测控10-109054226张博

1、中国石油大学(华东)测控技术与测控网络系统论文Profibus总线的应用学生姓名：张博学 号：09054226专业班级：测控技术与仪器 10012013年 5 月 1 日随着微处理器与计算机功能的不断增强，价格急剧降低，计算机与计算机网络系统的到迅速的发展。而处于企业生产过程底层的测控自动化系统，由于设备之间采用传统的一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自成体系的封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外键之间的信息交换，使自动化系统成为信息孤岛。现场总线的出现打破了这一僵局，它可实现整个企业的信息集成，并实施综合自动化。现场总线具有以下几个特点：系统的开放性开放系统是指

2、通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。互可操作性这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅

3、靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。通信的实时性与确定性现场总线的基本任务是实现测量控制，唯有提供相应的通信机制，提供时间发布与时间管理功能才能满足控制系统的实时性确定性要求。对现场环境的适应性工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。现场总线发展趋势：1、 工业测控系统的标准化：现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网，对用户来说是透明的。在传统的集散控制系统中，不同厂家的设备是不能互相访问

4、的。而现场总线系统采用统一的标准，不同厂家的网络产品可以方便地接入同一网络，在同一控制系统中进行互相操作，而互换性意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换，因此简化了系统集成。2、网络结构简单化：早期的计算机网络模型由7层组成，而目前达成共识的是3层设备、两层网络的“3+2结构”。随着结构的简单化，对现场总线系统的可操作性增强，有利于构建运行在生产现场、性能可靠、造价低廉的工厂底层网络。3、软件组态化： 软件的价值在相当一个时期并没有受到人们足够的重视。直到现在，我国在软件上的投资与在硬件上的投资相比，仍显得不足。由于工业控制领域五花八门，现场总线软件自成系统，对软件的研制、维护、操作

5、上均带来诸多不便，也不利于计算机测控系统的推广和普及。现场总线软件组态化，对加速工业系统的改造有很大的影响。Profibus介绍Profibus是Process Fieldbus的缩写，是面向工厂自动化和流程自动化的一种国际性的现场总线标准。它是德国于90年代初制定的国家工业现场总线协议标准，代号DIN19245。德国科学技术部总结了80年代德国工业界自动控制技术的发展经验，认为为了适应90年代分布式计算机自动控制系统的发展需要有必要对现有的各公司自己定义的网络协议加以规范化、公开化，使得不同厂家生产的自动控制设备在网络通信级能够兼容，以利于工业整体标准化水平的提高，于1987年列为。德国国家

6、项目，由十三家大公司(如著名的SIEMENS、AEG、ABB公司等)及五家研究所经过两年多的时间完成。Profibus现在已是欧洲首屈一指的开放式现场总线系统，它已被全世界所接受，它的应用领域包括加工制造、过程和建筑自动化，如今已成为国际化的开放式现场总线标准，即EN50170欧洲标准。Profibus已被广泛应用于制造业自动化（汽车制造、装瓶系统、仓储系统）、过程自动化（石油化工、造纸和纺织品工业企业）、楼宇自动化（供热空调系统）、交通管理自动化、电子工业和电力输送等行业。在可编程控制器、传感器、执行器、低压电器开关等设备之间产地数据信息，承担控制网络的各项任务。Profibus中主要包有P

7、ROFIBUS-DP,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-PA三个子集，以满足工厂网络中的多种应用需求，DP、FMS、PA三者在企业网络中的应用层次如图。Profibus中最早提出的是Profibus-FMS（FMS代表Field bus Message Specification），是一个复杂的通信协定，为要求严苛的通信任务所设计，适用在车间级通用性数据通信，FMS 提供一个 MMS-功能子集，主要应用于大数量的数据传输，例如程序、数据块等等；若干个分散过程部分集成到一个公共过程中；智能站间的通信。后来在1993年提出了架构较简单，速度也提升许多的Profibus-DP。DP是转为自

8、动控制系统与设备级分散的I/O之间的通信而设计的，用于分布式控制系统设备间的高速数据传输。DP能代替PLC/PC与I/O之间昂贵的电线，具有快速传输的能力且被所有主要的PLC制造商支持。DP现场总线的硬件主要由主设备、从设备、网络3部分组成。主设备用以控制总线上的数据传输,可与从设备及在总线上所挂的各传动装置直接交换信息,从设备只能与主设备交换信息,并通过主设备控制各传动装置。为了解决过程自动化控制中大量的要求本质安全通信传输的问题，Profibus国际组织在DP之后有针对性地推出了Profibus-PA。其物理层蚕蛹了完全不同于FMS和DP的标准IEC1158-2，能支持总线供电，具有本质安

9、全特点，通信速度固定为31.25Kb/s。主要勇于防爆安全要求高、通信速度低的过程控制场合，如石化企业的过程控制等。PA是基于扩展的Profibus-DP协议和IEC1158-2传输技术，适用于代替现今的4-20mA技术。PA仅用一根双绞线进行数据通信和供电，通过串行总线连接仪器仪表与控制系统。由于PA的行规，保证了互操作性和互换性。Profibus的连接方式有RS-485物理连接、PA总线的物理连接和光缆连接。RS-485是Profibus系统中最常见的物理连接方式，由EIA定义的RS-485采用平衡差分传输方式。在一个有屏蔽层的双绞电缆上传输大小相同而方向相反的通讯信号，以削弱工业现场的噪

10、声影响。系统采用总线型拓扑结构，其数据传输速率从9.6Kb/s到12Mb/s可选。每一个网段可以接入的最大设备数为32，每个网段的最大长度为1200m。当设备数多于32时，或扩大网络范围时，可使用中继器连接不同的网段。PA的物理连接采用IEC61158-2标准，其通信信号采用曼彻斯特编码方式，其编码中含有时间同步信息。它采用单一固定的传输速率31.25Kb/s。支持总线向现场设备供电，可广泛应用在化工、石油工业等对用电设备有防爆要求的现场环境中。光缆连接适用于有强电磁干扰的环境，可满足高速率下长距离的信号传输要求。由于光纤连接技术的发展，特别是塑料光纤单工连接器性价比的提高，使得光线传输技术被

11、普遍应用与工业现场设备的数据通信中。Profibus在中央空调中的应用 随着我国经济的发展和，生活水平的提高,城市中的各类智能建筑大量增加,这些建筑内基本上都使用中央空调系统为人们提供舒适的环境。但中央空调系统的能耗占整个智能建筑能耗的比重很大,因此节能、高效是中央空调系统设计的重要主题。而中央空调控制系统的设计研究也就是力求在为人们提供更舒适环境的同时,尽可能地节约能源和高效可靠。传统的中央空调控制方法是采用DDC方式,将各个温、湿度检测点和控制点连接到多台DDC上,进行多点监控。但是由于现代智能建筑楼层较多,多组中央空调设备位于不同楼层,温、湿度检测点分布于各个房间,采用DDC方式进行控制

12、有着线路复杂、施工不便、资源浪费、系统通信的实时性和可靠性不高等缺点。因此,目前中央空调控制系统是国内外中央空调领域的科研和专业技术人员研究的热点,其中一个重要的方向就是探索应用现代工业控制中性能优异的现场总线技术结合高性价比的PLC设计高效节能的中央空调控制系统。1、硬件总体结构通过对某办公楼中央空调系统的功能和需求分析,确定中央空调控制系统的总监控点数,。该控制系统的硬件包括位于空调控制室的工控机,SiemensS7-300型PLC(主站) ,分布在各楼层风机房的12个ET200S和ET200M型分布式I/O (从站) ,设置在现场的监测、控制设备。S7-300型PLC的CPU选用CPU3

13、15-2DP ,128 K工作内存,带DP接口,支持建立主站从站结构方式的2DP总线网络。位于楼顶的冷/热水系统主要由4台热泵机组、4台电加热器和4台空调循环泵组成,该系统直接与S7-300型PLC的I/O模块连接,实现冷/热水系统的节能群控。10台新风机组和8台空调机组通过12个现场分布式I/O接入DP总线,18 台机组的风机电机由ET200S的电机起动器直接驱动,现场分布式I/ O以SIMATIC ET200S为主,并挂接电机起动器,其中有一个从站负责对5台空调机组进行控制,输入、输出点(I/O)较多,为了获得更高的性价比,选用1台ET200M现场I/O ,另设1台ET200S挂接5只电机

14、起动器,驱动5台空调机组的电机。S7-300 可编程序控制器和现场分布式I/O(ET200S和ET200M)之间采用DP总线进行全数字化高速通信,构成DP总线系统。DP使用RS-485传输技术,传输介质为双绞屏蔽电缆,最高传输速率可达12Mbps ,最远传输距离为1200m。整个中央空调控制系统结构如图所示。2、冷/热水系统的监控冷/热水系统由4台热泵机组、4台电加热器、4台空调循环泵和相应的管理器件组成。在中央空调系统中,冷/热水系统是最主要的耗能部分,因此,控制系统必须考虑冷/热水系统的节能。我们通过群控方法降低该系统的能耗,冷/热水系统群控逻辑框图如图所示。选用合适的Siemens压力传

15、感器、温度传感器和流量传感器,监测供水总管和回水总管的压力、温度和流量,计算中央空调系统的负荷大小,经S7-300PLC对相关信息处理后,决定投入热泵机组、电加热器及空调循环泵的台数,实现冷/热水系统的群控,节能效果显著。在设计时重点考虑机组的起、停顺序;冷/热水系统的监控必须选用合适的传感器,监测热泵机组水管进出口的温度和水流量、循环水泵出口的压力;使用本地/远程转换开关,实现热泵机组、电加热器及空调循环泵的本地/远程控制的转换。3、新风机组的监控本中央空调系统有10台新风机组。对于每台新风机组,通过两只QAM10013-130型风道温度传感器监测新风机组的进风和送风温度;一只QBM81-5

16、型压差传感器监测过滤网的堵塞程度,超过压差极限报警;一只气流开关监测风管的气流状态;一只防冻开关置于风管内,当风管内的温度低于5时,启动换热器防冻保护程序,停止风机运行、关闭新风阀、适当开启热水阀;使用ET200分布式I/O ,控制风机启停、送风温度、新风阀的开闭,采集新风机组的温度、压差、风机运行状态和故障报警信号、新风阀的状态、冷/热水阀的开度,实现换热器的防冻保护。其中,送风温度的控制是根据送风温度与设定温度的差值,通过执行器连续调节冷/ 热水阀的开度实现的。4、空调机组的监控本中央空调系统有4台立式空调机组和4台吊顶式空调机组,对于空调机组,同样需要风道温度传感器监测空调机组的进风和送

17、风温度;压差传感器监测过滤网的堵塞程度,超过压差极限报警;气流开关监测风管的气流状态;防冻开关置于风管内,当风管内的温度低于5时,启动换热器防冻保护程序,停止风机运行、关闭新风阀、适当开启热水阀;使用ET200分布式I/O ,控制风机的启停、送风温度,采集空调机组的温度、压差、风机运行状态和故障报警信号、新风阀的状态,实现换热器的防冻保护。与新风机组的监控相比,主要有以下两点区别:根据回风温度与设定温度的差值和季节变化,连续调节新风阀的开度,改变新风和回风的混合比例,并监测新风阀的开度;根据回风温度与设定温度的差值,连续调节新风阀的开度,对回风温度(室温)进行连续调节控制,根据用户要求,其温度

18、设定权放在现场,由带有PID算法的RDU5012型现场温控器进行温度调节,给出010V的输出信号,再将此信号送至S7-300型PLC ,由S7-300型PLC控制冷/热水阀的开度(420mA信号) ,对回风温度(室温)进行连续调节控制。5、风机盘管的监控采用RDF1012型数显式风机盘管温控器,结合EVS. 3型动态平衡式电动调节阀,调节控制冷/热水阀的开闭,实现室内温度的精确调节控制。Profibus的发展前景目前除了Profibus总线以外,较为流行的现场总线主要还有FF总线、LonWorks总线、can总线以及Hart总线。FF总线功能强大,支持本安装系统,实时性好,总线供电,但如果主设

19、备失效将使整个网络瘫痪,总线虽然性能突出,成本却较高,协议也复杂,主要应用于流程控制领域。LONWORKS总线开发平台完善,在楼宇自动化、电力行业、测控系统和智能通信产品方面具有较大优势,由于行业应用的特点和历史原因,在离散制造加工领域没有优势。CAN总线简单可靠,抗干扰性强,成本低,非常适合用作传感器/执行器总线,但它的速度慢,传输距离也有限,不能满足有严格实时性要求的场合,其主要应用于汽车检测和控制。HART总线建立在目前广泛采用的模拟系统之上,技术上也充分考虑连续过程使用环境的需要,其技术本身还在不断完善与更新,如需提高传输速率。与上述四种总线相比,Profibus总线在以下几方面显现了

20、它的应用优势。(1)由于Profibus现场总线技术投运时间较长,因而它的应用范围已渗透扩散到电力拖动的电力电子技术(如变频调速器)等领域中。(2) Profibus可远距离高速度传输数据。DP/FMS通信介质为屏蔽双绞电缆或光纤,传输速率为9.6k-12Mb/s,传输距离为100-1200m,且通过中继器后传输距离还可加长。 (3) Profibus根据不同的应用对象可灵活选取不同规格的总线系统。如简单的设备一级的高速数据传送,可选用DP单主站系统;稍微复杂一些的设备级高速数据传送可选用DP多主站系统;比较复杂一些的系统可以将DP与FMS混合选用,两套系统可方便地在同一根电缆上同时操作,无需附加任何转换装置。(4) Profibus具有本征安全的优势。目前各种现场总线技术中考虑本征安全的只有PROFIBUS与FF。而FF的部分协议及成套硬件支撑尚未完善,可以说目前过程自动化中现场总线技术的成熟解决方案是PA。它只需一条双绞线就既可传送信息又向现