現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用 [現(xiàn)場總線技術(shù)ＰＲＯＦＩＢＵＳ在油田的應(yīng)用]

　　摘要：為適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)的競爭，目前各油田減少設(shè)備檢修維護(hù)成本，實(shí)行狀態(tài)檢修，要將各分散的工藝段自動化系統(tǒng)形成一整體，便于對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，運(yùn)用PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，就可徹底解決這一自動化孤島整合與一體的問題，使油田基于設(shè)備狀態(tài)的檢修成為可能。
　　關(guān)鍵詞：PROFIBUS；通訊協(xié)議；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
　　中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　
　　1 概述
　　
　　PROFIBUS（PROCESS FIELD-BUS）誕生于1987年，1989年被立項(xiàng)為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245、91、92、93、95年，PROFIBUS-FMS（DIN 19245，第1，2部分）-DP（DINl9245，第3部分）和-PA（DINl9245，第4部分）先后被批準(zhǔn)實(shí)施。1996年3月，PROFIBUS被CENELEC-歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170（第2卷）。它以每年20-30％的驚人速度發(fā)展，目前全世界PROFIBUS設(shè)備安裝總數(shù)已達(dá)200多萬臺，由200多家企業(yè)生產(chǎn)的PROFIBUS產(chǎn)品已達(dá)1600多種以上，應(yīng)用實(shí)例多達(dá)20多萬個，總投資達(dá)45億多美元。在我國，相應(yīng)的組織機(jī)構(gòu)是CPO-China PROFIBUS Organization，成立于1997年7月3日。國內(nèi)為數(shù)眾多的企業(yè)運(yùn)用PROFIBUS-DP成功地實(shí)現(xiàn)了從食品、機(jī)械、樓宇、煙草、鋼鐵、電站直至環(huán)保工程的自動化，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
　　在現(xiàn)場級（Field Level）的現(xiàn)場設(shè)備與控制室內(nèi)的自控裝置之間進(jìn)行的串行數(shù)據(jù)傳輸通訊的數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)，稱為現(xiàn)場總線系統(tǒng)（Fieldbus Systems）�，F(xiàn)場總線技術(shù)推動了現(xiàn)場智能設(shè)備和智能儀表的發(fā)展，使傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)與現(xiàn)場總線融合于一體，不僅形成了一個信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、全集成自動化系統(tǒng)，還推動了以現(xiàn)場設(shè)備為基礎(chǔ)形成的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng) FCS 的出現(xiàn)、發(fā)展和廣泛應(yīng)用。目前在全球范圍內(nèi)被廣泛認(rèn)可的現(xiàn)場總線系統(tǒng)包括：PROFIBUS、FF、ControlNet、PROFINET、PNET等十大總線系統(tǒng)。
　　
　　2 PROFIBUS 現(xiàn)場總線的自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　
　　2.1PROFIBUS 現(xiàn)場總線通訊協(xié)議
　　PROFIBUS協(xié)議滿足ISO／OSI網(wǎng)絡(luò)化參考模型對開放性現(xiàn)場總線系統(tǒng)的要求，構(gòu)成從傳感器／執(zhí)行器、現(xiàn)場級、單元級直至管理級的透明的通訊系統(tǒng)。根據(jù)EN50170，它有三個成員或三種類型，即FMS、DP、PA，分別適用于不同的領(lǐng)域，這三種類型均使用統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議。
　　1.PROFIBUS DP：在參考模型中，使用第1、2層和用戶層。主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應(yīng)用于工廠與樓宇自動化中場級之間的高速數(shù)據(jù)通訊。
　　2.PROFIBUS PA：電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統(tǒng)中本質(zhì)安全要求的放爆場合，是PROFIBUS-DP向現(xiàn)場的延伸。
　　3.PROFIBUS FMS：使用參考模型中的第1、第2和第7層，定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動化系統(tǒng)中系統(tǒng)級和車間級的過程數(shù)據(jù)交換，可提供34種FMS服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對變量的訪問、程序調(diào)用和運(yùn)行控制及事件管理等。
　　
　　2.2PROFIBUS 現(xiàn)場總線的自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　PROFIBUS 現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)分成現(xiàn)場控制層、監(jiān)控層和企業(yè)管理層三層。
　　
　　2.2.1 現(xiàn)場控制層
　　現(xiàn)場控制層由現(xiàn)場智能設(shè)備、現(xiàn)場智能儀表、遠(yuǎn)程I/O 和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成�，F(xiàn)場控制涉及PROFIBUS 協(xié)議PROFIBUS-DP 和PROFIBUS-PA 兩個部分。
　�。�1）PROFIBUS-DP 是高速網(wǎng)絡(luò)，通訊速率達(dá)到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠(yuǎn)程I/O、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能馬達(dá)控制器、人機(jī)界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設(shè)備， 一條PROFIBUS-DP 總線可以最多連接123 個從站設(shè)備。PROFIBUS-DP 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線型、星型和樹型，通訊介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線時(shí)，不加中繼器最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)1.2 公里，最多可以采用9 個中繼器，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)9 公里。采用光纖時(shí)，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)100 公里以上，其中采用多膜光纖，兩點(diǎn)間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里，采用單膜光纖時(shí)，兩點(diǎn)間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里。
　　（2） PROFIBUS-PA 是低速現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)，通訊速率為31.25kb/s，支持點(diǎn)對點(diǎn)連接、總線型、混合型、樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。PROFIBUS-PA 主要用于連接現(xiàn)場智能儀表，如壓力、溫度、液位、流量等變送器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)等�？梢圆捎闷帘坞p絞線電纜，也可采用非屏蔽雙絞線電纜，可通過總線供電。
　　2.2.2監(jiān)控層
　　監(jiān)控層由高速工業(yè)以太網(wǎng)以及連接在總線上的擔(dān)任監(jiān)控作務(wù)的工作站或顯示操作站、工程師站、PLC/DCS 控制器組成。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)的通訊速率也在不斷提高，目前工業(yè)級的千兆以太網(wǎng)已經(jīng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域大量應(yīng)用。
　　2.2.3企業(yè)管理層
　　企業(yè)管理層由各種服務(wù)器和客戶機(jī)組成，主要由SIS、MIS 和ERP 系統(tǒng)構(gòu)成。其主要目的是在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，將各工藝段（例如DCS 系統(tǒng)、輔助程控系統(tǒng)等）的數(shù)據(jù)和信息（如過程數(shù)據(jù)、報(bào)警信息和設(shè)備狀態(tài)等）進(jìn)行匯總，從而集成企業(yè)的各種信息，實(shí)現(xiàn)與Internet 的連接，完成管理、決策和商務(wù)應(yīng)用的各種功能。通過管理層，公司和集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，并通過授權(quán)還可以對各系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。
　　
　　3 PROFIBUS 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
　　
　　3.1開放性
　　PROFIBUS 是一個完全開放的、與制造商無關(guān)的、無知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，全球有超過250 家公司可以生產(chǎn)超過2000 種支持PROFIBUS 的系統(tǒng)和設(shè)備。PROFIBUS 的開放性保證了不同制造廠商的產(chǎn)品的互連。例如西門子公司的DCS 或PLC 可以通過PROFIBUS 連接第三方的遠(yuǎn)程I/O、智能設(shè)備和儀表，這些連接只需要產(chǎn)品制造商提供相應(yīng)的GSD文件或EDD 文件，然后進(jìn)行簡單組態(tài)即可實(shí)現(xiàn)。目前國際知名的自動化系統(tǒng)制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON、FOXBORO 等和知名的儀表制造商如：SIEMENS、EMERSON 等都可以提供豐富的支持PROFIBUS 的產(chǎn)品。知名的PLC 品牌如：SIEMENS、MODICON、AB 也都支持PROFIBUS 總線。
　　
　　3.2可靠性
　　PROFIBUS 現(xiàn)場總線已安裝運(yùn)行節(jié)點(diǎn)數(shù)超過1000 萬個，大大高于其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)，它是IEC61158 的重要組成部分，并于2001 年成為中國的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10308.3-2001。PROFIBUS 的可靠性表現(xiàn)在以下幾個方面：
　　1．PROFIBUS 總線上的數(shù)據(jù)傳輸是完全基于數(shù)字信號實(shí)現(xiàn)的，這樣可以大幅提高信號傳輸過程中的抗干擾能力。
　　2．采用PROFIBUS 總線直接連接現(xiàn)場智能設(shè)備，可以減少大量接線點(diǎn)，減少了由于接線不牢或接線不規(guī)范引起的故障。
　　3．PROFIBUS 連接智能設(shè)備，減少了A/D 轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，提高了自動化系統(tǒng)的采集精度，為精確控制提供保障。
　　4．PROFIBUS 上各設(shè)備的連接非常簡單，并可以通過專用剝線工具和PROFIBUS 接頭，減少接線風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)PROFIBUS 接頭可以保證總線上任何一個節(jié)點(diǎn)故障不影響系統(tǒng)通訊。
　　5．支持冗余總線系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。
　　
　　3.3擴(kuò)展靈活
　　采用PROFIBUS 總線結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，擴(kuò)展非常方便靈活，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
　　1．拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，可以支持總線型、星型、樹型、冗余環(huán)型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
　　2．支持光纖和雙絞線作為通訊介質(zhì)，采用多模光纖時(shí)，兩個光電模塊間的距離可達(dá)3KM，采用單模光纖時(shí)，兩個光電模塊間的距離可達(dá)26KM；采用雙絞線不加中繼的最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)1KM，采用中繼時(shí)最遠(yuǎn)可達(dá)9KM。
　　3．一條PROFIBUS-DP 總線最多可以連接123個DP從站，所有滿足PROFIBUS-DP通訊規(guī)約的設(shè)備都可以連接到系統(tǒng)中。目前全球有超過1200 家公司可以生產(chǎn)超過2000 種支持PROFIBUS 的產(chǎn)品，因此具有很強(qiáng)的開放性和可擴(kuò)展性。
　　4．提供多種接口設(shè)備，用于將冗余DP總線轉(zhuǎn)換成單DP總線和將冗余DP總線轉(zhuǎn)換成PA總線，可以將DP 總線轉(zhuǎn)換成Asi 總線等，非常便于擴(kuò)展。
　　5．PROFIBUS 同時(shí)可以支持PROFIsafe 協(xié)議，一條總線上既可以傳輸標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號，也可以同時(shí)傳輸故障安全的信號。
　　6．提供可用于危險(xiǎn)領(lǐng)域的接口模塊，可以支持在危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)用。
　　
　　3.4實(shí)時(shí)性
　　采用PROFIBUS 總線的系統(tǒng)具有很高的實(shí)時(shí)性，這是由PROFIBUS 總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率高所決定的。PROFIBUS-DP 總線的傳輸速率可達(dá)12M，是目前通訊速率最高的現(xiàn)場總線。
　　3.4.1PROFIBUS-DP 總線的響應(yīng)時(shí)間
　　計(jì)算PROFIBUS-DP 總線的響應(yīng)時(shí)間可以按下面的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：
　　t Cycle_DP = （317 x （nSlaves） + 11 x （nBytes） ） x Tbit
　　317 是一個常數(shù)，表示一個DP 從站建立通訊連接所需的數(shù)據(jù)位；
　　第一個N 表示整個PROFIBUS-DP 總線上的從站數(shù)量；
　　第二個N 表示整個PROFIBUS-DP 總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總數(shù)，單位為字節(jié)。
　　如果總線系統(tǒng)中還有PA 總線，則PA 總線的響應(yīng)時(shí)間為：
　　t Cycle_PA-channel = （317 x （nSlaves） + 8 x （nBytes） ） x Tbit
　　整個PROFIBUS-DP 系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為：
　　t Cycle = t Cycle_PA-channel + t Cycle_DP + t Acylic
　　3.4.2PROFIBUS 總線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性
　　從上面的公式可以看到，一個典型的通過PA 總線連接的智能儀表的響應(yīng)時(shí)間為10ms；
　　一個典型的通過PA 總線連接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間為15ms；
　　一個PROFIBUS-DP 從站的響應(yīng)時(shí)間

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