摘 要：通過分析集散控制系統(tǒng)的不足，提出了在現(xiàn)有集散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上融入PROFIBUS的實現(xiàn)方案。根據(jù)集散控制系統(tǒng)和PROFIBUS的技術(shù)特點,給出了系統(tǒng)的分層體系結(jié)構(gòu)。設(shè)計了一種基于PROFIBUS的集散控制系統(tǒng)，詳細(xì)描述了過程I/O層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并分析了系統(tǒng)的實時性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等參數(shù)指標(biāo)。這對于解決傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)的不足和實現(xiàn)火電廠的全面信息化有重要的借鑒意義。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線;集散控制系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu); 通信;性能 0 引言 　　集散控制系統(tǒng)（DCS）由于其操作簡便、穩(wěn)定可靠而被廣泛地用于生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域，其主要特點是管理集中、控制分散。DCS雖然在控制功能上實現(xiàn)了分散，但在物理上仍是集中式控制系統(tǒng)，仍采用傳統(tǒng)的集中式I/O系統(tǒng)（見圖1）。圖1中DCS的信號采用一對一的物理連接，有專門的I/O處理模塊和端子板，這造成電廠電纜龐雜，工程周期長，安裝調(diào)試費用高，維護(hù)困難。各DCS制造商通常采用自己定義的專用網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，使不同廠家的設(shè)備或系統(tǒng)之間的互聯(lián)存在很多困難，整個DCS系統(tǒng)成為一個封閉的“信息孤島”[1]。并且DCS的現(xiàn)場儀表仍采用只能單向傳輸4～20mA模擬信號,不僅速度慢、精度低、易受到電磁干擾，而且已經(jīng)越來越成為限制DCS功能發(fā)揮的瓶頸。 　　現(xiàn)場總線是將現(xiàn)場儀表與控制室內(nèi)儀表連接起來的全數(shù)字化、雙向、串行通訊網(wǎng)絡(luò)，它的本質(zhì)優(yōu)點在于全數(shù)字化，實質(zhì)性特點是徹底分散，更深層次的優(yōu)點在于它的開放性[2]。現(xiàn)場總線采用分布式I/O系統(tǒng)（見圖2），可以真正的實現(xiàn)控制功能和物理上的全分散性。圖2中的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)使用智能傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場智能設(shè)備, 采用數(shù)字信號傳輸，只需一對線就能將現(xiàn)場信號傳輸?shù)竭^程級控制計算機(jī)，它突破了傳統(tǒng)4～20mA模擬傳輸信號在精度、功能上的限制，能在控制室對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程在線診斷、調(diào)試、操作。由于功能進(jìn)一步分散到現(xiàn)場智能設(shè)備中，使風(fēng)險進(jìn)一步分散，從而提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。 [align=center] 圖1 基于DCS的集中式I/O系統(tǒng) 圖2 基于PROFIBUS的分布式I/O系統(tǒng)[/align] 1 基于PROFIBUS的集散控制系統(tǒng) 　　目前國際上有多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，如PROFIBUS、FF、HART和CAN等。在眾多的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)中，PROFIBUS應(yīng)用最廣泛，并且在我國眾多領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用。在眾多的DCS廠家中，ABB貝利公司的Industrial IT Symphony系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。因此，選擇PROFIBUS總線和Symphony系統(tǒng)研究基于現(xiàn)場總線技術(shù)的集散控制系統(tǒng)，是具有代表性的。 　　基于PROFIBUS的DCS采用一種分層體系結(jié)構(gòu)，如圖3所示，從下至上系統(tǒng)可以分為過程I/O層、過程控制層、過程管理層和企業(yè)管理層，對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)分別為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)、控制通道Control Way（C.W）、控制網(wǎng)絡(luò)Control Network（Cnet）和企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)MIS。 [align=center] 圖3 基于PROFIBUS的分散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[/align] 　　PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，使用RS485傳輸技術(shù)，其傳輸速率為9.6K bit/s～12M bit/s。主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規(guī)定的時間內(nèi)得到總線存取權(quán)。令牌在所有主站中循環(huán)一周的最長時間是根據(jù)主站多少事先規(guī)定的。主從方式允許主站在得到總線存取令牌時可與從站通信，每個主站均可向從站循環(huán)查詢。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)主站得到總線控制權(quán)時，沒有外界請求也可以主動發(fā)送信息。從站為外圍設(shè)備，如閥門、驅(qū)動器和輸入輸出裝置，沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請求時向主站發(fā)送信息。 　　控制通道采用的是1 Mbit/s的串行冗余總線網(wǎng)絡(luò)，支持32個智能處理模件。智能處理模件包括通信模件對INNIS和INNPM、橋控制器BRC。通過通信模件對，控制通道可以實現(xiàn)與控制網(wǎng)絡(luò)的通信。每一塊橋控制器BRC通過I/O擴(kuò)展總線（X.B）可以掛64個子模件，在這一層網(wǎng)絡(luò)中，提供了與PROFIBUS現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)接口——現(xiàn)場總線子模件（FBS）。因此，每一塊BRC都可以掛64個FBS。通過FBS，可以實現(xiàn)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)與Symphony控制通道的通信?？刂仆ǖ啦捎玫耐ㄐ艆f(xié)議是IEEE802.3的以太網(wǎng)協(xié)議。 　　控制網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著過程管理、操作等數(shù)據(jù)傳遞的任務(wù)，采用的是速率為10 M bit/s的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括中心環(huán)Central Ring和子環(huán)Ring，最多支持250個節(jié)點。使用的通信協(xié)議為多點、多目標(biāo)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。由于沒有通信指揮器，網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點沒有主從之分，是獨立的、帶有緩沖寄存器的信息轉(zhuǎn)發(fā)器。同一時刻內(nèi)所有的節(jié)點均能點對點地發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)、接收數(shù)據(jù)，并且使用了信息打包技術(shù)，因此，具有較高的通信效率。 　　企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)采用的是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，用于管理整個企業(yè)的各種數(shù)據(jù)。 2 PROFIBUS-DP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 　　由于現(xiàn)場總線技術(shù)適合于分散的、具有通信接口的現(xiàn)場受控設(shè)備系統(tǒng)，對于具有集中I/O的單機(jī)控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線技術(shù)沒有明顯優(yōu)勢，而且目前開發(fā)的現(xiàn)場智能設(shè)備和軟件系統(tǒng)的品種還不是很多，價格也偏高。因此針對不同的特點應(yīng)該選用不同的方案。 　?。?）對一些相對集中的模擬量參數(shù)，如鍋爐管壁溫度、金屬溫度、發(fā)電機(jī)靜子線圈溫度、轉(zhuǎn)機(jī)的軸承溫度等，可采用分散式I/O或遠(yuǎn)程智能I/O。如果對這些集中的測點都采用現(xiàn)場總線技術(shù)，不僅發(fā)揮不了現(xiàn)場總線的技術(shù)優(yōu)勢，而且還會增加成本。 　?。?）對單參數(shù)調(diào)節(jié)回路的設(shè)備和分布廣泛較獨立的測點，都采用智能變送器或智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)接入現(xiàn)場總線。 　　根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備是否具備PROFIBUS接口，系統(tǒng)有三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 　　（1）總線接口型:現(xiàn)場設(shè)備不具備PROFIBUS接口，采用分散式I/O作為總線接口與現(xiàn)場設(shè)備連接。 　?。?）單一總線型:現(xiàn)場設(shè)備為都具備PROFIBUS接口的智能型設(shè)備。這是一種理想情況，可使用現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)完全的分布式結(jié)構(gòu)，能充分享受這一先進(jìn)技術(shù)所帶來的利益。新建項目可能具有這種條件，就目前來看，這種方案設(shè)備成本會較高。 　?。?）混合型：現(xiàn)場設(shè)備部分具備PROFIBUS接口，這時應(yīng)采用PROFIBUS+分散式I/O混合使用的辦法。 　　無論是舊設(shè)備改造還是新建項目，希望全部使用具備PROFIBUS接口現(xiàn)場設(shè)備的場合可能不多，分散式I/O可作為通用的現(xiàn)場總線接口，是一種靈活的集成方案。因此，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)采用混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3中，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)為多主多從結(jié)構(gòu)，對于無PROFIBUS接口的現(xiàn)場設(shè)備通過西門子公司的分布式I/O模塊ET200連接到PROFIBUS-DP總線上，帶PROFIBUS接口的智能設(shè)備就可以直接連到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)上。網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計了兩類一類主站DPM1，它們分別通過兩種不同的方式與DCS集成的。 　　（1）以PLC或其它控制器組成的一類主站，監(jiān)控站通過PROFIBUS網(wǎng)卡連接到PROFIBUS總線上，作為二類主站。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用于分散的輔助控制系統(tǒng)，如火電廠的水網(wǎng)、輸煤系統(tǒng)。DCS的監(jiān)控站可在集控室完成遠(yuǎn)程編程、參數(shù)化設(shè)置及在線監(jiān)控功能，從而實現(xiàn)無人值班。 　　（2） 以堅固式PC機(jī)（COMPACT COMPUTER）+PROFIBUS接口+SOFTPLC的結(jié)構(gòu)組成一類主站。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用于其它的獨立控制系統(tǒng)中，如火電廠的電氣控制系統(tǒng)ECS，是一種監(jiān)控站與一類主站一體化控制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它可完成編程、故障報警、設(shè)備圖形監(jiān)控畫面設(shè)計、數(shù)據(jù)庫建立、設(shè)備狀態(tài)在線圖形監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲及統(tǒng)計、報表等功能。 3 性能分析 　　DCS作為工業(yè)控制通信網(wǎng)絡(luò)，特別強(qiáng)調(diào)實時性和可靠性，在滿足系統(tǒng)實時性和可靠性的基礎(chǔ)上要充分考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。 　　3.1 實時性 　　實時性是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)一項十分重要的指標(biāo)。要保證整個通信網(wǎng)絡(luò)的實時性必須滿足3個時間約束條件： 　　（1）限制每個節(jié)點每次取得通信權(quán)的時間上限值，若超過此值，無論本次通信任務(wù)是否完成，均應(yīng)立即釋放通信權(quán)。 　?。?）保證在某一固定的時間周期內(nèi)，通信子網(wǎng)上的每一個站都有機(jī)會取得通信權(quán)。 　?。?）對于緊急任務(wù)，當(dāng)其實時性要求臨時變得很高時，應(yīng)當(dāng)給以優(yōu)先服務(wù)。對實時性要求較高的站，也應(yīng)當(dāng)給予較高的優(yōu)先權(quán)。 　　工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)常用的協(xié)議有令牌總線、令牌環(huán)網(wǎng)和CSMA/CD。綜合比較這3種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點，作為工業(yè)過程通信網(wǎng)絡(luò)，令牌總線比較適宜，令牌環(huán)網(wǎng)次之，CSMA/CD以太網(wǎng)最差[3]。PROFIBUS采用的是令牌總線網(wǎng)絡(luò)，且有較高的通信速率，可以顯著的改善DCS的通信性能。 　　工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對響應(yīng)時間的要求有時比普通局域網(wǎng)快幾百倍。由于在過程控制層采用了PROFIBUS的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，能大大縮短控制運算周期。在一個有著32個站點的分布系統(tǒng)中，PROFIBUS-DP對所有站點傳送512 bit/s輸入和512 bit/s輸出，在12M bit/s時只需1毫秒。FCS設(shè)備對PID調(diào)節(jié)運算可達(dá)10-20次/s，而目前DCS的運算周期一般為4-5次/s[2]，這使系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性得到很大的改善。在多主站PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點數(shù)量越多，實時性越差[4]。 　　3.2 可靠性 　　可靠性是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)另一個重要指標(biāo)。一般遵循三個準(zhǔn)則： 　?。?）系統(tǒng)運行不受故障影響的準(zhǔn)則。即系統(tǒng)內(nèi)任一裝置發(fā)生故障，除故障裝置所涉及的功能外，不應(yīng)引起整個系統(tǒng)或其他功能的故障。采用冗余設(shè)計和多級操作可使故障的影響最小。 　?。?）系統(tǒng)不易發(fā)生故障的準(zhǔn)則。即從系統(tǒng)現(xiàn)場控制層裝置的可靠性著手。 　?。?）迅速排出故障的準(zhǔn)則。即從故障診斷、在線監(jiān)視、易維護(hù)性著手。 　　目前DCS的可靠性都在99.99%～99.9999%[5]之間，已經(jīng)具有較高的可靠性。由于系統(tǒng)吸收了PLC和DCS技術(shù)成熟、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，并且在DCS的過程控制層中采用了PROFIBUS現(xiàn)場總線，在功能和設(shè)備上實現(xiàn)了徹底的分散性，可以顯著地改善可靠性三個準(zhǔn)則中的 “系統(tǒng)運行不受故障影響的準(zhǔn)則”。因此，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。 　　3.3 經(jīng)濟(jì)性 　?。?）PROFIBUS采用1對N接線結(jié)構(gòu)，一對傳輸線可以接N臺設(shè)備?；痣姀S主廠房內(nèi)的熱工系統(tǒng)屬I/0點密集、立體布置的特殊大型系統(tǒng)，按目前DCS的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，300MW 機(jī)組熱工電纜約需360km。相對于集中控制方式能節(jié)約30%～40%的控制電纜，并且能節(jié)約昂貴的熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線。對主廠房外的輔助系統(tǒng)實現(xiàn)集中監(jiān)控， 采用FCS能節(jié)約60%左右的電纜[2]。 　?。?）可減少電子設(shè)備間的機(jī)柜、聯(lián)系電纜數(shù)量,縮小電子間的面積數(shù)量,電纜夾層也將逐步走向消亡,為最終實現(xiàn)駕駛倉式的控制室奠定了基礎(chǔ)。 　　（3）可簡化系統(tǒng)，降低設(shè)計、安裝、調(diào)試和維護(hù)費用。 　　由于系統(tǒng)吸收了DCS的優(yōu)點，具有以下FCS目前不可替代的優(yōu)勢： 　　（1）PLC和DCS可以組成大型的控制系統(tǒng)，F(xiàn)CS目前在這方面比較欠缺。 　?。?）PLC和DCS功能全面，可以有連續(xù)、順序、模擬量、數(shù)字量控制等，但是FCS的功能就不是很全面，特別是數(shù)字量方面。 4 結(jié)束語 　　現(xiàn)場總線技術(shù)已是一種成熟可靠的技術(shù)，隨著其應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，開放的全數(shù)字化的時代必將到來。PROFIBUS總線技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用證明，使用全分布式I/O系統(tǒng)代替集中式I/O系統(tǒng)，不僅可以顯著降低成本，而且對于實現(xiàn)包括集基礎(chǔ)自動化、管理自動化和決策自動化于一體的綜合信息自動化有著十分重要的意義。 本文作者創(chuàng)新點： 　　1、系統(tǒng)設(shè)計了一種基于PROFIBUS的集散控制系統(tǒng)，分析了這種集散控制系統(tǒng)的分層體系結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理和通信原理，可以顯著改善集散控制系統(tǒng)的實時性和可靠性。 　　2、論述了設(shè)計的集散控制系統(tǒng)的過程I/O層—PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，解決了集散控制系統(tǒng)采用集中式I/O的不足，能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并對于現(xiàn)場總線在集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用有重要的指導(dǎo)意義。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 梁庚，白 焰，李文. 以現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的火電廠全程自動化和信息共享[J]. 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