阳泉西门子PLC总代理商
一、引 言
20世纪中期，我国引进了一批先进的大型火电机组，也把分散控制系统和PLC引进了中国。一般在汽机、锅炉应用DCS，在电厂辅助系统中使用PLC控制。近年来，随着网络技术的发展，现场总线的概念越来越多的应用到各种领域。一个新的名词-FCS(FIELDBUS CONTROL SYSTEM)已深入到各种过程控制领域，在国外的电厂已开始广泛应用。使用现场总线技术，可以减少用于连接分散的I/O设备的电缆，可以减少用于连接仪表的电缆并增加可靠性，可以大量的节省机械安装、连接和布线的成本、并增加了系统的可靠性。
二、现场总线技术
2.1 现场总线的概念
现场总线是用于过程自动化和制造自动化，连接传感器、控制器和执行器等现场设备的一种全数字化、全分散化、智能、双向、多变量、多站的通信系统。现场总线的特点:可靠性高，稳定性好，抗干扰能力强，通信速率快，系统安全，符合环境保护要求、价格低、维护成本低。
传统的4-20mA信号连接，信息量有限，严重制约了企业信息集成和企业综合自动化的实现。现场总线技术把孤立的现场级设备带进了企业信息网络中。
2.2 Profibus 技术介绍
当前现场总线的标准很多，如Profibus、FF、Lonworks、WorldFIP等，目前的现场总线技术正趋于统一，国际电工委员会制定了IEC 61158的。
Profibus是德国于90年代初制订的国家工业现场总线协议标准，代号DTN19245，目前是IEC 61158中的Type3部分。现在它成为不依赖于设备生产商、开放的、国际化的现场总线标准之一。广泛应用于制造自动化、流程工业自动化、楼宇、交通、电力等领域的自动化控制系统中。
Profibus网络协议也是以ISO的OSI七层参考模型为基础，对第三层到第六层进行了简化。
TEC61158中Type3的部分定义了Profibus的物量层和链路层协议，其技术指标如下:
物理接口标准：EIA RS-485
网络接口：sub-D9 芯插头
网络拓扑：线性总线两端加终端电阻
存取方式:链路层采用混合介质存取方式，主站间按令牌环方式，主站和从站间按主从方式工作。
站点数:主从站多127个，每段多32站，段间采用中继器连接。
电缆:屏敝双绞线截面>0.22mm2，阻抗120Ω
传输波特率：9.6k---l2M
传输距离:1200m以下，与传输波特率成反比，可用Repeater(中继器)增加传输距离。
TEC61158中Type3的第二部分定义了应用层协义，称为FMS。FMS提供强有力的通信功能。
TEC61158中Type3的第三部分定义了DP协议，用于传感器和执行器级的高速数据传输:其传输速率可达12Mbit/s，一般构成单主站系统，在SIMATIC中FMS和DP可混合工作。
TEC61158中Type3的第四部分为PA协议，用于安全性较高的场合，设备行规定义了设备自有的功能，设备描述语言及功能块允许对设备进行完全的内部操作。
IEC61158中Type3的部分分别与第二、第三、第四部分构成了Profibus的三个兼容部分，即:Profibus-FMS、Profibus-DP、Profibus-PA,分别应用于不同的场合。
图l为Profibus通讯协议的结构示意
PROFIBUS总线具有下面特点:
1.用一根串行的数字总线替代传统的并行24V信号和4～2OmA模拟信号
2.通过一根双芯屏蔽电缆连接中央控制器和现场设备
3.同样适用于防爆环境和有安全要求的应用:一个系统适合于不同的应用
4.数据和电源通过同一根电缆传输(PA)
5.对于所有的设备，只需要一个通用的组态和工程工具
6.连接不同厂商的设备
7.开放的、不依赖于厂商的现场总线，并符合IEC61158(Type3)
三、Profibus系统在循环流化床锅炉控制系统的应用方案
在下面的论述中，我们将以电厂循环流化床锅炉机组控制系统为例，介绍一下现场总线技术在电厂的应用。
电厂控制分成:过程控制系统和辅机控制系统
主机控制系统:
· 数据采集 (DAS)
· 模拟量控制 (MCS)
· 发电机-变压器组和厂用电源系统顺序控制 SCS(G/A)]
· 锅炉炉膛安全监控系统 (FSSS)
· 汽轮机电液控制系统 (DEH)
· 辅机控制系统:
· 输煤程控:
· 化学水处理:
· 除尘除灰:
· 脱硫系统:
近年来，循环流化床锅炉在国内外都得到了广泛的应用，其高效、节能、环保等优点是众所周知的
3.1 系统构成
控制系统选用了西门子公司的过程控制系统。采用西门子工控机，配有STEP7 V5.2 编程软件，WinCC6.0监控软件为上位机监控系统。
下位机监控系统组成:两套西门子PLC—CPU 417-2DP,四个ET2OOM工作站。以PROFI-BUS-DP和PROFIBUS-PA作为其现场总线，CP连接的以支持Profibus协议的PROFIBUS作为系统总线。
3.2 监控系统:
监控系统由一个操作员站和一个工程师站组成。操作员站主要完成与下位机的数据交换(数据采集)，显示各种已组态好的系统流程画面、参数显示画面、控制画面、趋势曲线、报警画面，报表打印及控制参数设置等功能。使操作员可以及时的了解整个锅炉的运行情况，并采用有效的控制，以保证生产稳定运行。工程师站主要完成整个监控系统的运行组态，监控数据库组态及显示，各种显示及控制画面的组态，报警组态，事件纪录及显示和实事及历史趋势显示。
3.3 控制方案说明
在控制方案中床温及锅炉负荷采用模糊控制;锅炉液位、过热蒸汽温度，炉膛压力、料床高度、除氧压力、除氧器液位都采用了传统的PID调节回路。
在WINCC中建立模糊控制规则输入表。通过多变量模糊控制设计工具，并且在WinCC画面中编辑了脱硫配方的计算及锅炉效率，水、煤、气、电等参数累计及瞬时的显示。WINCC中建立模糊控制规则输入表建立连接，即可将模糊控制规则下载到PLC中去。规则控制表可根据锅炉的实际工作情况进行适时修改。
由于西门子冗余系统采用了时间同步的专利技术，可以保证以快的速度进行主从切换，其现场总线网络也采用了冗余的PROFIBUS技术，保证了系统的可靠性。对于仪表总线可采Y-bbbb连接到Profibus PA仪表上。
系统过程控制级的硬件结构如图2所示。
在这个系统中，充分体现了西门子新一代过程控制系统的优势。使用的组态软件是西门子的STEP75.2，由于其友好的用户功能，标准化的PLC编程语言，结构化的编程思想，优良的测试功能，用户带来了很大的方便。利用其集成的标准PID控制软件包，能很好的实现传统的PID调节。利用模糊控制软件包可建立模糊系统。模糊控制可用于自动化的所有层次，从单独的控制器到整个系统的优化。将模糊控制与经典的PID控制器相结合，可以达到优的控制目的。
对于系统的监视和控制，西门子的WlNCC 6.0，它是在PC基础上的全面开放的新一代的人机界面监控系统。WINCC提供成熟可靠的操作，无论简单、复杂任务，都能有效的组合，恰当的处理。
四、结束语
Profibus技术从2000年开始已成功应用于辅机程控中，特别是在四川厂安电厂辅机控制系统中，现场设备的控制全部采用了Profibus技术，得到了用户的高度评价。尤其是与传统集中控制比较，从系统设计、安装调试、维护及扩展上，现场总线技术的优势十分明显，为实现无人值守的自动化远程监控提供了技术装备基础。
1 引言
70年代工业控制仪表统一采用4~20mA的标准信号，但随着信息量的增加，出现了4~20mA传输的瓶颈效应。为了解决这一效应，80年代出现了一种新技术―现场总线（FieldBus），现场总线的技术关键就是把通讯总线一直延伸到现场设备，使许多现场设备（如PLC、智能变送器、变频器）可在同一总线进行双向多信息数字通讯；并且采用国际性现场总线后，可以方便地使用不同厂家生产的控制测量系统相互连接成通讯网络。目前，绝大多数传动设备驱动采用变频驱动控制。但变频器控制大多采用模拟信号连接，使现场信号的连接的工作量大、费用高。鉴于此，本文介绍一种采用PROFIBUS-DP过程现场总线通讯技术的数字连接控制方案，自动化单元和变频器采用不同厂家的产品，分别采用西门子公司的S7-300PLC和ABB公司的ACS627交流变频器，并结合某厂鼓风机高压变频调速系统的项目介绍采用PROFIBUS-DP现场总线技术的变频器通讯原理及实现方法。
2 PROFIBUS总线拓扑结构
该系统以西门子公司和ABB公司的相关产品阐述全数字交流调速系统在PROFIBUS-DP网中的通讯及控制机理。图1为PROFIBUS-DP网的一种典型配置，其中PLC为西门子公司的SIMATICS7-315-2DP型和S7-200，交流变频器为ACS627型，NPBA-12为与之配套的通讯适配器，上位机中装有STEP7软件，用于对S7-300PLC编程和对PROFIBUS-DP网进行组态和通讯设置。用S7-315-2DP在PROFIBUS-DP网中作为主站(Master)时，可分别带像ACS627变频器从站(Sl***e)共32个。当然，从站也可以是其他现场智能设备，如S7-200、ET200系列。
ACS627型变频器与NPBA-12通讯适配器模块相连，接入PROFIBUS-DP网中作为从站，接受从主站S7-315-2DP来的控制。NPBA-12通讯适配器模块将从PROFIBUS-DP网中接收到的过程数据存入双向RAM中，双向RAM中的每一个字都被编址，在变频器端的双向RAM可通过被编址参数排序，向变频器写入控制字、设置值或读出实际值、诊断信息等参量。
图1 PROFIBUS-DP网的总线拓扑结构
3 通讯机理
3.1 PROFIBUS的特点及介质存取方式
PROFIBUS(ProcessFieldBus―过程现场总线)为欧洲的开放式现场总线系统。其由PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP三部分组成，其中PROFIBUS-DP主要应用于现场级，是一种高速的通信连接，它被设计为自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信使用，可满足快速又简单地完成数据的实时传输。
PROFIBUS-DP参考模型是根据IEEE802标准委员会制定的局域网标准第1层（物理层）、第2层（数据链路层）和用户接口层建立的，由于工业上的特殊需要省略了3～6层。
PROFIBUS-DP的物理层与OSI参考模型的第1层相同，其主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以透明地传送比特流，它采用ETARS485协议，半双工方式，传输速率在9.6K~12M波特率之间可选，对应的通讯距离在1000米~100米。根据大传输速率的不同，可选用双绞线和光纤2种传输电缆。
PROFIBUS网络允许单主从或多主从系统。单主从系统主从站之间采用主从原理通讯。图1为单主多从型，这种方式的特点：S7-300作为系统主站在工作时间内一直占有总线控制权，与网中的从站进行通讯为纯主从式通讯。若两个以上的SIMATICS7作为主站组成多主系统时，采用的是逻辑令牌环网结构。令牌总线中的令牌是一种特殊的电文，它在主站之间传递控制权。令牌总线方式使得某个得到令牌的主站可在一个事先规定的时间段内得到总线控制权，在这段时间内允许这个主站在一定的时间内执行主站工作，这个主站可依照与主站或从站的关系表和所有的主站或所有的从站进行通信。若该主站没有需要发送的帧或在规定时间内发完了所需要发送的帧，或者该主站的控制时间终了时，它就将主站令牌传递给下一个主站。
3.2 数据链路控制的帧结构及类型
图1中主站与从站之间的通讯介质存取控制规约符合ISO的OSI参考模型数据链路层中HDLC（数据链路控制协议）的非平衡正常响应模式，主站与从站之间HDLC传送帧的结构如图2所示，其中F为标志字段(8位)；A为地址字段，在非平衡模式下为从站地址；控制字段C作为HDLC帧的关键字段表示了帧类型、编号、命令和控制信息，如图3所示，控制字段C将HDLC的帧分成了3种类型：信息帧(I)、监控帧(S)与无编号帧(U)。
图2 PROFIBUS-DP的HDLC结构
图3 HDLC控制字段的3种格式
信息帧(Inbbbbation)中N(S)表示当前发送数据帧的顺序号；N(R)表示该站下一接收帧的序号，N(R)有捎带确认的作用，它表示该站已正确接收序号为[N(R)-1]帧及以前的各帧。下一次应接收序号为N(R)值的帧，N(R)与N(S)用于全双工通信的帧发送与接收顺序控制、差错控制与流量控制等通信控制。信息帧中的探询/终止(P/F，Poll/Final)位与S和U帧中的相同。
监控帧(Supervisory)不带有数据信息，除了用于实现监督控制功能，还可以用于协调通信双方状态，并能实现差错控制与流量控制的作用。
无编号帧(Unnumbered)用于提供附加的链路控制功能，可以在需要时发出，而不影响信息帧的交换顺序。
信息字段I则是由PKW+PZD的应用数据构成，其中PKW字段用于写入控制字或读出状态字等更改和观察变频器的任意参数一般为4个字长；PZD字段用于变频器的具体控制字、设置点（任务：主站至变频器）或状态字的实际值（响应：变频器至主站）的数据传输，一般为2～10个字长。
在变频传动装置PROFIBUS的结构中，ABB变频器使用PROFIBUS-DP通讯模块（NPBA-12）进行数据传输主要是周期性的：主机从从机读取输入信息并把输出信息反送给从机。在周期性的数据传输中，周期型通道通信使用的数据结构为PPO（参数过程对象）消息，报文结构及PPO消息类型如图4所示。
图4 周期型传输报文结构及PPO对象类型
用周期型通道进行数据传送，可用数据被划分成两个区域：过程数据区（PZD）和参数区（PKW），它们以各自的报文进行数据传送。控制字、设定值和状态字、实际值须依照“过程数据连接”所规定的路径进行连接，过程数据的传输才有效。FCS为帧校验字段，每帧都包含此序列，它可对整个帧的内容，即地址、控制和信息等作循环冗余校验。
3.3 数据链路层工作过程
图1的系统结构为非平衡多点结构，其特点是：由一个主站控制着多个从站，主站发出命令，从站给出响应，配合主站完成对数据链路的控制，一个主站应与多个从站中的每一个从站建立一条数据链路；HDLC的数据传输模式采用了正常响应模式(NRM，NormalResponseMode)，在这种模式下，从站由主站发送“置正常响应模式”（SNRM）而置于此方式，从站可以发送多个帧，直到以下一种情况发生为止：从站没有信息帧可发送，未完成帧的数目已达大值或从站被主站停止。下面以图1中主站和从站2为例具体说明PROFIBUS-DP网数据链路层的工作过程。具体分3个阶段：数据链路的建立，数据传输和数据链路的释放，如图5所示。
图5 PROFIBUS-DP数据链路层的工作过程
阶段为数据链路的建立阶段。主站使用U帧的SNRM命令，在地址字段A中填入从站A的地址，表示在多个从站的多点结构中选择A为与之连接的从站，探询位P为1，记为U:A，SNRM，P。从站A接到SNRM命令后，用U帧的无编号确认命令UA作为响应主站建立数据链路的确认，记为U:A，UA，F。终止位F用于主站对探询P的应答。
第二阶段为数据帧的传输阶段，主站中的固有程序循环执行，向特定的数据块DBi中写入指令参数，特定的功能块FBj从中读取参数并向从站2发送，个编号为0的信息帧中N(S)=0，由于未接到2的从站帧，N(R)=0，此I帧记为I:A，N(S)=0，N(R)=0，第二、三个从主站连续发送的信息帧则记为I:A，N(S)=1，N(R)=0与I:A，N(S)=2，N(R)=0。如果主站在发送第三个帧时使用了探询位P，从站2也有信息帧要发送，则此I帧记为I:A，N(S)=0，N(R)=3，其中N(S)=0表示从站2发送的I帧序号为0；N(R)=3表示从站2已正确接收序号为2及它以前的I帧，下一次主站发送的I帧序号应为3，这里的N(R)也起到了对主站发送I帧的捎带确认作用，若从站2只有一帧发送，应标志终止符F，此时的I帧为I:A，N(S)=0，N(R)=3，F。
第三阶段为数据链路的释放阶段。当主站和从站2都没有信息帧要发送，或者主站将与从站1建立链路连接时，则应释放此链路连接，此时，主站可使用U帧释放连接命令DISC，从站2用U帧的UA予以确认。至此，一次完整的数据链路中帧的传输过程结束。
4 过程数据互连及应用实例
就该系统中PLC（主站）与ABB变频器（从站）通讯来考虑，实质上是一个过程数据互连的问题。过程数据互连为连接设定值和控制位到NPBA-12的双端口RAM寄存器，包括设定值通道主站到变频器过程数据互连、变频器到实际值通道的过程数据互连和过程数据监视。当所用的控制位及设定值、状态字和实际值被连接到双端口RAM时，被传送的过程数据才是有效的。
具体实现步骤如下：
4.1 STEP7项目系统组态及通信编程
(1) 使用STEP7组态软件，进入Hardware Configure完成S7-300 PLC硬件组态。
(2) 选定S7-315-2DP为主站系统，将NPBA-12的GSD(设备数据库)文件倒入STEP7的编程环境中，软件组态NPBA-12到以S7-315-2DP为主站的DP网上，并选定使用的PPO类型（如PPO3），设定站点网络地址。如果选择其它的PPO类型，考虑到所取信号的PZD码字节数大于4个字节，因为连接驱动装置从站的数据是一个整体，如果数据多于4个字节，它们会成为连续数据，而S7系统中，数据类型大是双字（4个字节），只有当它们被分开后才能被读出，需要在主程序中调用两个功能块SFC14和SFC15来读写这些数据，实现对变频器的通信控制。
(3) 建立一数据块，用于与变频器数据通信；建立一变量表，用于观测实时通讯效果。
4.2 变频器参数设置及过程参数互连
(1) 启动变频器，完成如下参数设置：
50.02-(0)DP；（选择PROFIBUS-DP协议）
50.03-(3)PPO4；（选择PPO类型，变频器上的PPO类型应与PLC上组态的PPO类型一致）
50.04=2；（NPBA-12的总线地址，即变频器的站点地址）
(3) 过程参数互连：过程参数互连完成NPBA-12双端口RAM连接器与变频器相应参数的定义和连接，包括主站（PLC）到变频器的连接和变频器到主站（PLC）的连接两部分。在变频器上设定下列连接参数。
① 从PLC发送到传动装置变频器的PZD值：
PZD1-控制值、PZD2-频率给定值、PZD3-速度设定值。
② 传动装置变频器发送到PLC的PZD值。
PZD1-状态值、PZD2-频率实际值、PZD3-速度实际值。
(4) 上述参数设置正确后，S7-300PLC就可以与变频器进行实时的数据通讯了。在变量表中，进行在线监视，可观测其通讯情况。
5 结论
从以上的讨论可知，PROFIBUS-DP网只有三层结构，是一种低级的工业局域网，而使用了主－从方式的介质存取控制方式，使该网的实时性远远高于其它局域网，特别适合用于工业现场。该网在本项目的运用中效果良好，从站ABB变频器、S7-200与主站S7-300进行有效、可靠的信号传输。但在实际使用时，也存在一定的缺陷，如若向网中增加或删减站点时，就要重新初始化整个网络，并对各站重新排序，这一过程实现起来是比较麻烦的。但与以前的分散型控制技术(DCS)相比，PROFIBUS-DP网有着无可比拟的优点。在DCS系统中，仪表是非智能化的设备，它只是简单地测量外部信息并转化成模拟信号进行传输，而FCS系统则将采集到的检测和控制信息就地处理并就地使用，具有智能化的特点；将现场仪表获得的故障信息分散在现场装置中进行控制、报警和趋势分析，从而实现了“危险分散”，增加了整个系统的可靠性；采用了开放式的结构和统一的，网络可采用多种拓朴结构和不同厂家的硬软件和通信规程，即兼顾了产品的兼容性。后，PROFIBUS-DP网络传输速度高、抗干扰能力强，是一种性能优良的现场总线控制网络。