《自动化博览》

    摘要：本文介绍了PROFIBUS现场总线技术在生活垃圾厌氧处理中的应用，并阐述在本项目中PROFIBUS总线的系统构成。

   关键词：PROFIBUS；现场总线；厌氧处理；子系统；变频器

   1 引言

   2010年9月北京董村垃圾综合处理厂干法厌氧处理项目沼气成功点火，意味着国内第一个生活垃圾厌氧处理项目的成功，我们利用PROFIBUS现场总线技术为复杂的厌氧处理工艺搭建了一个全自动控制平台，为全厂可靠运行提供了坚实的技术保障，为垃圾厌氧处理在中国的规模化提供了一个成功范例。

   2 现场总线系统结构及工艺组成

   我们在本项目中选用ABB Freelance 800F开放型控制系统，该控制系统支持PROFIBUS现场总线通讯，系统配置如图1所示。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通讯网络，从而为实现全厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

    PROFIBUS可分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS。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。由于垃圾厌氧处理工艺中生活垃圾成分和含水率的不稳定性，再加上国内垃圾厌氧处理处于起步阶段，所以关键工艺设备如液压系统和离心脱水机等均为成套设备，其对应的控制均为设备自带，对外的控制接口为PROFIBUS-DP。螺杆压榨机由于扭矩的特殊要求而选用了自带DP通讯卡件的智能变频器，其对外的控制通讯接口也为PROFIBUS-DP。图2为本项目设备自带控制系统的PROFIBUS-DP系统结构图；PROFIBUS-PA是专为过程自动化设计的，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，并且可以通过总线给现场设备供电。本工艺核心是3个直径16米高29米的混泥土反应罐，反应罐侧壁根据工艺需求布置有一定的仪表和控制阀门，罐顶根据工艺需求也布置不少的压力表、温度变送器、料位仪和呼吸阀。由于反应罐罐顶和主控室线缆敷设距离有100多米，并且沿罐壁敷设电缆桥架有一定的难度，所以罐顶和罐壁选用了PROFIBUS-PA仪表，图3为本项目PROFIBUS-PA系统结构图；PROFIBUS-FMS是用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络，本项目没有采用，下文就不再阐述。
     
                      

                                  图1 系统配置图  

    3 PROFIBUS总线组态

    下面就上述的图1、图2和图3分别进行组态介绍。

   由于沼气系统需要24小时间隙搅拌，所以本项目控制系统配置选用冗余控制器（如图1）和两个上位机，其一为工程师站，另一为操作员站，并互为备用，上位机和控制器通过10M/100M以太网连接。

   AC800F控制器和分布式I/O的连接通过PROFIBUS-DP通讯，单个AC800F控制器可以插4块总线卡件，但不用的总线卡件槽位需用空盖板盖住。本项目每个控制器插了2块FI830，此卡件支持PROFIBUS-DP通讯。第一块FI830用来跟系统内的5个分布式I/O站通讯，同时也用来跟设备自带控制系统和智能变频器通讯，如图4所示。第二块FI830用于和现场总线仪表通讯。
         
                     

                                 图2 PROFIBUS-DP系统结构图  

   设备自带的控制系统，对本项目来说是子系统，基本上为Siemens S7-300，子系统PLC可作为PROFIBUS总线上的一个从站。在子系统PLC存储器中有一段特定区域可作为与主站通信的共享数据区，主站可通过通信间接控制从站子系统PLC的I/O。所以本项目中的液压系统和离心脱水机的PLC既可以在现场实现就地控制，也可以根据整个工艺线的生产需求，通过上位机监控子系统内的各生产设备和仪表阀门。

   螺杆压榨机选用的MM440智能变频器是采用矢量控制方式来实现闭环矢量控制方式和闭环转矩控制方式，内置参数自整定PID控制器，并集成RS-485通讯。我们根据通讯的需要为变频器选配了PROFIBUS-DP通讯卡件，以便于变频器作为从站接入主控系统，类同主控对设备自带子系统的控制，主控也可以通过远程监控螺杆压榨机运行状况、电流和扭矩等信号。
      
                   

                            图3  PROFIBUS-PA系统结构图  

   无论是Siemens S7-300还是智能变频器作为子系统接入主控系统，都需把GSD文件作为通讯协议导入主控系统，如图4节点6需导入S7-300 314-2DP的GSD文件。一般每个带DP通讯的设备出厂自带有GSD文件，也就是设备数据库文件。GSD文件一般包括总体说明（制造商和设备名称、软硬件版本号、支持的波特率、可能的监控时间间隔，甚至设备标记位图）、DP主设备的相关规定（所有只适用于DP主设备的参数，如何连接从设备最多台数或加载和卸载的能力等）和从设备的相关规定（与从设备有关的所有规定，I/O通道的数据和类型、诊断测试的规格及I/O数据一致性信息等）。这样只要把相应的GSD导入到主站节点中，我们就可以把此设备连接到总线上。

   本项目共有30个左右的PA总线仪表，如图5所示，每个总线仪表均可作为从站接入主控系统。一般可以用DP/PA耦合器把DP网段和现场PA网段连起来，使用耦合器时必须注意设置正确主站的参数，特别是波特率。就理论而言每个PA网段可以挂32个总线仪表，但由于受消耗电流总量的限制和使用环境的影响，一般少于32个；图1控制器配置的第2块FI830卡是使用ABB连接模块来增加PA网段的，一个连接模块通常可以集成多个总线电源模块用以驱动几个PA网段，这里要注意同一连接模块下不同的PA网段内的总线地址不能重复，同时需要考虑每个网段的总消耗电流不能大于总线电源模块所提供的电流额定值，同时必须保证现场总线仪表正常工作所需的最低电压。
  
                      

                                   图4 DP节点图  

   由于PROFIBUS总线只用一根RS-485双绞线连接，所以需特别注意安装和组态，注意事项如下：

   （1）PROFIBUS总线连接的末端必须加一终端电阻。当信号在电缆上传输时，任何附加的电阻、电容，以及线路终端等都会引起反射，引起许多信号的叠加，产生严重的信号干扰。为减少甚至消除反射须在每个PROFIBUS-DP网段的两端连接终端电阻。我们选用自带终端电阻开关的SIEMENS的D型连接器，把DP总线头和尾的终端电阻开关打在ON，中间连接器终端开关打为OFF。同样道理，PA网段的末端也需加一终端电阻，我们在本项目中选用Weidmuller终端电阻。

   （2）总线地址编排不能重复。如图4和图5所示，单条总线上各节点的地址各不相同，不同总线允许重复。特别需要注意的是，总线仪表在控制系统组态时的地址必须跟现场仪表拨码保持一致。

   （3）PROFIBUS电缆的屏蔽层须在两端可靠接地，以形成一个对地的大面积连接。在敷设总线电缆时，要确保电缆的网状或箔状护套使用接地板夹和地相连，当接入电气柜时，接地点应尽可能靠近入口处。
       
                      

                               图5   PA仪表节点图
   4 经济效益

   从设计、设备、材料、施工到维护，现场总线成本的节约贯穿了系统全生命周期。使用现场总线的优越性可以归纳如下：

   （1）现场总线可以传送大量信息，一条总线可以挂多个设备和仪表，所以使用现场总线可以节省50%~90%的信号电缆，减少了布线和校线的工作量。

   （2）PA总线仪表现场调试和标定时可以用基于FDT/DTM技术的工具，如我们项目是通过FieldCare对现场E+H总线仪表来进行量程标定和故障点定位。

   （3）可以减少控制端I/O卡件、安全栅、机柜端子等硬件的配置。

   （4）用户拥有较高的系统集成主动权，可以自由选择不同厂商的设备，避免因选择单一产品而限制了设备的选择范围，以免增加不必要的成本。如在本项目中采用了ABB产品作为主控系统，而设备自带的子系统为SIEMENS产品，总线仪表为E+H产品等。

   5 总结

   总上所述，北京董村项目中所采用的总线结构为混合型，即由分布式I/O从站和带DP接口的变频器、设备子控制系统连接，同时通过DP/PA耦合器和现场总线仪表连接，这是一种灵活的集成方案，为产品选型提供了灵活性，为现场运行维护提供了方便，必将成为日后工厂控制系统集成的发展趋势。

   参考文献

   [1]罗红福,胡斌,钟存福,秦菱.PROFIBUS-DP现场总线工程应用实例解析[M].北京:中国电力出版社, 2008.

   [2]韩兵,于飞.现场总线控制系统应用实例[M].北京:化学工业出版社,2006.

   [3]王永华,等.现场总线技术及应用教程-从PROFIBUS到AS-i[M].北京:机械工业出版社,2007.

   谢娅娟（1977-）

   浙江上虞人，工程师，本科，现就职于南京恒宝利环保工程实业有限公司，主要从事自动化控制和现场仪表方面的研究。  

  摘自《自动化博览》2012年第二期