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案例頻道 摘要：本文介紹了PROFIBUS現場總線技術在生活垃圾厭氧處理中的應用，并闡述在本項目中PROFIBUS總線的系統構成。
關鍵詞：PROFIBUS；現場總線；厭氧處理；子系統；變頻器
1 引言
2010年9月北京董村垃圾綜合處理廠干法厭氧處理項目沼氣成功點火，意味著國內第一個生活垃圾厭氧處理項目的成功，我們利用PROFIBUS現場總線技術為復雜的厭氧處理工藝搭建了一個全自動控制平臺，為全廠可靠運行提供了堅實的技術保障，為垃圾厭氧處理在中國的規模化提供了一個成功范例。
2 現場總線系統結構及工藝組成
我們在本項目中選用ABB Freelance 800F開放型控制系統，該控制系統支持PROFIBUS現場總線通訊，系統配置如圖1所示。PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通訊網絡，從而為實現全廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。
PROFIBUS可分為PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS。PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。由于垃圾厭氧處理工藝中生活垃圾成分和含水率的不穩定性，再加上國內垃圾厭氧處理處于起步階段，所以關鍵工藝設備如液壓系統和離心脫水機等均為成套設備，其對應的控制均為設備自帶，對外的控制接口為PROFIBUS-DP。螺桿壓榨機由于扭矩的特殊要求而選用了自帶DP通訊卡件的智能變頻器，其對外的控制通訊接口也為PROFIBUS-DP。圖2為本項目設備自帶控制系統的PROFIBUS-DP系統結構圖；PROFIBUS-PA是專為過程自動化設計的，可使傳感器和執行機構連在一根總線上，并有本征安全規范，并且可以通過總線給現場設備供電。本工藝核心是3個直徑16米高29米的混泥土反應罐，反應罐側壁根據工藝需求布置有一定的儀表和控制閥門，罐頂根據工藝需求也布置不少的壓力表、溫度變送器、料位儀和呼吸閥。由于反應罐罐頂和主控室線纜敷設距離有100多米，并且沿罐壁敷設電纜橋架有一定的難度，所以罐頂和罐壁選用了PROFIBUS-PA儀表，圖3為本項目PROFIBUS-PA系統結構圖；PROFIBUS-FMS是用于車間級監控網絡，是一個令牌結構、實時多主網絡，本項目沒有采用，下文就不再闡述。
圖1 系統配置圖
3 PROFIBUS總線組態
下面就上述的圖1、圖2和圖3分別進行組態介紹。
由于沼氣系統需要24小時間隙攪拌，所以本項目控制系統配置選用冗余控制器（如圖1）和兩個上位機，其一為工程師站，另一為操作員站，并互為備用，上位機和控制器通過10M/100M以太網連接。
AC800F控制器和分布式I/O的連接通過PROFIBUS-DP通訊，單個AC800F控制器可以插4塊總線卡件，但不用的總線卡件槽位需用空蓋板蓋住。本項目每個控制器插了2塊FI830，此卡件支持PROFIBUS-DP通訊。第一塊FI830用來跟系統內的5個分布式I/O站通訊，同時也用來跟設備自帶控制系統和智能變頻器通訊，如圖4所示。第二塊FI830用于和現場總線儀表通訊。
圖2 PROFIBUS-DP系統結構圖
設備自帶的控制系統，對本項目來說是子系統，基本上為Siemens S7-300，子系統PLC可作為PROFIBUS總線上的一個從站。在子系統PLC存儲器中有一段特定區域可作為與主站通信的共享數據區，主站可通過通信間接控制從站子系統PLC的I/O。所以本項目中的液壓系統和離心脫水機的PLC既可以在現場實現就地控制，也可以根據整個工藝線的生產需求，通過上位機監控子系統內的各生產設備和儀表閥門。
螺桿壓榨機選用的MM440智能變頻器是采用矢量控制方式來實現閉環矢量控制方式和閉環轉矩控制方式，內置參數自整定PID控制器，并集成RS-485通訊。我們根據通訊的需要為變頻器選配了PROFIBUS-DP通訊卡件，以便于變頻器作為從站接入主控系統，類同主控對設備自帶子系統的控制，主控也可以通過遠程監控螺桿壓榨機運行狀況、電流和扭矩等信號。
圖3 PROFIBUS-PA系統結構圖
無論是Siemens S7-300還是智能變頻器作為子系統接入主控系統，都需把GSD文件作為通訊協議導入主控系統，如圖4節點6需導入S7-300 314-2DP的GSD文件。一般每個帶DP通訊的設備出廠自帶有GSD文件，也就是設備數據庫文件。GSD文件一般包括總體說明（制造商和設備名稱、軟硬件版本號、支持的波特率、可能的監控時間間隔，甚至設備標記位圖）、DP主設備的相關規定（所有只適用于DP主設備的參數，如何連接從設備最多臺數或加載和卸載的能力等）和從設備的相關規定（與從設備有關的所有規定，I/O通道的數據和類型、診斷測試的規格及I/O數據一致性信息等）。這樣只要把相應的GSD導入到主站節點中，我們就可以把此設備連接到總線上。
本項目共有30個左右的PA總線儀表，如圖5所示，每個總線儀表均可作為從站接入主控系統。一般可以用DP/PA耦合器把DP網段和現場PA網段連起來，使用耦合器時必須注意設置正確主站的參數，特別是波特率。就理論而言每個PA網段可以掛32個總線儀表，但由于受消耗電流總量的限制和使用環境的影響，一般少于32個；圖1控制器配置的第2塊FI830卡是使用ABB連接模塊來增加PA網段的，一個連接模塊通常可以集成多個總線電源模塊用以驅動幾個PA網段，這里要注意同一連接模塊下不同的PA網段內的總線地址不能重復，同時需要考慮每個網段的總消耗電流不能大于總線電源模塊所提供的電流額定值，同時必須保證現場總線儀表正常工作所需的最低電壓。
圖4 DP節點圖
由于PROFIBUS總線只用一根RS-485雙絞線連接，所以需特別注意安裝和組態，注意事項如下：
（1）PROFIBUS總線連接的末端必須加一終端電阻。當信號在電纜上傳輸時，任何附加的電阻、電容，以及線路終端等都會引起反射，引起許多信號的疊加，產生嚴重的信號干擾。為減少甚至消除反射須在每個PROFIBUS-DP網段的兩端連接終端電阻。我們選用自帶終端電阻開關的SIEMENS的D型連接器，把DP總線頭和尾的終端電阻開關打在ON，中間連接器終端開關打為OFF。同樣道理，PA網段的末端也需加一終端電阻，我們在本項目中選用Weidmuller終端電阻。
（2）總線地址編排不能重復。如圖4和圖5所示，單條總線上各節點的地址各不相同，不同總線允許重復。特別需要注意的是，總線儀表在控制系統組態時的地址必須跟現場儀表撥碼保持一致。
（3）PROFIBUS電纜的屏蔽層須在兩端可靠接地，以形成一個對地的大面積連接。在敷設總線電纜時，要確保電纜的網狀或箔狀護套使用接地板夾和地相連，當接入電氣柜時，接地點應盡可能靠近入口處。
圖5 PA儀表節點圖
4 經濟效益
從設計、設備、材料、施工到維護，現場總線成本的節約貫穿了系統全生命周期。使用現場總線的優越性可以歸納如下：
（1）現場總線可以傳送大量信息，一條總線可以掛多個設備和儀表，所以使用現場總線可以節省50%~90%的信號電纜，減少了布線和校線的工作量。
（2）PA總線儀表現場調試和標定時可以用基于FDT/DTM技術的工具，如我們項目是通過FieldCare對現場E+H總線儀表來進行量程標定和故障點定位。
（3）可以減少控制端I/O卡件、安全柵、機柜端子等硬件的配置。
（4）用戶擁有較高的系統集成主動權，可以自由選擇不同廠商的設備，避免因選擇單一產品而限制了設備的選擇范圍，以免增加不必要的成本。如在本項目中采用了ABB產品作為主控系統，而設備自帶的子系統為SIEMENS產品，總線儀表為E+H產品等。
5 總結
總上所述，北京董村項目中所采用的總線結構為混合型，即由分布式I/O從站和帶DP接口的變頻器、設備子控制系統連接，同時通過DP/PA耦合器和現場總線儀表連接，這是一種靈活的集成方案，為產品選型提供了靈活性，為現場運行維護提供了方便，必將成為日后工廠控制系統集成的發展趨勢。
參考文獻
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[3]王永華,等.現場總線技術及應用教程-從PROFIBUS到AS-i[M].北京:機械工業出版社,2007.
謝婭娟（1977-）
浙江上虞人，工程師，本科，現就職于南京恒寶利環保工程實業有限公司，主要從事自動化控制和現場儀表方面的研究。
摘自《自動化博覽》2012年第二期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號