现场总线技术及其应用讲座 第5讲
PROFIBUS及其实际应用 吴道虎 黄传国
1 PROFIBUS的特性
1.1 PROFIBUS的概述
PROFIBUS 现场总线技术已被列为IEC61158国际标准，是世界上应用最广泛的现场总线技术，由PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification )、PROFIBUS-PA(Process Automation，H2)和PROFIBUS-DP(Distributive Peripheral，H1)等3部分组成。其中PROFIBUS-DP是一种高速(数据传输速率9.6Kbit/s～12Mbit/s)、经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求; PROFIBUS-PA用于过程控制，用IECII58-2标准，传输速率为31.25Kbii/s，提供本质安全特性，适用于安全性要求较高以及由总线供电的场合;PROFIBUS-FMS主要解决车间级通信问题，完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务。DP、PA以及FMS的完美结合使得PROFIBUS现场总线在结构和性能上优越于其他现场总线。
(1) PROFIBUS-DP
l 拥有较高的通讯速率，最快可达12Mbit/S。
l 采用线形、星形、环形等多种拓扑结构。可实现光纤双环冗余。
l PROFIBUS-DP也可以为变送器等过程仪表提供高速的通讯总线。
(2) PROFIBUS－PA
l 主要应用于过程控制领域，可以把测量变送器、阀门、执行机构用串行总线联网。采用IEC61158-2的物理传输技术和 PROFIBUS-DP的协议，通讯通率31.25bps
(3) PROFIBUS－FMS
l 主要解决车间级通信问题，完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务
1.2 PROFIBUS协议参考模型
PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络(Open System Interconnection-SIO)作为参考模型的。PA、DP以及FMS的模型如下:
l PROFIBUS-DP:定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。
l PROFIBUS-FMS:定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范(Fieldbus Message Specification - FMS)和低层接口(Lower Layer Interface-LL1)。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LL1协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。
l PROFIBUS-PA:PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC1158-2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。
1.3 PROFIBUS网络结构
一个典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构。基于现场总线PROFIBUS-DP/PA控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。现场总线PROFIBUS是面向现场级与车间级的数字化通信网络。
l 现场设备层:主要功能是连接现场设备，如分散式I／O、传感器、驱动器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。主站(PLC．PC机或其它控制器)负责总线通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备生产工艺控制程序存储在主站中，并由主站执行。
l 车间监控层:车间级监控用来完成车间主生产设备之间的连接，如一个车间三条生产线主控制器之间的连接，完成车间级设备监控。车间级监控包括生产设备状态在线监控．设备故障报警及维护等。通常还具有诸如生产统计．生产调度等车间级生产管理功能。车间级监控通常要设立车间监控室，有操作员工作站及打印设备。车间级监控网络可采用PROFIBUS-FMS，它是一个多主网，这一级数据传输速度不是最重要的，而是要能够传送大容量信息。
l 工厂管理层:车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网。子网同过交换机．网桥或路由等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。
2 PROFIBUS在水电站廊道排水系统的具体应用
水电站廊道排水系统是水电厂安全生产的一个重要环节，针对廊道排水系统中存在的问题，采用现场总线技术来实现廊道排水的自动化控制。廊道排水控制系统采用基于PROFIBUS现场总线的分布式网络结构，总体结构拓扑如图1所示，采用单主站/多从站方式，包括现地单元、集控单元和现场总线通信3个部分。
现地控制单元完成现场信息的采集，独立控制各个集水井的排水作业。集控站对分散的排水系统进行管理，并能远程控制排水泵的启停。高速的现场通信网络完成分散于现场的现地单元与位于中控室的集控站之间的数据传输。系统具有易扩展性和较高的可靠性。
2.1 控制系统的硬件设计
(1) 现地控制单元硬件设计
现地控制单元安装在大坝廊道内，现地控制单元柜采用温控除湿和柜子顶部通风措施以防潮。现地控制核心采用Siemens的高可靠性的可编程控制器S7-300，该可编程控制器采用模块化结构设计。现地单元配有CPU模块、
开关量输入DI模块、开关量输出DO模块、模拟量AI模块和通信模块，并采用STEP7 5.1软件对PLC的各个模块的参数进行组态。水位信号的检测采用硬件冗余措施，即传感器模拟采样和水位接点检测同时进行，以保证检测的可靠性。主要实现如下功能
l 信号的采集:对集水井水位的连续信号、水位接点的离散信号、现地操作命令、执行回路的返回信号等进行采集。并对采集到的数据进行容错处理。
l 控制方式和流程的选择:识别手动、PLC自动和远程集控方式，实现无扰动切换，并执行不同的控制流程。
l 保护功能:当电动机过载时或者无水时，自动及时停止电动机运行。
l 故障检测和诊断的功能:判断采样回路和传感器是否正常，对采集的数据(电动机的电流、电压及水位等信号)进行检错分析，并为可靠性控制提供依据。
l 可靠性控制策略:当水位的连续信号和接点信号的检测均失效时，现地单元根据集控站统计的排水信息，自动启动排水泵进行排水作业。当主用泵故障时，自动启动备用泵。系统正常时，轮流启动排水泵。这些措施保证了系统的长期稳定地运行。
(2) 集控单元硬件设计
集控单元硬件采用台湾研华公司生产的IPC610工业计算机，配有现场总线通信卡和以太网卡。该型号工业计算机结合现有的广泛运用于现场的高速微机和可编程控制器两者的优点，既具有运算速度快、软件开发环境友好的特点，又具有稳定性高，抗电磁干扰能力强的特点，并采用国际流行的标准型号尺寸设计，便于现场的安装与维护，特别适合于在工作情况复杂、条件恶劣的现场运行。主要实现如下功能
l 系统状态指示:用指示灯显示现地各种设备的运行状况以及现地是否有故障。
l 远程操作:运行操作人员可以在远方用键盘或鼠标直接启动水泵，完成排水任务。
l 实时数据的显示:以数字和曲线形式显示现地单元上送的数据，包括集水井当前水位、电动机当前工作电压、工作电动机当前电流、备用电动机当前电流等。
l 故障诊断功能:对现地单元的各个设备进行状态检测和故障诊断，并进行维修决策。
l 故障查询:当现地某一单元有故障报警产生时，用户查看具体的故障类型和故障原因及相应的维修参考方案。这些维修方案来自专家知识库。
l 统计数据:生成统计报表，为大坝的安全运行提供有参考意义的第一手统计资料。统计数据包括各个集水井渗水水位的最高、最低值和相应的发生时间。统计报表分为月报表、年报表、系统日志报表，统计报表都可以打印存档。
l 数据库的管理功能:对数据归档、存储，提供实时查询和自动更新功能。
2.2 系统的软件设计
(1) 集控站的软件设计
集控软件采用工业控制组态软件KingView Ver6.1，该软件结合了国外优秀的组态软件如Intouch、WinCC、FIX等的优点，并具有开放的数据接口，可与常用的MIS数据库系统如Sybase、Informix、Oracle、Access等直接接口。在该组态软件的基础上开发的集控软件具有友好的人机交互界面，既能形象逼真地描述廊道泵房的实际空间分布和装置外观模型，又能将实际水位及反映水泵、电动机等的运行参数以及故障信息直观地反映在界面上，从而方便了运行维护人员进行监控与操作。
l I/O Server主要负责监控软件与现场总线通信卡CP5611的通信，完成系统的现地实时数据的采集及通信中断的自动恢复。该程序用Visual C++设计。
l 根据数据代表的物理对象的特征由数据容错处理程序对数据进行校验，并对数据进行筛选。
l 人机界面实现操作人员与集控站的交互。包括画面的生成、菜单生成、报警提示、权限设置等。
l 故障诊断程序完成对现地单元和集控站各个设备的状态监视、趋势分析、实时故障诊断并给出故障后的处理措施。
l 实时数据库完成对现地单元实时数据的分类存储，实时查询，实时更新。其中包括中间计算结果的存储与刷新。
l 专家数据库与故障诊断程序接口，完成信号模型及故障特征的存储与更新、专家知识的存储与更新。
l 通信组态实现对现场总线通信网络内各单元的协议、地址、波特率和通信时间等的配置。
l 打印输出实现报表的打印及重要数据的硬拷贝。
l 网络数据库驱动完成集控站与大坝监测系统及电厂计算机监控系统的数据交换。
(2) 现地单元的软件设计
现地控制单元程序的设计采用模块化设计，并借鉴高级语言的编程思想，在常规的顺序逻辑控制中加入故障诊断的非线性程序，充分发挥了现场总线技术的控制全分散的特点以实现故障诊断的分散化、实时化。现地诊断的结果通过通信网络上传到主站，以便集控站作进一步的诊断和决策。
l 信号采集与检错模块:以幅值和频率为指标对输入的模拟量信号进行检错，对所有的输入信号进行数字滤波。
l 控制方式的选择模块:根据输入的控制方式信号，选择不同的控制流程。
l 控制策略的选择模块:在水位信号检测完全失效时，控制流程依据集控站的统计数据，确定排水的时间长度和间隔。
l 控制输出模块:由程序自动轮流选择启动泵的次序，保证泵的长期可靠的运行。
l 现地信号指示模块:由程序综合各种故障和泵的运行状态给出运行状况指示。
l 现场总线通信模块:提供接受和发送通信缓冲数据块，对通信状态进行检查并对通信数据进行检错，以保证通信的可靠性。
2.3 实际应用情况
该系统在某水电站投运以来，排水控制正常，系统的自诊断功能大大加强，设备的维护效率也得到了很大的提高，实现了无人值班。可见将现场总线技术应用于大坝廊道排水是可行的，在水电厂引入现场总线技术将为智能维护和诊断系统的实现提供有力的支持。