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基于PROFIBUS集散控制系统的设计研究 |
| 摘 要：通过分析集散控制系统的不足，提出了在现有集散控制系统基础上融入PROFIBUS的实现方案。根据集散控制系统和PROFIBUS的技术特点,给出了系统的分层体系结构。设计了一种基于PROFIBUS的集散控制系统，详细描述了过程I/O层的网络结构，并分析了系统的实时性、可靠性和经济性等参数指标。这对于解决传统的集散控制系统的不足和实现火电厂的全面信息化有重要的借鉴意义。 关键词：现场总线;集散控制系统;网络结构; 通信;性能 0 引言 集散控制系统（DCS）由于其操作简便、稳定可靠而被广泛地用于生产过程控制领域，其主要特点是管理集中、控制分散。DCS虽然在控制功能上实现了分散，但在物理上仍是集中式控制系统，仍采用传统的集中式I/O系统（见图1）。图1中DCS的信号采用一对一的物理连接，有专门的I/O处理模块和端子板，这造成电厂电缆庞杂，工程周期长，安装调试费用高，维护困难。各DCS制造商通常采用自己定义的专用网络和协议，使不同厂家的设备或系统之间的互联存在很多困难，整个DCS系统成为一个封闭的“信息孤岛”[1]。并且DCS的现场仪表仍采用只能单向传输4～20mA模拟信号,不仅速度慢、精度低、易受到电磁干扰，而且已经越来越成为限制DCS功能发挥的瓶颈。 现场总线是将现场仪表与控制室内仪表连接起来的全数字化、双向、串行通讯网络，它的本质优点在于全数字化，实质性特点是彻底分散，更深层次的优点在于它的开放性[2]。现场总线采用分布式I/O系统（见图2），可以真正的实现控制功能和物理上的全分散性。图2中的PROFIBUS网络使用智能传感器、执行机构等现场智能设备, 采用数字信号传输，只需一对线就能将现场信号传输到过程级控制计算机，它突破了传统4～20mA模拟传输信号在精度、功能上的限制，能在控制室对现场设备进行远程在线诊断、调试、操作。由于功能进一步分散到现场智能设备中，使风险进一步分散，从而提高了系统的安全性和可靠性。  图1 基于DCS的集中式I/O系统  图2 基于PROFIBUS的分布式I/O系统 1 基于PROFIBUS的集散控制系统 目前国际上有多种现场总线标准，如PROFIBUS、FF、HART和CAN等。在众多的现场总线标准中，PROFIBUS应用最广泛，并且在我国众多领域获得成功应用。在众多的DCS厂家中，ABB贝利公司的Industrial IT Symphony系统应用最为广泛。因此，选择PROFIBUS总线和Symphony系统研究基于现场总线技术的集散控制系统，是具有代表性的。 基于PROFIBUS的DCS采用一种分层体系结构，如图3所示，从下至上系统可以分为过程I/O层、过程控制层、过程管理层和企业管理层，对应的网络分别为PROFIBUS-DP网络、控制通道Control Way（C.W）、控制网络Control Network（Cnet）和企业管理网络MIS。  图3 基于PROFIBUS的分散控制系统的结构 PROFIBUS-DP网络，使用RS485传输技术，其传输速率为9.6K bit/s～12M bit/s。主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权。令牌在所有主站中循环一周的最长时间是根据主站多少事先规定的。主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站循环查询。主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权时，没有外界请求也可以主动发送信息。从站为外围设备，如阀门、驱动器和输入输出装置，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主站发送信息。 控制通道采用的是1 Mbit/s的串行冗余总线网络，支持32个智能处理模件。智能处理模件包括通信模件对INNIS和INNPM、桥控制器BRC。通过通信模件对，控制通道可以实现与控制网络的通信。每一块桥控制器BRC通过I/O扩展总线（X.B）可以挂64个子模件，在这一层网络中，提供了与PROFIBUS现场总线的网络接口——现场总线子模件（FBS）。因此，每一块BRC都可以挂64个FBS。通过FBS，可以实现PROFIBUS-DP网络与Symphony控制通道的通信。控制通道采用的通信协议是IEEE802.3的以太网协议。 控制网络承担着过程管理、操作等数据传递的任务，采用的是速率为10 M bit/s的环形网络结构，包括中心环Central Ring和子环Ring，最多支持250个节点。使用的通信协议为多点、多目标的存储转发协议。由于没有通信指挥器，网络上各节点没有主从之分，是独立的、带有缓冲寄存器的信息转发器。同一时刻内所有的节点均能点对点地发送、转发、接收数据，并且使用了信息打包技术，因此，具有较高的通信效率。 企业管理网络采用的是标准的以太网，用于管理整个企业的各种数据。 2 PROFIBUS-DP的网络结构 由于现场总线技术适合于分散的、具有通信接口的现场受控设备系统，对于具有集中I/O的单机控制系统，现场总线技术没有明显优势，而且目前开发的现场智能设备和软件系统的品种还不是很多，价格也偏高。因此针对不同的特点应该选用不同的方案。 （1）对一些相对集中的模拟量参数，如锅炉管壁温度、金属温度、发电机静子线圈温度、转机的轴承温度等，可采用分散式I/O或远程智能I/O。如果对这些集中的测点都采用现场总线技术，不仅发挥不了现场总线的技术优势，而且还会增加成本。 （2）对单参数调节回路的设备和分布广泛较独立的测点，都采用智能变送器或智能执行机构接入现场总线。 根据现场设备是否具备PROFIBUS接口，系统有三种网络结构。 （1）总线接口型:现场设备不具备PROFIBUS接口，采用分散式I/O作为总线接口与现场设备连接。 （2）单一总线型:现场设备为都具备PROFIBUS接口的智能型设备。这是一种理想情况，可使用现场总线技术，实现完全的分布式结构，能充分享受这一先进技术所带来的利益。新建项目可能具有这种条件，就目前来看，这种方案设备成本会较高。 （3）混合型：现场设备部分具备PROFIBUS接口，这时应采用PROFIBUS+分散式I/O混合使用的办法。 无论是旧设备改造还是新建项目，希望全部使用具备PROFIBUS接口现场设备的场合可能不多，分散式I/O可作为通用的现场总线接口，是一种灵活的集成方案。因此，PROFIBUS-DP网络采用混合型网络结构，如图3中，PROFIBUS-DP网络为多主多从结构，对于无PROFIBUS接口的现场设备通过西门子公司的分布式I/O模块ET200连接到PROFIBUS-DP总线上，带PROFIBUS接口的智能设备就可以直接连到PROFIBUS-DP网络上。网络中设计了两类一类主站DPM1，它们分别通过两种不同的方式与DCS集成的。 （1）以PLC或其它控制器组成的一类主站，监控站通过PROFIBUS网卡连接到PROFIBUS总线上，作为二类主站。这种网络结构用于分散的辅助控制系统，如火电厂的水网、输煤系统。DCS的监控站可在集控室完成远程编程、参数化设置及在线监控功能，从而实现无人值班。 （2） 以坚固式PC机（COMPACT COMPUTER）+PROFIBUS接口+SOFTPLC的结构组成一类主站。这种网络结构用于其它的独立控制系统中，如火电厂的电气控制系统ECS，是一种监控站与一类主站一体化控制的网络结构，它可完成编程、故障报警、设备图形监控画面设计、数据库建立、设备状态在线图形监控、数据存储及统计、报表等功能。 3 性能分析 DCS作为工业控制通信网络，特别强调实时性和可靠性，在满足系统实时性和可靠性的基础上要充分考虑系统的经济性。 3.1 实时性 实时性是工业控制网络一项十分重要的指标。要保证整个通信网络的实时性必须满足3个时间约束条件： （1）限制每个节点每次取得通信权的时间上限值，若超过此值，无论本次通信任务是否完成，均应立即释放通信权。 （2）保证在某一固定的时间周期内，通信子网上的每一个站都有机会取得通信权。 （3）对于紧急任务，当其实时性要求临时变得很高时，应当给以优先服务。对实时性要求较高的站，也应当给予较高的优先权。 工业控制网络常用的协议有令牌总线、令牌环网和CSMA/CD。综合比较这3种网络的优缺点，作为工业过程通信网络，令牌总线比较适宜，令牌环网次之，CSMA/CD以太网最差[3]。PROFIBUS采用的是令牌总线网络，且有较高的通信速率，可以显著的改善DCS的通信性能。 工业控制网络对响应时间的要求有时比普通局域网快几百倍。由于在过程控制层采用了PROFIBUS的数字化通信网络，能大大缩短控制运算周期。在一个有着32个站点的分布系统中，PROFIBUS-DP对所有站点传送512 bit/s输入和512 bit/s输出，在12M bit/s时只需1毫秒。FCS设备对PID调节运算可达10-20次/s，而目前DCS的运算周期一般为4-5次/s[2]，这使系统调节特性得到很大的改善。在多主站PROFIBUS-DP网络中，节点数量越多，实时性越差[4]。 3.2 可靠性 可靠性是工业控制网络另一个重要指标。一般遵循三个准则： （1）系统运行不受故障影响的准则。即系统内任一装置发生故障，除故障装置所涉及的功能外，不应引起整个系统或其他功能的故障。采用冗余设计和多级操作可使故障的影响最小。 （2）系统不易发生故障的准则。即从系统现场控制层装置的可靠性着手。 （3）迅速排出故障的准则。即从故障诊断、在线监视、易维护性着手。 目前DCS的可靠性都在99.99%～99.9999%[5]之间，已经具有较高的可靠性。由于系统吸收了PLC和DCS技术成熟、稳定可靠的优点，并且在DCS的过程控制层中采用了PROFIBUS现场总线，在功能和设备上实现了彻底的分散性，可以显著地改善可靠性三个准则中的 “系统运行不受故障影响的准则”。因此，可以进一步提高系统的可靠性。 3.3 经济性 （1）PROFIBUS采用1对N接线结构，一对传输线可以接N台设备。火电厂主厂房内的热工系统属I/0点密集、立体布置的特殊大型系统，按目前DCS的标准设计，300MW 机组热工电缆约需360km。相对于集中控制方式能节约30%～40%的控制电缆，并且能节约昂贵的热电偶补偿导线。对主厂房外的辅助系统实现集中监控， 采用FCS能节约60%左右的电缆[2]。 （2）可减少电子设备间的机柜、联系电缆数量,缩小电子间的面积数量,电缆夹层也将逐步走向消亡,为最终实现驾驶仓式的控制室奠定了基础。 （3）可简化系统，降低设计、安装、调试和维护费用。 由于系统吸收了DCS的优点，具有以下FCS目前不可替代的优势： （1）PLC和DCS可以组成大型的控制系统，FCS目前在这方面比较欠缺。 （2）PLC和DCS功能全面，可以有连续、顺序、模拟量、数字量控制等，但是FCS的功能就不是很全面，特别是数字量方面。 4 结束语 现场总线技术已是一种成熟可靠的技术，随着其应用范围的不断扩大，开放的全数字化的时代必将到来。PROFIBUS总线技术在工业控制领域的应用证明，使用全分布式I/O系统代替集中式I/O系统，不仅可以显著降低成本，而且对于实现包括集基础自动化、管理自动化和决策自动化于一体的综合信息自动化有着十分重要的意义。 本文作者创新点： 1、系统设计了一种基于PROFIBUS的集散控制系统，分析了这种集散控制系统的分层体系结构的工作机理和通信原理，可以显著改善集散控制系统的实时性和可靠性。 2、论述了设计的集散控制系统的过程I/O层—PROFIBUS-DP网络结构，解决了集散控制系统采用集中式I/O的不足，能产生巨大的经济效益，并对于现场总线在集散控制系统的应用有重要的指导意义。 |