摘 要：本文主要介紹了PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線在氟化學(xué)工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用以及DCS和S7-400H冗余系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)分析了基于DP/DP耦合器的多主網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)耦合以及基于Y-LINK的冗余網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)切換設(shè)計(jì)。 關(guān)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(xiàng)目簡(jiǎn)介 　　隨著自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的不斷提高，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從集中自動(dòng)化系統(tǒng)向分散自動(dòng)化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移的重大突破。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)，使各種檢測(cè)、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(hù)和運(yùn)行成本。而PROFIBUS由于其高達(dá)12Mbps的總線傳輸技術(shù)，并滿足了從現(xiàn)場(chǎng)層到工廠管理層對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求，應(yīng)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(guó)際化的開(kāi)發(fā)式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)?；赑ROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)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(shù)優(yōu)勢(shì):FCS系統(tǒng)節(jié)省了大量安裝費(fèi)用，提高了可靠性和抗干擾能力，增強(qiáng)了控制精度。由于采用了統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，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(kāi)放性，對(duì)用戶操作、維護(hù)和擴(kuò)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(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。 　　近年來(lái)我國(guó)氟化工工業(yè)發(fā)展迅猛，對(duì)生產(chǎn)氟化工基礎(chǔ)原料的工業(yè)技術(shù)和控制設(shè)備提出去更高的要求。美國(guó)杜邦公司在氟化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域一直處于國(guó)際領(lǐng)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(yàn)。該公司在江蘇常熟新建立的氟化工工廠采用了最先進(jìn)的控制系統(tǒng)和生產(chǎn)工藝，采用以PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線為主網(wǎng)絡(luò)把DCS和PLC以及驅(qū)動(dòng)控制聯(lián)合成為一個(gè)具有全集成自動(dòng)化理念的先進(jìn)的控制系統(tǒng)構(gòu)架，為企業(yè)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。 　　控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 　　本系統(tǒng)的總控制和監(jiān)視平臺(tái)采用了美國(guó)Honeywell公司的DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整套氟化工生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行整體控制和監(jiān)視歸檔。上位機(jī)系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器構(gòu)架，服務(wù)器用于保存整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的報(bào)警和歸檔數(shù)據(jù)，客戶機(jī)作為操作接口對(duì)工藝、分站設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行操作和監(jiān)視。上位機(jī)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)通過(guò)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(dòng)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(chǎng)電機(jī)運(yùn)行的控制裝置采用了德國(guó)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置的控制精度。變頻器的啟停和轉(zhuǎn)速控制以及變頻器的實(shí)際轉(zhuǎn)速、電流和電機(jī)溫度的狀態(tài)監(jiān)控均是通過(guò)PROFIBUS進(jìn)行傳輸，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架為主從結(jié)構(gòu)：DCS作為主站，變頻器作為從站。PROFIBUS的實(shí)時(shí)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(guān)鍵的設(shè)備，對(duì)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(jià)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(yùn)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(chǎng)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)通訊，同時(shí)為保證S7-400H冗余系統(tǒng)與DCS的PROFIBUS總線之間通訊時(shí)冗余網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫切換，采用Y-Link和DP/DP耦合器來(lái)完美實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)主站網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換。整個(gè)控制系統(tǒng)的構(gòu)成如下圖1所示。 基于S7-400H系統(tǒng)的緊急停車控制系統(tǒng) 　　針對(duì)氟化工工業(yè)裝置的特殊工藝要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高可靠性的裝置運(yùn)行和緊急停車系統(tǒng)是非常關(guān)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(jìn)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(yuǎn)程I/O做從站，PROFIBUS總線來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC和從站之間的數(shù)據(jù)通訊。同時(shí)為了保證系統(tǒng)的安全性和高可靠性，主站有一個(gè)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(gè)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(chǎng)總線來(lái)實(shí)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(jié)構(gòu)如圖2所示。 　　在正常操作下，主PLC通過(guò)PROFIBUS總線和從站進(jìn)行通訊，當(dāng)主PLC發(fā)生故障時(shí)，后備PLC自動(dòng)接管，由后備PLC通過(guò)后備PROFIBUS總線和從站繼續(xù)進(jìn)行通訊。兩個(gè)PLC之間由光纖把四個(gè)同步模塊鏈接起來(lái)，每個(gè)PLC在每個(gè)掃描周期都向另一個(gè)PLC發(fā)送內(nèi)部狀態(tài)數(shù)據(jù)，而且由于光纖的高速傳輸，保證了兩個(gè)PLC控制權(quán)的平滑切換功能。當(dāng)主網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，備用PLC自動(dòng)接替與總線接口模塊的通訊，并能平滑切換，使網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì) 　　為了實(shí)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(shè)計(jì)。DP/DP耦合器被用來(lái)連接兩個(gè)PROFIBUS-DP主從網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)雙主站網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸，其特點(diǎn)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(guò)硬件選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置也可以通過(guò)編程工具進(jìn)行設(shè)置；耦合器兩側(cè)可以有不同的傳輸波特率，當(dāng)一側(cè)傳輸失敗時(shí)另一側(cè)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(guò)GSD文件的方式集成在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)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(luò)和DP/DP耦合器之間實(shí)現(xiàn)平滑切換成為一個(gè)重要的網(wǎng)絡(luò)耦合設(shè)計(jì)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(luò)切換裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。Y-LINK是由兩個(gè)IM153-2接口模塊和一個(gè)實(shí)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(gè)非冗余的DP主網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，由此使得具有唯一DP接口的裝置可以作為一個(gè)切換輸入輸出系統(tǒng)連接到S7-400H冗余DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中去。其在STEP7里面的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示?！　? 　　項(xiàng)目總結(jié)與體會(huì) 　　目前，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)融合了PLC、DCS和驅(qū)動(dòng)技術(shù)構(gòu)成的全集成自動(dòng)化系統(tǒng)，PROFIBUS現(xiàn)已成為國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一和我國(guó)國(guó)家現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，在工業(yè)自動(dòng)化，傳動(dòng)和化工等領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。通過(guò)此項(xiàng)目的規(guī)劃和實(shí)踐調(diào)試，對(duì)西門子PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、DP/DP耦合器和Y-LINK裝置的應(yīng)用以及S7-400H冗余系統(tǒng)具有了更深入的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。 　　PROFIBUS總線傳輸速度高，具有確定的傳輸響應(yīng)時(shí)間和很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，可以應(yīng)用于對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求比較高的復(fù)雜控制系統(tǒng)。 　　S7-400H冗余PLC系統(tǒng)和冗余PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的實(shí)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(luò)設(shè)備之間的平滑切換和耦合。 　　通過(guò)DP/DP耦合器對(duì)雙主站PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的耦合，解決了兩個(gè)不同的復(fù)雜主站系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，大大提高了PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用靈活性和擴(kuò)展性。 　　PROFIBUS滿足了從現(xiàn)場(chǎng)層到工廠管理層對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求，而且由于標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放性，使其應(yīng)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(guò)調(diào)試順利運(yùn)行，此系統(tǒng)無(wú)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(dòng)化方面均取得了顯著的效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益，為以后氟化工工業(yè)領(lǐng)域提供了極好的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例。