总线控制系统除了具有DCS系统的一般功能外，还能直接对场仪表设备进行组态、监视，对现场总线仪表设备的运行状态、测量或控制信号失真、故障自诊断信号等进行监视。

组态及定义参数界面如下：

3 总结

本现场总线控制系统于2004年5月投运至今，系统稳定、可靠、测量控制精度高，极大地提高了劳动生产率，使生产管理上了一个新台阶。

本现场总线控制系统的成功使用，获得如下体会：

1.成本低，施工工期短

 　采用现场总线控制系统及现场总线仪表设备后，节省了原DCS系统的I/O卡件采购费用、现场仪表电缆和桥架的采购及施工费用等，与原DCS系统相比节省投资约30%。同时，由于仪表电缆数量减少到只有3条总线和仪表桥架的完全取消，使现场仪表施工工期比原计划缩短了50%以上。

2. 组态简单

　 由于所有现场总线仪表设备都使用相同的现场总线功能模块，组态变得非常相似或简单，不需要因为现场总线仪表设备的种类不同或组态方法的不同而进行培训或学习编程语言。功能模块是以用户自定义的标识符和标准参数为基础的，用户可以根据标识符来指定某一设备，毋需考虑设备地址、存储记忆地址和比特编号等。组态通过计算机编辑后下装至现场总线仪表设备。

　 由于不同厂商、不同种类的现场总线仪表设备的校准、量程设定和诊断等的操作程序基本相同，使得操作培训和设备的更新简单化。
3.查索更多的信息及诊断状况

数字通信使用户从控制室中查索所有设备的数据、组态、运行和诊断信息成为现实。而且现场总线的多变量特性为仪表及其它自动化设备的革新提供了更广阔的天地。

现场总线仪表设备具有的自诊断功能使故障可以及时地被报告，硬件（如传感器、执行器和记忆单元）故障，软件方面（如组态和校准）的问题都能够被及时报告，使仪表维护检修人员在事故发生之前可及时确定潜在事故地点并进行维修，从而彻底改变传统的事后维修为事前维修，保证生产系统的连续性。

4.安装、运行、维修简便

由于现场仪表是并行连接，端子接头核对的工作量大大减少了，所以接线简单，一条电缆通常可连接20个设备。

现场总线仪表设备能够模拟输入值、输出值或状态。这使得操作员在控制室内便能够测试系统对故障及过程状况的反应。

现场总线仪表设备可以存储有用的信息以便于维修，信息不会丢失。大量的有用信息也被存储于自动化设备中，这些既可以从手持终端获取，又可从操作站获取。
5.自由选择不同品牌设备

所有现场总线产品采用统一的标准，这使用户可以自由选择不同制造商所提供的现场总线仪表设备来构建自己的现场总线控制系统。
6.数据库的一致性
　　现场总线采用完全分散的数据库概念。任何同现场总线接口的人机界面都可显示有关信息，这样就不会有重复的、不一致的数据库。现场总线只使用一个数据库，即分散于现场仪表中的数据库，人机界面就是从此数据库中获取"定标数据"的，手持终端所查索的也是同一个数据库。

 

参考文献

[1] 白焰，吴鸿，杨国田．分散控制系统现场总线控制系统：基础、评选、设计和应用．北京：中国电力出版社，2000

[2] 阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社，1999