摘要：本文介紹了PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在生活垃圾厭氧處理中的應用，并闡述在本項目中PROFIBUS總線(xiàn)的系統構成。

   關(guān)鍵詞：PROFIBUS；現場(chǎng)總線(xiàn)；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(chǎng)干法厭氧處理項目沼氣成功點(diǎn)火，意味著(zhù)國內第一個(gè)生活垃圾厭氧處理項目的成功，我們利用PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為復雜的厭氧處理工藝搭建了一個(gè)全自動(dòng)控制平臺，為全廠(chǎng)可靠運行提供了堅實(shí)的技術(shù)保障，為垃圾厭氧處理在中國的規?；峁┝艘粋€(gè)成功范例。

   2 現場(chǎng)總線(xiàn)系統結構及工藝組成

   我們在本項目中選用ABB Freelance 800F開(kāi)放型控制系統，該控制系統支持PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)通訊，系統配置如圖1所示。PROFIBUS是一種用于工廠(chǎng)自動(dòng)化車(chē)間級監控和現場(chǎng)設備層數據通信與控制的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)?？蓪?shí)現現場(chǎng)設備層到車(chē)間級監控的分散式數字控制和現場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò )，從而為實(shí)現全廠(chǎng)綜合自動(dòng)化和現場(chǎng)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(guān)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(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設計的，可使傳感器和執行機構連在一根總線(xiàn)上，并有本征安全規范，并且可以通過(guò)總線(xiàn)給現場(chǎng)設備供電。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(mén)，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(xiàn)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(chē)間級監控網(wǎng)絡(luò )，是一個(gè)令牌結構、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò )，本項目沒(méi)有采用，下文就不再闡述。
     
                      

                                  圖1 系統配置圖  

    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。

   由于沼氣系統需要24小時(shí)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(gè)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(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)跟系統內的5個(gè)分布式I/O站通訊，同時(shí)也用來(lái)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(chǎng)總線(xiàn)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(lái)說(shuō)是子系統，基本上為Siemens S7-300，子系統PLC可作為PROFIBUS總線(xiàn)上的一個(gè)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(guò)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(chǎng)實(shí)現就地控制，也可以根據整個(gè)工藝線(xiàn)的生產(chǎn)需求，通過(guò)上位機監控子系統內的各生產(chǎn)設備和儀表閥門(mén)。

   螺桿壓榨機選用的MM440智能變頻器是采用矢量控制方式來(lái)實(shí)現閉環(huán)矢量控制方式和閉環(huán)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(lèi)同主控對設備自帶子系統的控制，主控也可以通過(guò)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(wú)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(xié)議導入主控系統，如圖4節點(diǎn)6需導入S7-300 314-2DP的GSD文件。一般每個(gè)帶DP通訊的設備出廠(chǎng)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(shuō)明（制造商和設備名稱(chēng)、軟硬件版本號、支持的波特率、可能的監控時(shí)間間隔，甚至設備標記位圖）、DP主設備的相關(guān)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(guān)規定（與從設備有關(guān)的所有規定，I/O通道的數據和類(lèi)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(diǎn)中，我們就可以把此設備連接到總線(xiàn)上。

   本項目共有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。一般可以用DP/PA耦合器把DP網(wǎng)段和現場(chǎng)PA網(wǎng)段連起來(lái)，使用耦合器時(shí)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(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?？梢约啥鄠€(gè)總線(xiàn)電源模塊用以驅動(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)段內的總線(xiàn)地址不能重復，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)必須保證現場(chǎng)總線(xiàn)儀表正常工作所需的最低電壓。
  
                      

                                   圖4 DP節點(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)，注意事項如下：

   （1）PROFIBUS總線(xiàn)連接的末端必須加一終端電阻。當信號在電纜上傳輸時(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，引起許多信號的疊加，產(chǎn)生嚴重的信號干擾。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(xiàn)地址編排不能重復。如圖4和圖5所示，單條總線(xiàn)上各節點(diǎn)的地址各不相同，不同總線(xiàn)允許重復。特別需要注意的是，總線(xiàn)儀表在控制系統組態(tài)時(shí)的地址必須跟現場(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)對地的大面積連接。在敷設總線(xiàn)電纜時(shí)，要確保電纜的網(wǎng)狀或箔狀護套使用接地板夾和地相連，當接入電氣柜時(shí)，接地點(diǎn)應盡可能靠近入口處。
       
                      

                               圖5   PA儀表節點(diǎn)圖
   4 經(jīng)濟效益

   從設計、設備、材料、施工到維護，現場(chǎng)總線(xiàn)成本的節約貫穿了系統全生命周期。使用現場(chǎng)總線(xiàn)的優(yōu)越性可以歸納如下：

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

   （2）PA總線(xiàn)儀表現場(chǎng)調試和標定時(shí)可以用基于FDT/DTM技術(shù)的工具，如我們項目是通過(guò)FieldCare對現場(chǎng)E+H總線(xiàn)儀表來(lái)進(jìn)行量程標定和故障點(diǎn)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(hù)擁有較高的系統集成主動(dòng)權，可以自由選擇不同廠(chǎng)商的設備，避免因選擇單一產(chǎn)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(chǎn)品作為主控系統，而設備自帶的子系統為SIEMENS產(chǎn)品，總線(xiàn)儀表為E+H產(chǎn)品等。

   5 總結

   總上所述，北京董村項目中所采用的總線(xiàn)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(shí)通過(guò)DP/PA耦合器和現場(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，為現場(chǎng)運行維護提供了方便，必將成為日后工廠(chǎng)控制系統集成的發(fā)展趨勢。

   參考文獻

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   [3]王永華,等.現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及應用教程-從PROFIBUS到AS-i[M].北京:機械工業(yè)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(huán)保工程實(shí)業(yè)有限公司，主要從事自動(dòng)化控制和現場(chǎng)儀表方面的研究。  

  摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第二期