基于PROFIBUS总线实现水厂系统控制要求及控制设计方案

引言：

现场总线控制技术因其巨大的技术优势，已在各个领域如机械、化工、汽车、电力、楼宇等得到广泛应用。近年来在自来水行业的应用也越来越普遍，基于现场总线的水厂自动化控制系统，它采用了计算机数字化通信技术，使水处理工艺过程参数及设备加入到信息网络，成为企业信息网络的底层，这样公司级信息沟通的覆盖范围便一直延伸到了生产现场。在CIMS系统中，现场总线是水厂计算机网络到现场级设备的通道，是支撑现场级与水厂级信息的技术基础。

1.现场总线技术简介

（1）现场总线控制系统是近十几年发展起来的，它被认为是工业控制系统发展的必然趋势。它主要解决了传统控制系统信息量有限集成能力不强，开放性差，可靠性不易保证，电缆敷设量大，更不能完全满足CIMS系统对底层数据的要求等问题。

（2）目前世界流行的现场总线及总线标准有很多种，其中PROFIBUS现场总线是欧洲标准，其产品在世界市场上已被普遍接受，在中国也组建了PROFIBUS现场总线专业委员会，它是目前世界上最成功的现场总线之一，长沙八水厂自控系统便是采用了该总线。

（3）现场总线PROFIBUS协议由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA三个兼容部分组成。采用了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层，支持主从系统、纯主系统、多主多从系统通信方式。主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权，取得控制权的主站可向从站发送、获取信息。DP型用于高速数据传输，尤适用于设备级控制系统与分散式I/0的通信：FMS为现场信息规范，适用于厂站级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络；PA则是用于过程自动化的总线类型。

（4）PROFIBUS FIELDBUS网络构成的几种型式

A总线接口型：它采用分散式I/O作为总线接口与现场设备连接，适应于现场设备多又相对集中且不具备PROFIBUS接口的情况。

B单一总线型：当所有的现场设备都具有PROFIBUS接口时，用总线把它们连接起来实现完全的分布式结构，当然这时的设备成本会较高。

C混合型：它是A、B型的混合，是一种比较普遍的情况，它既可以通过分散式I/O把现场设备连到总线上，又可把带总线接口的设 备连到总线上，是一种非常灵活的集成方案。

2.水厂自控系统现场总线结构型式

以PLC为一类主站，PC机监控为二类主站连接至PROPmU5总线上，二类主站可完成远程编程、参数化及在线监控功能等。

现场总线PROFIBUS控制系统的结构形式配置，需根据现场设备是否具备PROFIBUS接口及系统本身的实际需要来确定，下图为八水厂PROFIBUS控制系统网络结构图。

选择该网络构成形式，其理由如下：

1）八水厂处理生产工艺流程的各个环节，环节与环节之间、环节内部需检测的参数与各个现场被控设备之间都相对比较分散，且项目（系统）对各个工艺环节的数据集成有较高的要求，除要达到远程操作、诊断、监控、参数化功能外，还必须为CM赐系统提供丰富的现场设备及生产数据，为全公司的信息系统提供重要的底层数据。而恰到好处的解决这些问题正是现场总线技术的最大优势。

2）为确保实际应用项目（系统）的成功实施，现场总线PROFIBUS的一些关键性技术能否在水行业得到正常应用，主要是看它在本行业是否有应用先例，经过调研，确认PROFIBUS不仅在制造、电力等方面，在水行业也已有成功的应用，且有相当的业绩。

3）根据水处理工艺流程，现场总线PROFIBUS将PLC分为四个工作站，一泵房站、二泵房站、加药站、滤池站及中心控制室、厂长室，并设置为主站，而加药和滤池主站则配置为分别带有8个和12个智能型VO从站的PLC。对四个PLC工作主站，考虑到系统功能的要求及用户的需要，每站分别配置了一台计算机和网卡作监控主站。

3.系统配置及设备选型

系统采用PROFmUS现场总线的典型应用产品，SIEMENS公司产品。

1）主站选择

a）选择S7-300系列的CPU315——2DP为一类主站，它带有一个DP和一个MPI接口，速率为9.6kbit/s12mbit/s，数据传输距离1200M，可连接I/0数目：DI/DO1024AI/AO128

b）选择CP343-5通信处理器，将PLC连接到BROFIBUS上，数据传输速率为9.6K，1.5MBT/S。

c）选择PC机加BROFIBUS网卡作过程监控的二类主站。

2）从站选择

选择S7-200系列的CPU215-2DP为智能型I/O从站，最大数据传输速率为12M，本身带有14DI/10DO，亦可扩展到62DV58DO或12AV4AO。

4.系统控制要求及控制方案的实现

1）为使水处理工艺各个环节的生产数据和生产现场设备在调度控制中心被实时监视控制，厂调度室和厂长室都配有一台惠普电脑连接至BROFIBUS现场总线上，通过WIHNCC组态图形软件既能监视各站点生产状况，又能控制操作现场设备的各种状态，达到非常理想的集中控制功能。

2）为了维护方便、操作灵活对各个PLC站点的设备均设置有手动、键控和全自动控制方式。一泵房PLC通过PROFIBUS接受二泵房PIE采集的清水池水位，出厂水流量等数据，对一泵房机组进行全自动闭环控制，二泵房则通过网络根据调度室确定的指令及流量、压力、设备状况进行自动控制。

3）滤池控制PIE站点，在控制室柜中装有西门子CPU315PLC，在每格滤池操作台内装有西门子CPU215-2DPPLC，它们之间通过DP端口利用屏蔽双绞线连接在一起，构成PROFIBUS——DP总线，其中S7-300是主站，其它12台S7-200是从站，实现对滤池的全自动反冲洗。

4）加矾加氯及桁车、反应池排泥站点，在控制室柜中装有西门子CPU315PLC为主站，在桁车、反应池排泥处装有S7-200PLC为从站，共8台，它们之间连成PROFIBUS-DP总线，使桁车排泥按时段进行全自动工作，加矾按流量比例前馈、SCD反馈控制，加氯按流量比例、余氯反馈闭环控制。

5.结束语

PROFIBUS现场总线在八水厂自控系统中建立以来，经调试，运行稳定正常。现场总线作为工业控制网络愈来愈在工业控制系统中发挥出独特的优势作用。如今虽有观点认为，随着计算机通讯技术的发展，以太网（TCP/IP）可能取代现场总线，但至少从目前来看要全面取而代之，还存在着很多困难。

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