现场总线技术PROFIBUS在电厂的应用

引言

对于老电厂的改造系统，由于大量采用非智能仪表和执行机构，全面更换、更新可能性很小，对于这样的系统，Profibus 也可以提供很好的解决方案。可以采用远程I/O 的方式，通过常规I/O 模块采集非智能仪表的信号，然后通过PROFIBUS-DP 总线连接到中央控制器。仪表和执行机构可以按设备生命周期逐批更换。

安装在制造或过程区域的现场设备与控制室内的自控装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。由于现场总线技术的出现，推动了现场智能设备和智能仪表的发展，促进了传统DCS 系统和PLC 系统的融合，并推动了FCS（以现场设备为基础形成的网络集成式全分布控制系统）的出现、发展和广泛应用。

自现场总线概念提出以来，全球各大知名自控和仪表公司开发了数十种现场总线，目前在全球范围内被广泛认可的现场总线系统包括：PROFIBUS、FF、ControlNet、PROFINET、PNET等十大总线系统。

随着电力改革的深入，实行厂网分开、竞价上网的政策，各电厂为降低运行成本、减少设备检修维护成本、缩短维护周期、实行状态检修，就需要对设备状态进行监视，并将各工艺段自动化系统整和在一起。现场总线系统的出现，彻底解决了自动化孤岛问题，使电厂基于设备状态的检修成为可能。

PROFIBUS 现场总线系统介绍

PROFIBUS 是目前国际上通用的现场总线标准之一，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：

• PROFIBUS DP：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中单元级和现场级通信。

• PROFIBUS PA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。

• PROFIBUS FMS：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：

从图中可以看出，采用PROFIBUS 现场总线的控制系统可以分成现场控制层、监控层和企业管理层三层。

现场控制层

现场控制层由现场智能设备、现场智能仪表、远程I/O 和网络设备构成。现场控制涉及PROFIBUS 协议PROFIBUS-DP 和PROFIBUS-PA 两个部分。

PROFIBUS-DP 是高速网络，通讯速率达到12M。PROFIBUS-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 总线可以最多连接123 个从站设备。PROFIBUS-DP 的拓扑结构可以是总线型、星型和树型，通讯介质可以是屏蔽双绞线、光纤，也支持红外传输，采用双绞线时，不加中继器最远通讯距离可达1.2 公里，最多可以采用9 个中继器，最远通讯距离可达9 公里。采用光纤时，最远通讯距离可达100 公里以上，其中采用多膜光纤，两点间最远距离可达3 公里，采用单膜光纤时，两点间最远距离可达3 公里。

PROFIBUS-PA 是低速现场级网络，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。PROFIBUS-PA 主要用于连接现场智能仪表，如压力、温度、液位、流量等变送器及其执行机构等。可以采用屏蔽双绞线电缆，也可采用非屏蔽双绞线电缆，可通过总线供电。

监控层

监控层由高速工业以太网以及连接在总线上的担任监控作务的工作站或显示操作站、工程师站、PLC/DCS 控制器组成。随着网络技术的不断发展，工业以太网的通讯速率也在不断提高，目前工业级的千兆以太网已经在工业自动化领域大量应用。

企业管理层

企业管理层由各种服务器和客户机组成，主要由SIS、MIS 和ERP 系统构成。其主要目的是在分布式网络环境下，将电厂各工艺段（例如DCS 系统、辅机程控系统等）的数据和信息（如过程数据、报警信息和设备状态等）进行汇总，从而集成企业的各种信息，实现与Internet 的连接，完成管理、决策和商务应用的各种功能。通过管理层，公司和集团领导可以实时监控现场设备，并通过授权还可以对各系统进行组态。