现场总线技术及智能MCC的概述及应用

作者：章 雯 日期：2006年7月

摘

本文介绍了Profibus总线通信协议，分析了相比传统自动化监控及信息集成系统现场总线系统的优点，并结合其在造纸行业设计中的应用实例进一步阐述了Profibus现场总线技术的运用。 现场总线技术 Profibus通讯协议 智能MCC

一、 现场总线技术概述 目前，公认的现场总线技术概念描述如下：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备和仪表与控制室内的自动控制装置及系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。

或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

二. Profibus概述

Profibus是Process Fieldbus的缩写，是由德国西门子公司提出的一种现场总线标准，现在已成为了一种国际性的开放式现场总线标准, 即EN50-170欧洲标准。目前世界上许多自动化技术生产厂家都为它们生产的设备提供Profibus接口。Profibus已经广泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化，应用范围非常广泛。 Profibus以其先进的技术和非凡的可靠性代表了当今现场总线的发展方向。

Profibus根据应用特点分为Profibus—DP，Profibus—FMS，Profibus—PA。三个版本，分别用于不同的场合。

Profibus—DP：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为设备级分散I／O之间通信设计，使用Profibus—DP模块可取代价格昂贵的数字或模拟信号线,用于分布式控制系统的高速数据传输。 Profibus—FMS：解决车间级通用性通信任务,提供大量的通信服务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务。

Profibus—PA：专为过程自动化设计，标准的本质安全的传输技术，实现了IECll58—2中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。

三、传统的自动化监控及信息集成系统

传统的自动化监控及信息集成系统包括基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统。其主要特点之一是，现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点）所谓I/O接线方式，信号传递模拟量或开关量信号。

系统主要缺点：

1、信息集成能力不强： 控制器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4-20mA模拟量信号或24VDC等开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。

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底层数据不全、信息集成能力不强。

2、系统不开放、可集成性差、专业性不强：除现场设备均靠标准4-20mA/24VDC连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出接口，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，面向行业的监控系统很少。 3、可靠性不易保证：对于大范围的分布式系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。

4、可维护性不高：由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。

四、现场总线的特点

现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。

1、节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行数据采集、控制、报警和计算功能，不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，可节省一部分硬件投资，同时由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。 2、节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。

3、节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

4、提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。

五、智能MCC概述

智能MCC是为工业控制应用而设计、制造的，被广泛应用于冶金、造纸、电力、石油、化工等行业。

智能MCC在整体结构形式上与传统MCC一样可选择抽屉式，其设计制造特点主要体现在内部结构设计、元器件配置、系统控制内核和系统架构、网络智能化控制等方面。

智能MCC的马达控制集成技术和网络通讯技术为用户带来可靠的马达运行保证和网络控制平台。采用符合工业标准的Profibus、Devicenet等开放网络，连接工厂马达的启动设备，包括软启动、变频器、智能马达保护器、PLC等，从这些设备上获取马达和负载信息，包括电流、电压、过载、转速等，通过网络

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和系统的DCS、PLC进行通讯，将马达控制的信息传输到需要到达的地方。由于智能MCC可对马达运行参数进行监控，所以他将传统的对马达保护延伸到了对整个机械设备的运行状态进行监测和维护。

I/O卡 接线端子 电 机 控 制 单 元 PLC

传

统

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柜 接线端子 电 机 控 制 单 元 采PLC I/O卡 用 工业

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六、智能MCC与普通MCC投资比较

针对华泰11#新闻纸机（设计车速2000米/分钟，宽幅10200mm），对智能MCC与传统MCC两种方案做详细比较，具体如下： （一）增加的成本

华泰11#新闻纸机共采用750个SIMOCODE（电机智能保护器）回路，增加成本约400万人民币。 （二）节省的成本

1． 为DCS节省了2000个DI，1500个DO，800个AI，500个AO类信号，节约各种DCS I/O模块至少470块(未考虑裕量)，及以下各种与DCS I/O模块相关附件，节约290万元人民币。 —热插拔底版240块 —470个前连接器 —60件DIN安装轨道

—60个ET200M电源模块

—60个IM153DP通讯接口模块 MCC MCC

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—60个DP专用接头

—20个40A SITOP电源，用于负载供电

—20面I/O柜，即柜内成套用各种配套低压器件，如配电断路器、电流互感器、隔离继电器、柜内信号线缆、端子等。

2． 节约各种与MCC接口的继电器，电流互感器。节约MCC柜至少20面（实际约320面柜，若不采用智能MCC则要约340面柜）节约60万人民币。 3． 节约各种DCS I/O模块与MCC之间控制信号电缆、模拟信号屏蔽电缆共约4800根，每根平均30米，单价平均5元人民币，共约72万人民币。 4． 节约安装工程量至少48人周、查线复检工程量至少24人周。 5． 节约DCS侧的回路测试工程量至少12人周。 6． 节约MCC侧的回路测试工程量至少6人周。

7． 最大程度的减少由于安装错误造成的接线失误烧损器件的风险。同时，还应考虑到智能MCC的故障率低，生产运行的稳定性等。

综上所述，从初始投资成本看来，智能MCC比普通MCC略为节省。从安装调试工作量上比较，智能MCC比普通MCC节省大量人工时。从今后运行维护方面看，智能MCC较之普通MCC有运行稳定、维护简单方便的优势。因此，选择智能MCC要优于普通MCC，这也是华泰纸业从9#机开始，5年多的时间连续4台大型纸机都选用低压智能MCC的原因。

七、智能MCC的应用

为了更好的了解Profibus网络，下面举一个实际的工程例子。

山东晨鸣造纸脱墨车间的智能MCC柜选用了GE公司的模块化技术的MLS抽屉柜，MCC柜内配置了SIMENSE公司的SIMOCODE-DP 3UF5智能马达保护器、3RW44软启动器以及ABB公司的ACS800系列变频器，以上保护及控制产品均具备了Profibus通讯功能。

特别值得一提的是智能MCC中3UF5智能马达保护器在总线控制系统中的应用，对系统架构的简化起着无以替代的作用。3UF5系列智能马达保护器是一种基于微处理器的多功能固态继电器，具有连锁功能、运行计算、报警诊断、电流测量、统计数据、以及自动控制级与电机回路之间的高性能通讯。另外，还具有附加的零序接地故障保护功能、正温度系数PTC热敏电阻输入端子以及附加的I/O性能。3UF5智能马达保护器实时采集运行电机的相关参数，并作基本的数据分析进行状态诊断，根据诊断结果作相应的处理以避免电机在非正常情况下连续运行，保护电机。同时，通过Profibus－DP现场总线实时上传电机运行的状态信息，对运行电机进行网络管理和网络控制，以保证电机运行在最优化状态。对3UF5系列智能马达保护器参数进行初始化、实现网络控制和网络管理时，需要配置Win-SIMOCODE-DP/Professional 软件来驱动。

通讯处理工作由DCS系统完成，通过具有实时性的工业总线Profibus DP与所有智能马达保护器3UF50，3RW44软启动器、ACS800变频器连接。DCS通过Profibus-DP传送起/停信号，SIMOCODE-DP、3RW44、ACS800把起、停、过载故障、过热故障、状态、电流等返回信号传送到DCS。MCC与DCS系统之间的通讯采用光纤,通讯协议采用Profibus-DP.

每条DP总线的通讯周期时间由DCS厂家决定，在DP总线单条链路中，数据传输速率要求不低于500K，然后给出MCC柜中每条DP总线下挂设备的数量。整个DP总线的数量由DCS厂家要求的通讯速度来决定。在DP总线单

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条链路中,子站数量超过25个时使用中继,站点总数控制在120个以内。

根据系统控制工艺要求及现场的条件和现场设备布置情况搭建系统架构，并遵循网络通信电缆敷设路径尽可能短的原则，设计系统最优网络拓扑结构图，网络连接按设计图纸执行。网络介质设备和材料主要包括光纤通信电缆（Fiber Optic Cable）、中继器(Repeater)、OLM光电交换机、总线连接器等，可根据系统大小及通讯距离的长短选择合适的相关产品。控制系统网络拓扑结构图如下图所示。

智能MCC总线连接示意图

DCS

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四、小结：

Profibus现场总线将所有的站连接到一起,系统所有的信息都通过Profibus现场总线进行传递。 在这套控制系统中使用Profibus现场总线与使用传统的控制方案相比较, 使用Profibus现场总线减少了工程的设计和施工的工作量,也减少了现场电缆的使用量,节约了工程成本,并且提高了工程的可靠性和控制的精确度,所以Profibus现场总线是一种有着良好应用前景的现场总线技术。从而，基于该技术平台的智能MCC的应用也必将成为今后MCC的发展方向，广泛应用于大中型工、矿企业中。

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