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摘 要：本文主要介紹了Profibus-DP現(xiàn)場總線在氟化學工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用以及DCS和S7-400H冗余系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構。重點分析了基于DP/DP耦合器的多主網(wǎng)絡系統(tǒng)耦合以及基于Y-LINK的冗余網(wǎng)絡自動切換設計。
關鍵詞：PROFIBUS-DP S7-400H冗余系統(tǒng) DP/DP耦合器 Y-LINK
Abstract: This paper mainly describes the application of the PROFIBUS-DP network system in the Fluorine chemistry process control and the network topology of DCS and S7-400H redundant system . The multi-MASTER　network system coupling via DP/DP coupler and the auto-switch design of redundant network via Y-LINK device are deeply analyzed.
Keywords: PROFIBUS-DP S7-400H redundant system DP/DP coupler Y-LINK

　　項目簡介
　　隨著自動化技術領域的不斷提高，現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)了從集中自動化系統(tǒng)向分散自動化系統(tǒng)的轉移的重大突破?，F(xiàn)場總線技術融合了計算機技術、通訊和網(wǎng)絡技術以及自動化技術，使各種檢測、控制元件或裝置直接分布在總線系統(tǒng)上，大量降低了控制系統(tǒng)的安裝、維護和運行成本。而PROFIBUS由于其高達12Mbps的總線傳輸技術，并滿足了從現(xiàn)場層到工廠管理層對網(wǎng)絡的要求，應用面廣,產(chǎn)品多樣，多種行規(guī)保證了不同廠家產(chǎn)品之間的通用性，而成為國際化的開發(fā)式現(xiàn)場總線標準?；赑ROFIBUS現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)（FCS）相比以前的集散控制系統(tǒng)（DCS）具有更加突出的技術優(yōu)勢:FCS系統(tǒng)節(jié)省了大量安裝費用，提高了可靠性和抗干擾能力，增強了控制精度。由于采用了統(tǒng)一的國際標準，不同廠家的產(chǎn)品在硬件、軟件、通訊、連接方式等方面互相兼容，使系統(tǒng)具有開放性，對用戶操作、維護和擴展十分有利。因此采用PROFIBUS的DCS和PLC控制系統(tǒng)從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中和分散相結合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結構，提高了可靠性。
　　近年來我國氟化工工業(yè)發(fā)展迅猛，對生產(chǎn)氟化工基礎原料的工業(yè)技術和控制設備提出去更高的要求。美國杜邦公司在氟化學工業(yè)領域一直處于國際領先地位,具有幾十年的在氟化工行業(yè)的工藝和生產(chǎn)經(jīng)驗。該公司在江蘇常熟新建立的氟化工工廠采用了最先進的控制系統(tǒng)和生產(chǎn)工藝，采用以PROFIBUS現(xiàn)場總線為主網(wǎng)絡把DCS和PLC以及驅動控制聯(lián)合成為一個具有全集成自動化理念的先進的控制系統(tǒng)構架，為企業(yè)取得了良好的經(jīng)濟效益。

　　控制系統(tǒng)簡介
　　本系統(tǒng)的總控制和監(jiān)視平臺采用了美國Honeywell公司的DCS控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對整套氟化工生產(chǎn)設備進行整體控制和監(jiān)視歸檔。上位機系統(tǒng)采用客戶機/服務器構架，服務器用于保存整個生產(chǎn)過程的報警和歸檔數(shù)據(jù)，客戶機作為操作接口對工藝、分站設備和現(xiàn)場儀表進行操作和監(jiān)視。上位機系統(tǒng)和控制系統(tǒng)通過100MHz的光纖傳輸快速交換式以太網(wǎng)作為操作員站、工程師站和自動化系統(tǒng)站的系統(tǒng)總線，為用戶提供了高水平的通信方案。
　　現(xiàn)場電機運行的控制裝置采用了德國西門子公司的MASTERDRIVE變頻器，良好的矢量控制變頻方案大大提高了對現(xiàn)場裝置的控制精度。變頻器的啟停和轉速控制以及變頻器的實際轉速、電流和電機溫度的狀態(tài)監(jiān)控均是通過PROFIBUS進行傳輸，網(wǎng)絡構架為主從結構：DCS作為主站，變頻器作為從站。PROFIBUS的實時性和穩(wěn)定性極好的保證了DCS和變頻器之間的控制和狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸。
　　緊急停車系統(tǒng)（ESD）是極其重要和關鍵的設備，對安全可靠和穩(wěn)定性具有很高的要求。而PLC又是ESD中的最核心控制部件，在綜合考慮和性能、安全和價格等因素之后，采用了西門子的S7-400H冗余系統(tǒng)，其良好的可靠性和冗余方案保證了緊急停車系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在DCS和變頻器以及緊急停車系統(tǒng)之間均采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線來實現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)通訊，同時為保證S7-400H冗余系統(tǒng)與DCS的PROFIBUS總線之間通訊時冗余網(wǎng)絡的無縫切換，采用Y-Link和DP/DP耦合器來完美實現(xiàn)了兩個主站網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)交換。整個控制系統(tǒng)的構成如下圖1所示。





圖1 控制系統(tǒng)構架總覽
基于S7-400H系統(tǒng)的緊急停車控制系統(tǒng)
　　針對氟化工工業(yè)裝置的特殊工藝要求，設計并實現(xiàn)高可靠性的裝置運行和緊急停車系統(tǒng)是非常關鍵的部分。該系統(tǒng)核心控制單元PLC采用S7-400H系列，是西門子推出的最新的高端冗余PLC，具有所有西門子S7系列PLC的先進性和高可靠性。根據(jù)工藝和可靠性的要求，PLC控制系統(tǒng)采用S7-400H系列模塊做主站，遠程I/O做從站，PROFIBUS總線來實現(xiàn)PLC和從站之間的數(shù)據(jù)通訊。同時為了保證系統(tǒng)的安全性和高可靠性，主站有一個支持冗余的底板、兩套S7-400H系列電源模塊、CPU模塊和CP443-1以太網(wǎng)通訊組成，從站ET200M同樣采用兩個IM153接口模塊和I/O模塊組成，兩套CPU和從站ET200M之間采用兩套PROFIBUS現(xiàn)場總線來實現(xiàn)主從站之間的通訊冗余，由此保證了系統(tǒng)具有極高的可靠性。S7- 400H冗余控制系統(tǒng)的結構如圖2所示。





圖2 S7-400H冗余控制系統(tǒng)圖

　　在正常操作下，主PLC通過PROFIBUS總線和從站進行通訊，當主PLC發(fā)生故障時，后備PLC自動接管，由后備PLC通過后備PROFIBUS總線和從站繼續(xù)進行通訊。兩個PLC之間由光纖把四個同步模塊鏈接起來，每個PLC在每個掃描周期都向另一個PLC發(fā)送內部狀態(tài)數(shù)據(jù)，而且由于光纖的高速傳輸，保證了兩個PLC控制權的平滑切換功能。當主網(wǎng)斷開時，備用PLC自動接替與總線接口模塊的通訊，并能平滑切換，使網(wǎng)絡狀態(tài)保持不變。
　　基于DP/DP耦合器和Y-LINK的DCS與S7-400H系統(tǒng)間雙主站通訊設計
　　為了實現(xiàn)DCS和基于S7-400H的緊急停車系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，本系統(tǒng)采用了西門子DP/DP耦合器作為DCS控制主站和S7-400H冗余系統(tǒng)主站之間的Master-Master雙主站通訊設計。DP/DP耦合器被用來連接兩個PROFIBUS-DP主從網(wǎng)絡以實現(xiàn)雙主站網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳輸，其特點包括：最大傳輸數(shù)據(jù)由244字節(jié)的輸入數(shù)據(jù)和244字節(jié)的輸出數(shù)據(jù)；PROFIBUS地址既可以通過硬件選擇開關進行設置也可以通過編程工具進行設置；耦合器兩側可以有不同的傳輸波特率，當一側傳輸失敗時另一側的輸出數(shù)據(jù)被保持；具有冗余的雙電源供電模式；DP/DP耦合器可以通過GSD文件的方式集成在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡里。
　　由于緊急停車系統(tǒng)采用的是PLC和PROFIBUS冗余解決方案，于是在冗余網(wǎng)絡和DP/DP耦合器之間實現(xiàn)平滑切換成為一個重要的網(wǎng)絡耦合設計環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)最后采用了基于西門子Y-LINK的DP冗余網(wǎng)絡切換裝置來實現(xiàn)。Y-LINK是由兩個IM153-2接口模塊和一個實現(xiàn)總線互連的Y耦合器組成。Y-LINK提供了從S7-400H冗余的DP主網(wǎng)系統(tǒng)到一個非冗余的DP主網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)關，由此使得具有唯一DP接口的裝置可以作為一個切換輸入輸出系統(tǒng)連接到S7-400H冗余DP網(wǎng)絡系統(tǒng)中去。其在STEP7里面的網(wǎng)絡拓撲結構如圖3所示。　　





圖3 Y-LINK和DP/DP耦合器在S7-400H系統(tǒng)中的網(wǎng)絡組態(tài)
　　項目總結與體會
　　目前，現(xiàn)場總線技術融合了PLC、DCS和驅動技術構成的全集成自動化系統(tǒng)，PROFIBUS現(xiàn)已成為國際現(xiàn)場總線技術標準之一和我國國家現(xiàn)場總線標準，在工業(yè)自動化，傳動和化工等領域占據(jù)主導地位。通過此項目的規(guī)劃和實踐調試，對西門子PROFIBUS現(xiàn)場總線、DP/DP耦合器和Y-LINK裝置的應用以及S7-400H冗余系統(tǒng)具有了更深入的認識和應用經(jīng)驗。
　　PROFIBUS總線傳輸速度高，具有確定的傳輸響應時間和很強的實時性，可以應用于對實時性和穩(wěn)定性要求比較高的復雜控制系統(tǒng)。
　　S7-400H冗余PLC系統(tǒng)和冗余PROFIBUS網(wǎng)絡的實施以及Y-LINK切換裝置的使用，既保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性能又靈活解決了在冗余與非冗余網(wǎng)絡設備之間的平滑切換和耦合。
　　通過DP/DP耦合器對雙主站PROFIBUS網(wǎng)絡系統(tǒng)的耦合，解決了兩個不同的復雜主站系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換問題，大大提高了PROFIBUS網(wǎng)絡的應用靈活性和擴展性。
　　PROFIBUS滿足了從現(xiàn)場層到工廠管理層對網(wǎng)絡的需求，而且由于標準的開放性，使其應用面廣，幾乎所有的廠家的產(chǎn)品都支持PROFIBUS，保證了不同公司產(chǎn)品之間的通用性。
　　本控制系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過調試順利運行，此系統(tǒng)無論在工藝要求、控制功能和操作方便還是可靠性以及全集成自動化方面均取得了顯著的效果和良好的經(jīng)濟效益，為以后氟化工工業(yè)領域提供了極好的控制系統(tǒng)設計案例。