Profibus通信技术在精细化工生产控制中的应用

李若明

(康宁(上海)管理有限公司亚太工程部，上海 200433)

0 引言

随着计算机技术、网络技术和通信技术的迅速发展，通信的方式和结构呈现多样化的发展趋势，信息传递的实时性和正确性有了很大的提高，而且在传输距离和数据的可靠性方面也得到极大的改善。通信技术的发展导致自动化系统发生了深刻变革，信息技术正在迅速渗透到生产现场的设备层[1]，其中在工厂生产控制系统中已经得到广泛应用的Profibus通信方式也有了很大的发展。作为工业控制行业的标准通信技术之一，Profibus通信技术得到了绝大多数DCS和PLC控制系统设备制造商的支持，其在远程I/O站的控制设计中已经成为一种普遍的方案[2]。本文着重介绍了Profibus通信技术在马达控制中心(motor control center，MCC)和现场防爆区域中的设计方案和应用的实例，为Profibus技术在应用领域的发展提供了有力的证明。

1 Profibus通信技术简介

现场总线技术是实现现场级设备数字化的工业现场底层网络通信技术，具有较强的现场信息集成能力，组成的系统可靠性高、可维护性好，且总线协议是开放的。在现有的各种现场总线中，Profibus总线占有很大的市场份额[3]。Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，它与RS-485通信的不同之处在于其数据包的结构和通信协议[4]。Profibus传送速度可在 9.6 kbits～12 Mbit/s范围内选择。当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。

Profibus广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他自动化领域[5]。Profibus是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供可行的解决方案。Profibus协议结构是根据ISO 7498国际标准，以开放式系统互联网络(open system interconnection，OSI)作为参考模型。按照功能不同，Profibus主要分为DP、PA与柔性制造系统(flexible manufacture system，FMS)三个主要组成部分[6]。近年来，随着工业以太网的发展，FMS已淡出市场。Profibus-PA主要用于直接连接现场的智能仪表和阀门，它的使用代表了现场总线技术的高端应用。它可以替代传统的远程I/O站，实现控制功能，是 Profibus-DP向现场的延伸[7]，是采用Profibus的通信协议和最适合现场仪表的传输技术。本文主要讨论的是Profibus-DP的应用。

2 精细化工生产中的应用

2.1 实例项目简介

本项目为某美国材料企业在上海全资投资的一个精细化工工厂，其主要生产产品为胶水原料。该原料被广泛应用于该企业的下游产品的制造过程。此工厂是一个比较典型的精细化工企业，其工厂区域主要由仓库、罐区、生产大楼以及办公大楼组成。根据设计要求，工厂的罐区和生产大楼被定义为防爆区域1区，而本工厂的中央控制系统、MCC机柜和现场操作员使用的控制屏都位于生产大楼中。康宁(上海)管理有限公司所属的美施威尔工业自动化(上海)有限公司作为控制系统和MCC设备的供货方，负责全厂生产控制系统、MCC设备和工厂空调通风系统的设计、安装和调试。该项目的主要工作内容为:控制系统和MCC设备的盘柜设计、现场远程I/O站和操作屏的设计以及各子系统间通信方式的设计(尤其是控制系统和MCC设备间的通信)。

本控制系统是以西门子的PCS7系统为基本框架构建而成的。按照设计要求，最终控制系统网络架构如图1所示。

图1 控制系统网络架构图Fig.1 Network architecture of control system

2.2 电机系统控制中的应用

常规马达中心的控制是由DCS通过硬接线的方式实现的，这种方式的最大缺点是需要大量的电缆。这既占用了较大的空间，又增加了配管和电缆桥架施工的工作量，同时也增大了由于接线错误而产生错误点的几率，最终给以后的维护工作带来较大的不便。此外，该做法的人工和材料成本较大。针对以上缺点，设计人员开始在一些项目中使用通信的方法来进行MCC的控制。开始时，通信技术并不非常成熟和稳定，传输数据的速率也比较低，达不到控制实时性的要求。因此，常利用通信来传输一些模拟量的信号，如变频器的速度设定和转速反馈等。近年来，随着网络通信技术的快速发展，通信的稳定性和实时性得到了很大的提高，应用的范围和规模在不断地扩大[8]。

在本项目的设计中，MCC的控制都通过Profibus-DP来实现，DCS对MCC的控制没有使用一根硬接线，只需要一根Profibus通信电缆，就能完成所有的控制要求。本项目中的MCC设备选用的是西门子的低压控制产品SIMOCODE(一般电机的启停、保护和诊断)和变频器MM440(变频电机的启停、保护和诊断)，它们都支持以Profibus通信方式实现远程设定和启停控制。

在此设计中，需要介绍一下Profibus中继器的使用。一般来说，中继器起到放大信号和增加传输距离的作用，但在本项目中使用到其另一个非常有用的网络分段功能，这个功能常常被大家所忽视。当然这两个功能不同，安装的位置也不同。安装在控制器柜中的为分段功能，而安装在中间过渡柜中的就是中继功能。因为Profibus在通过中继器后会形成一个独立的新的网段，所以使用一个中继器就等于产生出一个新的Profibus网段，新旧网段间彼此独立互不影响，而中继器之间使用串型连接，从而连接起整个Profibus网络。通过对单个中继器的操作，可以实现通断其中的一个或多个网段工作，但并不影响其他网段的正常工作，这种设计方式的应用为单个区域的停车维护提供了可能。

西门子的DCS控制系统PCS7专门为SIMOCODE和MM440开发了编程模块，只要填入相对应设备的Profibus读/写字节地址，就能方便地实现基本控制和诊断功能。此类模块还带有供操作员使用的标准操作界面，不需要额外的编程工作。但是此类模块需要和PCS7配合使用，且需要另外购买。项目中有些MCC设备分为本地和远程两种启动方式，通过在MCC设备中参数的设置可以完全实现启动方式的切换。通过通信字可以将PCS7中的连锁信号传输到MCC设备中，这样在设备本地启停模式中也可以实现连锁功能。需要注意的是，在一些关键的紧急停车回路中，建议使用硬接线的方式来达到可靠性和实时性的设计要求;在设计时，要注意在同一网段中连接的设备需要加以限制，在长距离传输时可以适当降低Profibus的通信速率来保证传输的稳定性。

2.3 防爆区域控制中的应用

根据设计要求，罐区和生产大楼的控制点都位于防爆区域中，防爆区域等级为1区，防爆方法为本安(Exi)。常规的设计方法是将控制信号从位于防爆区内的设备连接到现场的防爆接线盒中，再从接线盒通过本安电缆从专用电缆桥架连接到中央控制室。这种方法也存在浪费电缆、增加错误点几率和维护困难等缺点。在本项目的防爆设计中，选用了西门子本安远程I/O站和ET200isp模块。使用一个增安的不锈钢防爆接线箱(Exe)，可以将ET200isp直接安装在靠近控制点的防爆区域内;而本安远程I/O站与中央控制系统仅用两根Profibus通信电缆(冗余系统)连接，用来传输控制指令和现场数据。该远程I/O站中安装的所有输入输出卡件可以直接连接现场的本安信号，其集成了一般I/O卡件和安全栅的功能，大大节约了安装空间，减少了柜内的跨接线，为维护人员提供了极大的方便。回路出现问题时，维护人员只需检查从现场设备到防爆箱的那一段线路，其他的线路只要保证远程I/O站与DCS控制系统的通信正常即可。ET200isp的电源模块为防爆箱的所有卡件和控制回路提供防爆的电源，用户只需要接两路24 VDC(冗余)电源到防爆箱即可。在该方案中，西门子提供了一个RS-Coupler的设备，通过该设备将一般的Profibus通信方式转化为本安的Profibus通信方式，在通信电缆硬件上的区别仅是需要使用本安的Profibus通信接头来代替原来的一般接头，电缆仍使用一般的Profibus通信电缆。

本方案的最大优势是节约电缆，特别是成本和要求很高的本安电缆。一般的I/O模块和安全栅的有效结合也使卡件直接安装于防爆区域和连接现场的防爆信号成为了可能。

3 应用实例中的问题和缺陷

Profibus通信技术在本项目的控制系统网络设计中占有重要地位，它的有效应用体现了网络通信技术在现代控制系统中的发展和进步[9]，但是由于其属于比较新的技术，应用的实例并不很多，而且领域也并不广泛，所以在实际应用过程中还存在不少缺陷和值得改进之处。

在本项目的实际应用中，Profibus主要存在以下三个主要问题。

①Profibus通信采用的是总线型连接方式，但在实际应用中还是一段一段的串型连接，中间只要有一段线路出现故障，则所有在此故障点以后的节点都会无法正常通信。

②西门子的MM440变频器需要外加Profibus通信接口，其在与本身变频器进行连接时存在不容易完全匹配的问题，长时间使用，接口部分容易损坏。在软件方面，Profibus通信的一些参数在掉电的情况下也容易丢失。

③由于Profibus通信网络不能容纳过量的通信错误，所以远程I/O站的热插拔功能比较薄弱，只有一些特定位置的卡件可以在线更换，而且一次不能多于一块，这是Profibus目前存在和无法解决的最大问题，其必然会增大在线维护和查错的困难。

以上三点是主要的问题，当然还存在一些其他的问题，如本安卡件类型单一、驱动能力不足和通信地址更改麻烦等问题。

4 结束语

本文通过一个精细化工工业中的Profibus通信技术应用实例，描述了该技术的特点、优势和不足之处，从本文的叙述可以看出，Profibus通信技术发展快速应用范围不断扩大。但是在其发展过程中，除了在Profibus-PA方面需要大力开发外[10]，在解决通信故障方面也有很多工作需要完成，希望通过大家的努力，尽快使该技术得到补充和完善。

[1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社，1998:11.

[2] 毛哲.基于 Profibus现场总线的 PLC通信[J].自动化仪表，2004，25(10):31 －33.

[3] 李正军.现场总线与工业以太网及其应用系统设计[M].北京:人民邮电出版社，2006:21－22.

[4] 于浩洋.Profibus现场总线概述[J].自动化与仪表，2002(2):9 －10.

[5] 宋明中，马昕霞.Profibus现场总线及其应用技术[J].自动化与仪表，2004(6):22－23.

[6] 潘晓宁，郝晓弘，张振武.Profibus-DP工控网的通讯原理[J].电气传动，1999(5):25－28.

[7] 洪锦，张永德.现场总线Profibus-PA关键技术研究及产品开发[J].自动化仪表，2005，26(5):8 －9.

[8] 郑卓，张东，刘旭东，等.Profibus和Profinet在工业锅炉监控中的应用[J].自动化仪表，2010，31(3):38 －40.

[9] 陈国平，郭鑫.Profibus总线分析仪的设计[J].自动化仪表，2007，28(12):29 －30.

[10] 孙鹤旭，李艳萍，梁涛.基于Profibus-PA的差压变送器通信接口设计[J].自动化与仪表，2010(12):15－16.