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

   關(guān)鍵詞：PROFIBUS；現(xiàn)場總線；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目沼氣成功點火，意味著國內(nèi)第一個生活垃圾厭氧處理項目的成功，我們利用PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)為復(fù)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(shù)保障，為垃圾厭氧處理在中國的規(guī)模化提供了一個成功范例。

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

   我們在本項目中選用ABB Freelance 800F開放型控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)支持PROFIBUS現(xiàn)場總線通訊，系統(tǒng)配置如圖1所示。PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)。可實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)，從而為實現(xiàn)全廠綜合自動化和現(xiàn)場設(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)和離心脫水機等均為成套設(shè)備，其對應(yīng)的控制均為設(shè)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(shè)備自帶控制系統(tǒng)的PROFIBUS-DP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；PROFIBUS-PA是專為過程自動化設(shè)計的，可使傳感器和執(zhí)行機構(gòu)連在一根總線上，并有本征安全規(guī)范，并且可以通過總線給現(xiàn)場設(shè)備供電。本工藝核心是3個直徑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，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為本項目PROFIBUS-PA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；PROFIBUS-FMS是用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實時多主網(wǎng)絡(luò)，本項目沒有采用，下文就不再闡述。
     
                      

                                  圖1 系統(tǒng)配置圖  

    3 PROFIBUS總線組態(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小時間隙攪拌，所以本項目控制系統(tǒng)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(wǎng)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(tǒng)內(nèi)的5個分布式I/O站通訊，同時也用來跟設(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)場總線儀表通訊。
         
                     

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

   設(shè)備自帶的控制系統(tǒng)，對本項目來說是子系統(tǒng)，基本上為Siemens S7-300，子系統(tǒng)PLC可作為PROFIBUS總線上的一個從站。在子系統(tǒng)PLC存儲器中有一段特定區(qū)域可作為與主站通信的共享數(shù)據(jù)區(qū)，主站可通過通信間接控制從站子系統(tǒng)PLC的I/O。所以本項目中的液壓系統(tǒng)和離心脫水機的PLC既可以在現(xiàn)場實現(xiàn)就地控制，也可以根據(jù)整個工藝線的生產(chǎn)需求，通過上位機監(jiān)控子系統(tǒng)內(nèi)的各生產(chǎn)設(shè)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(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)，類同主控對設(shè)備自帶子系統(tǒng)的控制，主控也可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控螺桿壓榨機運行狀況、電流和扭矩等信號。
      
                   

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

   無論是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6需導(dǎo)入S7-300 314-2DP的GSD文件。一般每個帶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)庫文件。GSD文件一般包括總體說明（制造商和設(shè)備名稱、軟硬件版本號、支持的波特率、可能的監(jiān)控時間間隔，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)和類型、診斷測試的規(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)點中，我們就可以把此設(shè)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(tǒng)。一般可以用DP/PA耦合器把DP網(wǎng)段和現(xiàn)場PA網(wǎng)段連起來，使用耦合器時必須注意設(shè)置正確主站的參數(shù)，特別是波特率。就理論而言每個PA網(wǎng)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(huán)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(wǎng)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(qū)動幾個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)的總線地址不能重復(fù)，同時需要考慮每個網(wǎng)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(xiàn)場總線儀表正常工作所需的最低電壓。
  
                      

                                   圖4 DP節(jié)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(tài)，注意事項如下：

   （1）PROFIBUS總線連接的末端必須加一終端電阻。當(dāng)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(chǎn)生嚴(yán)重的信號干擾。為減少甚至消除反射須在每個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關(guān)的SIEMENS的D型連接器，把DP總線頭和尾的終端電阻開關(guān)打在ON，中間連接器終端開關(guān)打為OFF。同樣道理，PA網(wǎng)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(fù)。如圖4和圖5所示，單條總線上各節(jié)點的地址各不相同，不同總線允許重復(fù)。特別需要注意的是，總線儀表在控制系統(tǒng)組態(tài)時的地址必須跟現(xiàn)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(shè)總線電纜時，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，接地點應(yīng)盡可能靠近入口處。
       
                      

                               圖5   PA儀表節(jié)點圖
   4 經(jīng)濟效益

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

   （1）現(xiàn)場總線可以傳送大量信息，一條總線可以掛多個設(shè)備和儀表，所以使用現(xiàn)場總線可以節(jié)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(xiàn)場調(diào)試和標(biāo)定時可以用基于FDT/DTM技術(shù)的工具，如我們項目是通過FieldCare對現(xiàn)場E+H總線儀表來進(jìn)行量程標(biāo)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(tǒng)集成主動權(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，總線儀表為E+H產(chǎn)品等。

   5 總結(jié)

   總上所述，北京董村項目中所采用的總線結(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，同時通過DP/PA耦合器和現(xiàn)場總線儀表連接，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)場運行維護(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。

   參考文獻(xiàn)

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   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)保工程實業(yè)有限公司，主要從事自動化控制和現(xiàn)場儀表方面的研究。  

  摘自《自動化博覽》2012年第二期