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1 概述

隨著公司級信息集成系統的建成，同時磷酸生產裝置能力的不斷擴大，需要更多的來自現場設備的生產過程信息來為公司決策和磷酸工藝生產服務。傳統的儀表由于功能、信息單一，越來越不能滿足日益增長的發展要求。在云南三環化工有限公司的“18改30萬噸磷酸”項目中，利用原ABB Freelance 2000 DCS控制系統的現場總線控制器支持FF、PROFIBUS等現場總線協議的優勢，進行現場總線技術改造，可以用較少的投入來獲得所需要的性能無疑是最佳的選擇。

通過對FF和PROFIBUS現場總線的構成、改造所需現場總線儀表的種類及當前的市場價格、現場總線控制器對兩種現場總線的支持情況等因素進行比較后，決定采用PROFIBUS現場總線。

PROFIBUS是德國國家工業現場總線協議標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場總線標準。由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROBUS-FMS組成了PROFIBUS系列。其中PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信協議，專為自動控制系統和設備級分散I/O之間通信設計，用于分布式控制系統的高速數據傳輸。PROBUS-FMS為現場信息規范，解決車間級通用通信任務。DPT和FMS采用同樣的傳輸技術和統一的總線訪問協議，傳輸速率9.6kbps~12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps 時為100m，1.5 Mbps 時為400m，可用中繼器延長到10km。PROFIBUS-PA專為過程自動化設計，遵從IEC1158-2標準，滿足化工和石化工業的要求，可保持其本質安全性并使現場設備通過總線供電，傳輸速率31.25kbps，每段最大可掛接32臺儀表設備，最大掛接總數126臺儀表設備。PROFIBUS分為主設備(主站)和從設備(從站)。主站決定總線上的數據通信。當主站得到總線控制權時,不用外界請求就可以主動發送信息。從站為外圍設備,典型的從站包括：輸入/輸出裝置、閥門、驅動器和測量變送器。它們沒有總線控制權,僅對接收到的信息給予確認或當主站發出請求時向它發送信息。

2 系統結構

2.1系統網絡拓撲
　　系統網絡按功能分為二層：車間級監控、現場級

I．   車間級監控

     該層共有四臺操作員站，一臺工程師站，并且裝有OPC服務器和趨勢服務器，向下通過以太網與控制器相聯，通信協議為TCP/IP，組成工業以太網；向上通過OPC服務器將生產過程信息通過公司局域網發送至公司的實時數據庫INSQL保存，并向公司局域網發布實時生產過程信息，凡公司局域網上的電腦通過瀏覽器訪問綜合信息站服務器都能查看生產裝置的實時生產過程信息數據。工程師站運行DIGITOOL，對整個系統進行組態；操作站運行DIGIVIS,對裝置工藝過程進行監控，包括過程的實時數據、報警、趨勢、控制閥門、啟停電機，并記錄整個系統發生的事件和操作記錄。       

II．現場級

利用原有的冗余現場總線控制器AC800F，每臺控制器增加兩塊冗余的PROFIBUS通信卡FI830，相同位置的FI830兩兩相聯，組成PROFIBUS冗余通信模式。其中一塊用于掛接具有DP接口的現場總線儀表設備，構成PROFIBUS－DP總線；另外一塊掛接兩塊PROFIBUS-DP/PA轉換單元HS810，用于掛接具有PA接口的現場總線儀表設備，構成PROFIBUS－PA總線。結構見下圖

PROFIBUS-DP總線為線形總線結構，下掛具有DP接口的電磁流量計，流量計與總線通過PROFIBUS-DP T型頭連接，總線末端裝有終端電阻，通信速率為1Mbps。

PROFIBUS-PA總線為線形－樹形混合型結構。設有284mA一條和254mA一條共兩條PROFIBUS－PA總線，通過PROFIBUS-DP/PA轉換單元向上與DP總線連接，連接后的速率為12Mbps（DP側）和31.25kbps（PA側）。總線供電由供電單元向總線供24VDC。現場總線儀表設備的連接方式為T型頭（單節點）和MB204總線接線盒(四節點)，連接的從設備為具有PA總線接口的溫度和壓力變送器及電/氣閥門定位器。

2.2系統功能

ABB Freelance 2000 現場控制系統工程師站軟件為DIGITOOL V6.1 SP4，支持GSD、FDT現場總線儀表設備的編程方式。本項目采用GSD編程方式，在將現場總線儀表設備廠商提供的GSD文件導入后，通過組態定義設備的周期性輸入/輸出字節和非周期性參數，這樣就可在工程師站上方便的修改設備的參數，如儀表位號、量程、測量上/下限、電/氣閥門定位器的正反作用等。因此，本現場總線控制系統除了具有DCS系統的一般功能外，還能直接對場儀表設備進行組態、監視，對現場總線儀表設備的運行狀態、測量或控制信號失真、故障自診斷信號等進行監視。

組態及定義參數界面如下：

3 總結

本現場總線控制系統于2004年5月投運至今，系統穩定、可靠、測量控制精度高，極大地提高了勞動生產率，使生產管理上了一個新臺階。

本現場總線控制系統的成功使用，獲得如下體會：

1.成本低，施工工期短

 　采用現場總線控制系統及現場總線儀表設備后，節省了原DCS系統的I/O卡件采購費用、現場儀表電纜和橋架的采購及施工費用等，與原DCS系統相比節省投資約30%。同時，由于儀表電纜數量減少到只有3條總線和儀表橋架的完全取消，使現場儀表施工工期比原計劃縮短了50%以上。

2. 組態簡單

　 由于所有現場總線儀表設備都使用相同的現場總線功能模塊，組態變得非常相似或簡單，不需要因為現場總線儀表設備的種類不同或組態方法的不同而進行培訓或學習編程語言。功能模塊是以用戶自定義的標識符和標準參數為基礎的，用戶可以根據標識符來指定某一設備，毋需考慮設備地址、存儲記憶地址和比特編號等。組態通過計算機編輯后下裝至現場總線儀表設備。

　 由于不同廠商、不同種類的現場總線儀表設備的校準、量程設定和診斷等的操作程序基本相同，使得操作培訓和設備的更新簡單化。
3.查索更多的信息及診斷狀況

數字通信使用戶從控制室中查索所有設備的數據、組態、運行和診斷信息成為現實。而且現場總線的多變量特性為儀表及其它自動化設備的革新提供了更廣闊的天地。

現場總線儀表設備具有的自診斷功能使故障可以及時地被報告，硬件（如傳感器、執行器和記憶單元）故障，軟件方面（如組態和校準）的問題都能夠被及時報告，使儀表維護檢修人員在事故發生之前可及時確定潛在事故地點并進行維修，從而徹底改變傳統的事后維修為事前維修，保證生產系統的連續性。

4.安裝、運行、維修簡便

由于現場儀表是并行連接，端子接頭核對的工作量大大減少了，所以接線簡單，一條電纜通常可連接20個設備。

現場總線儀表設備能夠模擬輸入值、輸出值或狀態。這使得操作員在控制室內便能夠測試系統對故障及過程狀況的反應。

現場總線儀表設備可以存儲有用的信息以便于維修，信息不會丟失。大量的有用信息也被存儲于自動化設備中，這些既可以從手持終端獲取，又可從操作站獲取。
5.自由選擇不同品牌設備

所有現場總線產品采用統一的標準，這使用戶可以自由選擇不同制造商所提供的現場總線儀表設備來構建自己的現場總線控制系統。
6.數據庫的一致性
　　現場總線采用完全分散的數據庫概念。任何同現場總線接口的人機界面都可顯示有關信息，這樣就不會有重復的、不一致的數據庫。現場總線只使用一個數據庫，即分散于現場儀表中的數據庫，人機界面就是從此數據庫中獲取"定標數據"的，手持終端所查索的也是同一個數據庫。

 

參考文獻

[1] 白焰，吳鴻，楊國田．分散控制系統現場總線控制系統：基礎、評選、設計和應用．北京：中國電力出版社，2000

[2] 陽憲惠.現場總線技術及其應用.北京：清華大學出版社，1999