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    摘要：本文介紹了PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在生活垃圾厭氧處理中的應(yīng)用，并闡述在本項(xiàng)目中PROFIBUS總線(xiàn)的系統(tǒng)構(gòu)成。

   關(guān)鍵詞：PROFIBUS；現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)；厭氧處理；子系統(tǒng)；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(xiàng)目沼氣成功點(diǎn)火，意味著國(guó)內(nèi)第一個(gè)生活垃圾厭氧處理項(xiàng)目的成功，我們利用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為復(fù)雜的厭氧處理工藝搭建了一個(gè)全自動(dòng)控制平臺(tái)，為全廠可靠運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障，為垃圾厭氧處理在中國(guó)的規(guī)模化提供了一個(gè)成功范例。

   2 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工藝組成

   我們?cè)诒卷?xiàng)目中選用ABB Freelance 800F開(kāi)放型控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)支持PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通訊，系統(tǒng)配置如圖1所示。PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車(chē)間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車(chē)間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)全廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)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(wěn)定性，再加上國(guó)內(nèi)垃圾厭氧處理處于起步階段，所以關(guān)鍵工藝設(shè)備如液壓系統(tǒng)和離心脫水機(jī)等均為成套設(shè)備，其對(duì)應(yīng)的控制均為設(shè)備自帶，對(duì)外的控制接口為PROFIBUS-DP。螺桿壓榨機(jī)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(duì)外的控制通訊接口也為PROFIBUS-DP。圖2為本項(xiàng)目設(shè)備自帶控制系統(tǒng)的PROFIBUS-DP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；PROFIBUS-PA是專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)的，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連在一根總線(xiàn)上，并有本征安全規(guī)范，并且可以通過(guò)總線(xiàn)給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。本工藝核心是3個(gè)直徑16米高29米的混泥土反應(yīng)罐，反應(yīng)罐側(cè)壁根據(jù)工藝需求布置有一定的儀表和控制閥門(mén)，罐頂根據(jù)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(yīng)罐罐頂和主控室線(xiàn)纜敷設(shè)距離有100多米，并且沿罐壁敷設(shè)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(xiàng)目PROFIBUS-PA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；PROFIBUS-FMS是用于車(chē)間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)，本項(xiàng)目沒(méi)有采用，下文就不再闡述。
     
                      

                                  圖1 系統(tǒng)配置圖  

    3 PROFIBUS總線(xiàn)組態(tài)

    下面就上述的圖1、圖2和圖3分別進(jìn)行組態(tài)介紹。

   由于沼氣系統(tǒng)需要24小時(shí)間隙攪拌，所以本項(xiàng)目控制系統(tǒng)配置選用冗余控制器（如圖1）和兩個(gè)上位機(jī)，其一為工程師站，另一為操作員站，并互為備用，上位機(jī)和控制器通過(guò)10M/100M以太網(wǎng)連接。

   AC800F控制器和分布式I/O的連接通過(guò)PROFIBUS-DP通訊，單個(gè)AC800F控制器可以插4塊總線(xiàn)卡件，但不用的總線(xiàn)卡件槽位需用空蓋板蓋住。本項(xiàng)目每個(gè)控制器插了2塊FI830，此卡件支持PROFIBUS-DP通訊。第一塊FI830用來(lái)跟系統(tǒng)內(nèi)的5個(gè)分布式I/O站通訊，同時(shí)也用來(lái)跟設(shè)備自帶控制系統(tǒng)和智能變頻器通訊，如圖4所示。第二塊FI830用于和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表通訊。
         
                     

                                 圖2 PROFIBUS-DP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖  

   設(shè)備自帶的控制系統(tǒng)，對(duì)本項(xiàng)目來(lái)說(shuō)是子系統(tǒng)，基本上為Siemens S7-300，子系統(tǒng)PLC可作為PROFIBUS總線(xiàn)上的一個(gè)從站。在子系統(tǒng)PLC存儲(chǔ)器中有一段特定區(qū)域可作為與主站通信的共享數(shù)據(jù)區(qū)，主站可通過(guò)通信間接控制從站子系統(tǒng)PLC的I/O。所以本項(xiàng)目中的液壓系統(tǒng)和離心脫水機(jī)的PLC既可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)就地控制，也可以根據(jù)整個(gè)工藝線(xiàn)的生產(chǎn)需求，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)內(nèi)的各生產(chǎn)設(shè)備和儀表閥門(mén)。

   螺桿壓榨機(jī)選用的MM440智能變頻器是采用矢量控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)矢量控制方式和閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式，內(nèi)置參數(shù)自整定PID控制器，并集成RS-485通訊。我們根據(jù)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(tǒng)，類(lèi)同主控對(duì)設(shè)備自帶子系統(tǒng)的控制，主控也可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控螺桿壓榨機(jī)運(yùn)行狀況、電流和扭矩等信號(hào)。
      
                   

                            圖3  PROFIBUS-PA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖  

   無(wú)論是Siemens S7-300還是智能變頻器作為子系統(tǒng)接入主控系統(tǒng)，都需把GSD文件作為通訊協(xié)議導(dǎo)入主控系統(tǒng)，如圖4節(jié)點(diǎn)6需導(dǎo)入S7-300 314-2DP的GSD文件。一般每個(gè)帶DP通訊的設(shè)備出廠自帶有GSD文件，也就是設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件。GSD文件一般包括總體說(shuō)明（制造商和設(shè)備名稱(chēng)、軟硬件版本號(hào)、支持的波特率、可能的監(jiān)控時(shí)間間隔，甚至設(shè)備標(biāo)記位圖）、DP主設(shè)備的相關(guān)規(guī)定（所有只適用于DP主設(shè)備的參數(shù)，如何連接從設(shè)備最多臺(tái)數(shù)或加載和卸載的能力等）和從設(shè)備的相關(guān)規(guī)定（與從設(shè)備有關(guān)的所有規(guī)定，I/O通道的數(shù)據(jù)和類(lèi)型、診斷測(cè)試的規(guī)格及I/O數(shù)據(jù)一致性信息等）。這樣只要把相應(yīng)的GSD導(dǎo)入到主站節(jié)點(diǎn)中，我們就可以把此設(shè)備連接到總線(xiàn)上。

   本項(xiàng)目共有30個(gè)左右的PA總線(xiàn)儀表，如圖5所示，每個(gè)總線(xiàn)儀表均可作為從站接入主控系統(tǒng)。一般可以用DP/PA耦合器把DP網(wǎng)段和現(xiàn)場(chǎng)PA網(wǎng)段連起來(lái)，使用耦合器時(shí)必須注意設(shè)置正確主站的參數(shù)，特別是波特率。就理論而言每個(gè)PA網(wǎng)段可以?huà)?2個(gè)總線(xiàn)儀表，但由于受消耗電流總量的限制和使用環(huán)境的影響，一般少于32個(gè)；圖1控制器配置的第2塊FI830卡是使用ABB連接模塊來(lái)增加PA網(wǎng)段的，一個(gè)連接模塊通常可以集成多個(gè)總線(xiàn)電源模塊用以驅(qū)動(dòng)幾個(gè)PA網(wǎng)段，這里要注意同一連接模塊下不同的PA網(wǎng)段內(nèi)的總線(xiàn)地址不能重復(fù)，同時(shí)需要考慮每個(gè)網(wǎng)段的總消耗電流不能大于總線(xiàn)電源模塊所提供的電流額定值，同時(shí)必須保證現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表正常工作所需的最低電壓。
  
                      

                                   圖4 DP節(jié)點(diǎn)圖  

   由于PROFIBUS總線(xiàn)只用一根RS-485雙絞線(xiàn)連接，所以需特別注意安裝和組態(tài)，注意事項(xiàng)如下：

   （1）PROFIBUS總線(xiàn)連接的末端必須加一終端電阻。當(dāng)信號(hào)在電纜上傳輸時(shí)，任何附加的電阻、電容，以及線(xiàn)路終端等都會(huì)引起反射，引起許多信號(hào)的疊加，產(chǎn)生嚴(yán)重的信號(hào)干擾。為減少甚至消除反射須在每個(gè)PROFIBUS-DP網(wǎng)段的兩端連接終端電阻。我們選用自帶終端電阻開(kāi)關(guān)的SIEMENS的D型連接器，把DP總線(xiàn)頭和尾的終端電阻開(kāi)關(guān)打在ON，中間連接器終端開(kāi)關(guān)打?yàn)镺FF。同樣道理，PA網(wǎng)段的末端也需加一終端電阻，我們?cè)诒卷?xiàng)目中選用Weidmuller終端電阻。

   （2）總線(xiàn)地址編排不能重復(fù)。如圖4和圖5所示，單條總線(xiàn)上各節(jié)點(diǎn)的地址各不相同，不同總線(xiàn)允許重復(fù)。特別需要注意的是，總線(xiàn)儀表在控制系統(tǒng)組態(tài)時(shí)的地址必須跟現(xiàn)場(chǎng)儀表?yè)艽a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(gè)對(duì)地的大面積連接。在敷設(shè)總線(xiàn)電纜時(shí)，要確保電纜的網(wǎng)狀或箔狀護(hù)套使用接地板夾和地相連，當(dāng)接入電氣柜時(shí)，接地點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近入口處。
       
                      

                               圖5   PA儀表節(jié)點(diǎn)圖
   4 經(jīng)濟(jì)效益

   從設(shè)計(jì)、設(shè)備、材料、施工到維護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)成本的節(jié)約貫穿了系統(tǒng)全生命周期。使用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的優(yōu)越性可以歸納如下：

   （1）現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)可以傳送大量信息，一條總線(xiàn)可以?huà)於鄠€(gè)設(shè)備和儀表，所以使用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)可以節(jié)省50%~90%的信號(hào)電纜，減少了布線(xiàn)和校線(xiàn)的工作量。

   （2）PA總線(xiàn)儀表現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和標(biāo)定時(shí)可以用基于FDT/DTM技術(shù)的工具，如我們項(xiàng)目是通過(guò)FieldCare對(duì)現(xiàn)場(chǎng)E+H總線(xiàn)儀表來(lái)進(jìn)行量程標(biāo)定和故障點(diǎn)定位。

   （3）可以減少控制端I/O卡件、安全柵、機(jī)柜端子等硬件的配置。

   （4）用戶(hù)擁有較高的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)，可以自由選擇不同廠商的設(shè)備，避免因選擇單一產(chǎn)品而限制了設(shè)備的選擇范圍，以免增加不必要的成本。如在本項(xiàng)目中采用了ABB產(chǎn)品作為主控系統(tǒng)，而設(shè)備自帶的子系統(tǒng)為SIEMENS產(chǎn)品，總線(xiàn)儀表為E+H產(chǎn)品等。

   5 總結(jié)

   總上所述，北京董村項(xiàng)目中所采用的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)為混合型，即由分布式I/O從站和帶DP接口的變頻器、設(shè)備子控制系統(tǒng)連接，同時(shí)通過(guò)DP/PA耦合器和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表連接，這是一種靈活的集成方案，為產(chǎn)品選型提供了靈活性，為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)提供了方便，必將成為日后工廠控制系統(tǒng)集成的發(fā)展趨勢(shì)。

   參考文獻(xiàn)

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   [3]王永華,等.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及應(yīng)用教程-從PROFIBUS到AS-i[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

   謝婭娟（1977-）

   浙江上虞人，工程師，本科，現(xiàn)就職于南京恒寶利環(huán)保工程實(shí)業(yè)有限公司，主要從事自動(dòng)化控制和現(xiàn)場(chǎng)儀表方面的研究。  

  摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第二期