Profibus與FF總線技術(shù)應(yīng)用比較

劉彥明

（福陸中國(guó)工程建設(shè)有限公司，上海 201103）

0 引言

近年來(lái)，隨著石油化工領(lǐng)域的項(xiàng)目新建、投產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)在2000年通過(guò)的IEC61158.3~6總線標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，有了很成熟的用戶群和相當(dāng)多的比較分析。尤其是FF總線（Foundation Fieldbus）和Profibus兩種總線，它們?cè)诨ゎI(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在以下方面有著共同的優(yōu)勢(shì)[1,3]：

雙向通訊，安裝、調(diào)試和維護(hù)簡(jiǎn)單方便。

過(guò)程變量信息傳遞速度快。

總線儀表通訊，現(xiàn)場(chǎng)儀表故障只影響本身或相關(guān)少量設(shè)備。

總線供電，本質(zhì)安全型，危險(xiǎn)點(diǎn)分散。

目前主流DCS供應(yīng)商都同時(shí)支持這兩種總線，受到市場(chǎng)項(xiàng)目投資規(guī)律的影響，本文將從技術(shù)差異性角度比較兩種總線，重點(diǎn)關(guān)注經(jīng)濟(jì)合理性，以求工程總承包項(xiàng)目（EPC）效益最大化。

1 FF和Profi bus總線的主要差異

FF總線是由現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)組織（FF）開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線，體系結(jié)構(gòu)參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的開放系統(tǒng)互聯(lián)協(xié)議（OSI）而制定的；Profibus則是符合德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50179，按照ISO/OSI參考模型制定。表1對(duì)兩種總線的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了比較總結(jié)[1,2]。

圖1表明了兩種總線在控制應(yīng)用上的主要差異, 對(duì)于Profibus, 控制模塊跟傳統(tǒng)控制系統(tǒng)一樣，在系統(tǒng)端執(zhí)行控制功能，但采用數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)儀表，在現(xiàn)場(chǎng)端進(jìn)行信號(hào)的雙向信息處理；而FF總線則把控制模塊功能移到了現(xiàn)場(chǎng)儀表端[3]。這個(gè)顯著的差異引起了相關(guān)的費(fèi)用差異。

2 堆棧大小，電量消耗以及費(fèi)用比較

通過(guò)表1中對(duì)兩種總線物理層的比較，基于Profibus和FF總線采用了相同的ASIC物理層和IEC標(biāo)準(zhǔn)，西門子公司致力于將FF總線信號(hào)并入到Profibus總線系統(tǒng)中。在實(shí)際項(xiàng)目執(zhí)行時(shí)，因?yàn)镕F堆棧容量大于Profibus堆棧容量，具體堆棧尺寸比較見圖2。FF總線堆棧容量為350K字節(jié)，而PA堆棧容量?jī)H需50K字節(jié)，這樣在數(shù)據(jù)層鏈接并入時(shí)，需要增加一部分內(nèi)存用以移除PA堆棧，并被FF堆棧取代。對(duì)于這些增加的內(nèi)存字節(jié)，相應(yīng)時(shí)鐘時(shí)間要成倍的增加，同時(shí)2mA多余的電量也要用于FF總線儀表。

綜合以上分析，不難理解FF智能儀表生產(chǎn)成本為何會(huì)高于Profibus儀表，根據(jù)幾家供貨廠商液位儀表的列表價(jià)格比較，大概FF總線儀表費(fèi)用高于同類型PA儀表100美金左右。

表1 FF&Profi bus 總線技術(shù)特點(diǎn)比較Table1 Technical data comparison list of FF and Profi bus

圖1 FF 和Profi bus總線在現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制系統(tǒng)比較線Fig.1 The line between control system and instrument for FF and Profi bus

3 回路中儀表數(shù)量及節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較

回路中儀表數(shù)量取決于項(xiàng)目的設(shè)計(jì)原則及是否是本安回路，對(duì)于非本安回路，F(xiàn)F總線回路推薦不超過(guò)12臺(tái)設(shè)備，系統(tǒng)內(nèi)通訊循環(huán)時(shí)間大概在0.5s到1s之間。對(duì)于PA總線回路推薦設(shè)備不超過(guò)24臺(tái)，循環(huán)更新時(shí)間大概在400ms。這樣在同樣的控制要求下，PA總線回路儀表數(shù)量大概是FF總線回路的一倍。對(duì)于有快速時(shí)間要求的控制回路來(lái)講，這個(gè)數(shù)量差距會(huì)更大。

對(duì)于通訊節(jié)點(diǎn)來(lái)講，技術(shù)層面的數(shù)據(jù)鏈接對(duì)于主流供應(yīng)商已經(jīng)沒(méi)有區(qū)別，但在相同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷條件下，數(shù)據(jù)集成器、交換機(jī)的費(fèi)用比較表明，F(xiàn)F總線設(shè)備大概要高于Profibus總線設(shè)備500美金左右。

Profibus和FF總線接線系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較，電纜和接線箱費(fèi)用沒(méi)有差別，但對(duì)于同樣規(guī)模的項(xiàng)目，F(xiàn)F總線回路意味著需要更多的電纜和接線箱，必然會(huì)導(dǎo)致整體費(fèi)用的增加。

通過(guò)圖1和圖2的分析比較圖，F(xiàn)F總線堆棧協(xié)議量大主要是因?yàn)榭刂乒δ苁乾F(xiàn)場(chǎng)端隔離，這樣就無(wú)形中增加了項(xiàng)目的管理復(fù)雜程度。大部分馬達(dá)控制系統(tǒng)和動(dòng)設(shè)備包，如MCC和VSDS，都會(huì)采用Profibus DP協(xié)議，如果現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制系統(tǒng)也采用同樣的通訊協(xié)議，維護(hù)人員僅需使用一種故障處理系統(tǒng)即可，這可能也是相比較于FF總線，根據(jù)近年來(lái)終端用戶和技術(shù)部門的反饋，PA總線更容易使用的原因。

圖2 FF 和Profi bus總線通訊協(xié)議堆棧比較Fig.2 The protocols stack for Profi bus and Foundation fi eldbus

4 Profi bus總線技術(shù)在大型化工項(xiàng)目上的應(yīng)用

1.該美國(guó)工程公司作為此項(xiàng)目的EPCM（設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工管理）承包商，承擔(dān)了報(bào)批文件，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)及施工管理工作，業(yè)主在投資控制率方面要求±10%的精度，即根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)包進(jìn)行費(fèi)用估算，經(jīng)過(guò)業(yè)主報(bào)批后，最終項(xiàng)目簡(jiǎn)稱投產(chǎn)總費(fèi)用不能超過(guò)±10%。該項(xiàng)目主體工藝單元特點(diǎn)是多回路、多變量，具有大時(shí)滯和高度非線性，因此，對(duì)控制的實(shí)時(shí)性和通訊的穩(wěn)定性就有比較高的要求。同時(shí)，原料準(zhǔn)備單元和半成品摻混單元、成品包裝單元都會(huì)采用動(dòng)設(shè)備包就地控制，因此底層通信網(wǎng)絡(luò)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行非常關(guān)鍵。

2.在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段費(fèi)用考慮方面，電氣高、低壓控制系統(tǒng)與DCS之間的通訊總線協(xié)議也是影響之一，馬達(dá)控制系統(tǒng)（MCC）采用ABB公司的高低壓柜；變頻控制系統(tǒng)（VSDS）采用SIEMENS公司的控制技術(shù)；動(dòng)設(shè)備的控制系統(tǒng)統(tǒng)一要求采用SIMENS S7-300系列。驅(qū)動(dòng)設(shè)備的訪問(wèn)控制方式要滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求，即通信的實(shí)時(shí)性和確定性。Profibus總線的主從訪問(wèn)方式、傳送速度快、擴(kuò)展方便靈活，在很大程度上吻合此項(xiàng)目的工廠自動(dòng)化管理層和車間監(jiān)控層的要求。經(jīng)過(guò)與3家主流DCS供貨商的技術(shù)澄清和商務(wù)比價(jià)，最終控制單元選用ABB公司的AC800 xA系列的CPU PM866K02做主站，現(xiàn)場(chǎng)智能儀表及動(dòng)設(shè)備PLC、MCC、VSDS控制柜做從站，構(gòu)成Profibus-DP總線控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)配置如圖3所示。

3.Profibus技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性在本項(xiàng)目中得到了極大的體現(xiàn)，在詳設(shè)設(shè)計(jì)技術(shù)詢價(jià)澄清階段，因本項(xiàng)目德國(guó)進(jìn)口動(dòng)設(shè)備通訊協(xié)議的要求，EMERSON公司的Delta-V系統(tǒng)因通訊點(diǎn)數(shù)價(jià)格過(guò)高而放棄競(jìng)標(biāo)。

1）相比于傳統(tǒng)DCS設(shè)計(jì)，在硬件方面，Profibus總線技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

a）節(jié)省項(xiàng)目費(fèi)用：傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)架構(gòu)需要把所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備測(cè)量點(diǎn)信號(hào)通過(guò)多芯電纜硬接線全部引至中央控制室，大量的電纜和電纜橋架的采購(gòu)成本較高。采用Profibus遠(yuǎn)程I/O模式，大量節(jié)省多芯電纜和橋架。并且不需要中間接線柜。

b）縮短項(xiàng)目周期：傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)架構(gòu)，大量的電纜和電纜橋架的安裝施工難度較大，周期長(zhǎng)。設(shè)計(jì)也要完成從接線箱到接線柜到控制柜的接線圖、回路圖設(shè)計(jì)，工作量大，周期長(zhǎng)，與供貨商的界面也較多。采用Profibus遠(yuǎn)程I/O模式，設(shè)計(jì)和施工周期都能縮短。

c）提高項(xiàng)目的擴(kuò)展性：項(xiàng)目后期或施工結(jié)束后，若要更改儀表類型或數(shù)量，需要做大量的工作并重新布線。采用Profibus遠(yuǎn)程I/O模式，只需要在遠(yuǎn)程I/O站找到空余位置并完成接線即可。

d）提高安全性和可用性：Profibus遠(yuǎn)程I/O站到控制器采用冗余通訊，一條通訊線路故障并不能影響系統(tǒng)正常工作，大大提高了系統(tǒng)的安全性和可用性。

e）提高信號(hào)抗干擾能力：傳統(tǒng)的雙絞線遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，易受電磁干擾，電氣干擾等。采用現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸，大大提高了信號(hào)抗干擾能力。

2）結(jié)合本文第2，3部分?jǐn)⑹?，相較于FF總線，ABB這套DCS系統(tǒng)的Profibus的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在如下方面：

a）各節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展方便，傳輸波特率選用在187.5Kbps，允許在總線段節(jié)點(diǎn)接入32個(gè)設(shè)備，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，按照15個(gè)左右考慮，為將來(lái)項(xiàng)目擴(kuò)展留有空間。

b）冗余方面，本項(xiàng)目設(shè)置了控制器主站冗余、總線冗余，從站不考慮冗余，對(duì)于上層應(yīng)用來(lái)說(shuō)，故障主站能夠迅速切換到冗余主站上。從站不冗余則不要求賦給不同的地址單元，節(jié)約內(nèi)存。應(yīng)用數(shù)據(jù)的備份處理由用戶程序負(fù)責(zé)，與從站的模塊設(shè)置結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。

c）時(shí)間標(biāo)簽，本項(xiàng)目對(duì)動(dòng)設(shè)備有時(shí)間要求及相應(yīng)的操作程序的啟動(dòng)，ABB控制系統(tǒng)中可設(shè)置一個(gè)精密的時(shí)間標(biāo)簽，定時(shí)發(fā)布數(shù)字量信號(hào)用于校驗(yàn)，以記錄并標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生時(shí)間的準(zhǔn)確時(shí)間，從而更好地控制全系統(tǒng)中各設(shè)備的時(shí)間同步。時(shí)鐘同步控制對(duì)于多從站的Profibus系統(tǒng)控制性能的提高非常重要。

圖3 ABB DCS 控制系統(tǒng)框架圖Fig.3 ABB DCS Architecture drawing

5 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)化領(lǐng)域已經(jīng)步入通信時(shí)代的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，總線控制進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)層，單站點(diǎn)成本是必須考慮的因素，在滿足應(yīng)用功能需求的基礎(chǔ)上，成本的考量是選擇現(xiàn)場(chǎng)總線類型的重要出發(fā)點(diǎn)。工程公司作為EPC總包合同的執(zhí)行人，在滿足業(yè)主或工藝包應(yīng)用軟件的要求的同時(shí)，一定要充分考慮以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的接入技術(shù)和共存策略研究，追求更為經(jīng)濟(jì)合理的系統(tǒng)框架，才能確立做為一流工程公司的話語(yǔ)權(quán)。

[1]陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[2]IEC 61158,Digital data communication for measurement and control–Fieldbus for use in industrial control system,Part 1:Overview and guidance [S].International Electrotechnical Commission,2006.

[3]蒲維.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)建模,分析與調(diào)度方法的研究[D].中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)研究所,2003.