现场总线技术PROFIBUS在油田的应用

摘要：为适应市场经济的竞争，目前各油田减少设备检修维护成本，实行状态检修，要将各分散的工艺段自动化系统形成一整体，便于对设备状态进行监控，运用PROFIBUS现场总线技术，就可彻底解决这一自动化孤岛整合与一体的问题，使油田基于设备状态的检修成为可能。

关键词：PROFIBUS；通讯协议；系统结构；PROFIBUS 网络设计

中图分类号：TP273 文献标识码：A

1 概述

PROFIBUS（PROCESS FIELD-BUS）诞生于1987年，1989年被立项为德国国家标准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）先后被批准实施。1996年3月，PROFIBUS被CENELEC-欧洲电工标准化委员会批准为欧洲标准EN50170（第2卷）。它以每年20-30％的惊人速度发展，目前全世界PROFIBUS设备安装总数已达200多万台，由200多家企业生产的PROFIBUS产品已达1600多种以上，应用实例多达20多万个，总投资达45亿多美元。在我国，相应的组织机构是CPO-China PROFIBUS Organization，成立于1997年7月3日。国内为数众多的企业运用PROFIBUS-DP成功地实现了从食品、机械、楼宇、烟草、钢铁、电站直至环保工程的自动化，并取得了明显的经济效益。

在现场级（Field Level）的现场设备与控制室内的自控装置之间进行的串行数据传输通讯的数据总线系统，称为现场总线系统（Fieldbus Systems）。现场总线技术推动了现场智能设备和智能仪表的发展，使传统DCS系统和PLC系统与现场总线融合于一体，不仅形成了一个信息网络技术、全集成自动化系统，还推动了以现场设备为基础形成的网络集成式全分布控制系统 FCS 的出现、发展和广泛应用。目前在全球范围内被广泛认可的现场总线系统包括：PROFIBUS、FF、ControlNet、PROFINET、PNET等十大总线系统。

2 PROFIBUS 现场总线的自动化系统结构

2.1PROFIBUS 现场总线通讯协议

PROFIBUS协议满足ISO／OSI网络化参考模型对开放性现场总线系统的要求，构成从传感器／执行器、现场级、单元级直至管理级的透明的通讯系统。根据EN50170，它有三个成员或三种类型，即FMS、DP、PA，分别适用于不同的领域，这三种类型均使用统一的总线访问协议。

1.PROFIBUS DP：在参考模型中，使用第1、2层和用户层。主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于工厂与楼宇自动化中场级之间的高速数据通讯。

2.PROFIBUS PA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中本质安全要求的放爆场合，是PROFIBUS-DP向现场的延伸。

3.PROFIBUS FMS：使用参考模型中的第1、第2和第7层，定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换，可提供34种FMS服务，实现对变量的访问、程序调用和运行控制及事件管理等。

2.2PROFIBUS 现场总线的自动化系统结构

PROFIBUS 现场总线的控制系统分成现场控制层、监控层和企业管理层三层。

2.2.1 现场控制层

现场控制层由现场智能设备、现场智能仪表、远程I/O 和网络设备构成。现场控制涉及PROFIBUS 协议PROFIBUS-DP 和PROFIBUS-PA 两个部分。

（1）PROFIBUS-DP 是高速网络，通讯速率达到12M。PROFIBUS-DP 可以连接远程I/O、执行机构、智能马达控制器、人机界面HMI、阀门定位器、变频器等智能设备， 一条PROFIBUS-DP 总线可以最多连接123 个从站设备。PROFIBUS-DP 的拓扑结构可以是总线型、星型和树型，通讯介质可以是屏蔽双绞线、光纤，也支持红外传输，采用双绞线时，不加中继器最远通讯距离可达1.2 公里，最多可以采用9 个中继器，最远通讯距离可达9 公里。采用光纤时，最远通讯距离可达100 公里以上，其中采用多膜光纤，两点间最远距离可达3 公里，采用单膜光纤时，两点间最远距离可达3 公里。

（2） PROFIBUS-PA 是低速现场级网络，通讯速率为31.25kb/s，支持点对点连接、总线型、混合型、树型拓扑结构。PROFIBUS-PA 主要用于连接现场智能仪表，如压力、温度、液位、流量等变送器及其执行机构等。可以采用屏蔽双绞线电缆，也可采用非屏蔽双绞线电缆，可通过总线供电。

2.2.2监控层

监控层由高速工业以太网以及连接在总线上的担任监控作务的工作站或显示操作站、工程师站、PLC/DCS 控制器组成。随着网络技术的不断发展，工业以太网的通讯速率也在不断提高，目前工业级的千兆以太网已经在工业自动化领域大量应用。

2.2.3企业管理层

企业管理层由各种服务器和客户机组成，主要由SIS、MIS 和ERP 系统构成。其主要目的是在分布式网络环境下，将各工艺段（例如DCS 系统、辅助程控系统等）的数据和信息（如过程数据、报警信息和设备状态等）进行汇总，从而集成企业的各种信息，实现与Internet 的连接，完成管理、决策和商务应用的各种功能。通过管理层，公司和集团领导可以实时监控现场设备，并通过授权还可以对各系统进行组态。

3 PROFIBUS 现场总线系统的优点

3.1开放性

PROFIBUS 是一个完全开放的、与制造商无关的、无知识产权保护的现场总线标准，全球有超过250 家公司可以生产超过2000 种支持PROFIBUS 的系统和设备。PROFIBUS 的开放性保证了不同制造厂商的产品的互连。例如西门子公司的DCS 或PLC 可以通过PROFIBUS 连接第三方的远程I/O、智能设备和仪表，这些连接只需要产品制造商提供相应的GSD文件或EDD 文件，然后进行简单组态即可实现。目前国际知名的自动化系统制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON、FOXBORO 等和知名的仪表制造商如：SIEMENS、EMERSON 等都可以提供丰富的支持PROFIBUS 的产品。知名的PLC 品牌如：SIEMENS、MODICON、AB 也都支持PROFIBUS 总线。

3.2可靠性

PROFIBUS 现场总线已安装运行节点数超过1000 万个，大大高于其它现场总线系统，它是IEC61158 的重要组成部分，并于2001 年成为中国的行业标准JB/T 10308.3-2001。PROFIBUS 的可靠性表现在以下几个方面：

1．PROFIBUS 总线上的数据传输是完全基于数字信号实现的，这样可以大幅提高信号传输过程中的抗干扰能力。

2．采用PROFIBUS 总线直接连接现场智能设备，可以减少大量接线点，减少了由于接线不牢或接线不规范引起的故障。

3．PROFIBUS 连接智能设备，减少了A/D 转换的环节，提高了自动化系统的采集精度，为精确控制提供保障。

4．PROFIBUS 上各设备的连接非常简单，并可以通过专用剥线工具和PROFIBUS 接头，减少接线风险；同时PROFIBUS 接头可以保证总线上任何一个节点故障不影响系统通讯。

5．支持冗余总线系统，提高系统可靠性。

3.3扩展灵活

采用PROFIBUS 总线结构的控制系统，扩展非常方便灵活，主要表现在以下几个方面：

1．拓扑结构灵活，可以支持总线型、星型、树型、冗余环型等多种拓扑结构。

2．支持光纤和双绞线作为通讯介质，采用多模光纤时，两个光电模块间的距离可达3KM，采用单模光纤时，两个光电模块间的距离可达26KM；采用双绞线不加中继的最远通讯距离可达1KM，采用中继时最远可达9KM。

3．一条PROFIBUS-DP 总线最多可以连接123个DP从站，所有满足PROFIBUS-DP通讯规约的设备都可以连接到系统中。目前全球有超过1200 家公司可以生产超过2000 种支持PROFIBUS 的产品，因此具有很强的开放性和可扩展性。

4．提供多种接口设备，用于将冗余DP总线转换成单DP总线和将冗余DP总线转换成PA总线，可以将DP 总线转换成Asi 总线等，非常便于扩展。

5．PROFIBUS 同时可以支持PROFIsafe 协议，一条总线上既可以传输标准数字信号，也可以同时传输故障安全的信号。

6．提供可用于危险领域的接口模块，可以支持在危险区域的应用。

3.4实时性

采用PROFIBUS 总线的系统具有很高的实时性，这是由PROFIBUS 总线系统的数据传输速率高所决定的。PROFIBUS-DP 总线的传输速率可达12M，是目前通讯速率最高的现场总线。

3.4.1PROFIBUS-DP 总线的响应时间

计算PROFIBUS-DP 总线的响应时间可以按下面的计算公式进行计算：

t Cycle_DP = （317 x （nSlaves） + 11 x （nBytes） ） x Tbit

317 是一个常数，表示一个DP 从站建立通讯连接所需的数据位；

第一个N 表示整个PROFIBUS-DP 总线上的从站数量；

第二个N 表示整个PROFIBUS-DP 总线上传输的数据总数，单位为字节。

如果总线系统中还有PA 总线，则PA 总线的响应时间为：

t Cycle_PA-channel = （317 x （nSlaves） + 8 x （nBytes） ） x Tbit

整个PROFIBUS-DP 系统的响应时间为：

t Cycle = t Cycle_PA-channel + t Cycle_DP + t Acylic

3.4.2PROFIBUS 总线系统的实时性

从上面的公式可以看到，一个典型的通过PA 总线连接的智能仪表的响应时间为10ms；

一个典型的通过PA 总线连接的执行机构的响应时间为15ms；

一个PROFIBUS-DP 从站的响应时间

4 PROFIBUS 现场总线系统的应用设计

4.1进行PROFIBUS 网络设计需考虑的问题：

1．需要什么样的网络功能

2．是否用于过程自动化

3．是否需要安全协议

4．是否通过总线连接驱动设备等

5．是采用4-20 mA， 4-20mA/HART? 还是采用数字设备

6．通过PA 还是通过DP 连接

7．用于安全领域还是危险区域

8．现场需要多长的电缆，长度限制是多少

9．需要哪些过程数据（是否需要设备状态信息

10．需要什么样的DP主站接口，接口有什么样的限制

11．DP 从站有什么样的限制

12．要求的网络响应时间是多少

13．DP 响应时间

14．PA 响应时间

4.2系统结构方案的制定

4.2.1根据用户的需求制定方案

当用户的要求清楚之后，就可以根据用户的需求设计一套适用的解决方案。以油田地下水处理程控系统为例来简单说明。

油田地下水处理系统由预处理系统、化学处理系统、物理氧化系统、酸碱系统等构成，主要工艺设备包括降温塔、多级分理罐、氧化池、酸碱池、风机、水泵、交换器等，主要测量仪表包括温度变送器、压力变送器、差压变送器、液位计、流量计、酸度计、碱度计、硅表、钠表、浊度计等；另外还有大量的气动隔膜阀、电机等。对于这样的系统，我们可以采用PROFIBUS 总线来完成监控任务。

用远程I/O 加智能DP/PA 仪表的方式来实现时，采用IP65/67 防护等级的ET200X 远程I/O 采集过程及设备的参数，把ET200X 直接安装在现场，同时ET200X 提供模块化的交换器阀模块和马达模块，集中监控气动隔膜阀、交换器和小电机（3KW）。其他的风机、泵机、通过SIMOCODE 连接到PROFIBUS-DP。所有的仪表（温度传感器除外）都通过DP 或PA 总线连接到系统中。

4.2.2 系统结构

根据上述分析考虑设计的系统结构如下图所示：

4.2.3系统结构特点

采用PROFIBUS-DP 的系统结构非常简洁，并具有以下特点：

（1） 设备状态信息监视；

（2） 基于设备状态的检修；

（3） 仪表控制室集中校验；

（4） 采用智能马达控制器，简化电控柜接线，并可监控电机启停次数；

（5） 节省大量电缆；

（6） 真正分布式控制；

（7） 采用阀岛模块可以实现气动革膜阀的集中控制，节约压缩空气；

（8） 缩短安装周期，提前投入运行等。

5 PROFIBUS 现场总线系统的应用现状分析及发展前景

5.1应用现状

PROFIBUS-DP 是由国际知名的自动化公司，如：SIEMENS、ABB 等公司研发的，完全是为了满足工业自动化领域应用的现场总线系统，并且在各行业特别是冶金、石化、市政等行业都有很多应用。对一个自动化程度非常高的行业，如主机DCS 系统、脱硫DCS 系统以及主要辅机程控系统，这些系统都存在可靠性要求高、监控设备和对象多而复杂、实时性要求高等特点。特别是主机DCS 系统，涉及数百台压力和差压变送器，数百台电动或启动执行机构，数百个温度测点，系统要进行复杂的闭环控制、串级控制、三冲量控制、比率控制，要进行设备连锁控制，要进行复杂的锅炉燃烧管理、机炉协调控制。所有这些都需要有高可靠性的控制系统来保证整个生产过程的安全、稳定、可靠运行。随着现场总线技术的出现以及日臻成熟和企业信息化要求的提高，基于PROFIBUS现场总线的控制系统将为各行业自动化系统提供更好的选择。

目前基于现场总线的控制系统应用还受到一定的制约，主要问题包括以下几个方面：

1．支持现场总线的智能设备造成初期投资的提高；

2．有些设备和仪表不带总线接口；

3．哪些设备、仪表信息可以传送；

4．系统结构如何变化，如何构筑一个基于现场总线的控制系统；

5．通讯是否可靠；

6．设备选型的局限性等。

造成硬件成本升高的主要因素是自动化系统设备成本提高约10%，PA仪表成本升高约10%。但是可以大幅减少电缆桥架、控制电缆等附件的费用，同时可以大幅降低安装施工和自控系统的安装调试费用，缩短工期。

目前带总线接口的仪表、执行机构、变频器、智能马达控制器、阀门定位器等的选用，条件已经成熟，因为很多知名的仪表、设备制造商如：SIEMENS、ABB 等都可以提供多种可供选择的成熟的带总线接口的系统和设备，价格也越来越与常规智能设备接近。而且基于HART 协议连接变送器的结构已经在很多自动化系统中获得应用，在集中校验、提高采集精度等方面取得用户的好评。而现场总线是比HART 协议更全面的总线，因此具有更好的应用前景。

5.2发展前景

对于油田的改造系统，例如长庆油田、克拉玛依油田等，由于存在大量采用非智能仪表和执行机构，全面更换、更新可能性很小，对于这样的系统更新，PROFIBUS现场总线也可以提供很好的解决方案。可以采用远程I/O 的方式，通过常规I/O 模块采集非智能仪表的信号，然后通过PROFIBUS-DP 总线连接到中央控制器。仪表和执行机构可以按设备生命周期逐批更换。

可以毫不夸张地说，PROFIBUS 现场总线是新一代过程控制系统的生力军。

参考文献

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