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摘 要：污水处理厂是现代化城市中非常重要的基础性设施，对保护水环境起到非常重要的作用。现代化的污水处理工艺对在线监测仪表有着较高的要求，同时，污水处理厂规模越来越大，自动化程度要求越来越高。而向环保部门提供详尽准确的监测数据，对现代城市的可持续发展，确保水环境不受污染，具有重要意义。本文就基于Profibus的总线仪表与无线传输模块做了简单介绍，并介绍了其应用于某大型污水处理厂的优缺点，以供设计和工程人员参考。
关键词：Profibus总线；无线远传；自控系统；通讯速率
中图分类号：U664.9+2文献标识码： A 文章编号：
引言：PROFIBUS现场总线是世界上应用最广泛的現场总线技术，既适合于自动化系统与现场信号单元的通讯，也可用于可以直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表及设备，对现场信号进行采集和监控，并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆，大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用。而无线通讯模块解决了某些改造工程中电缆需要横穿马路，破水泥地面等不方便施工，同时点数较少的设备接入总控系统问题。
怎样配置Profibus总线仪表方案
山东省某污水处理厂自动控制系统采用西门子S7-300系统作主站，所有在线监测仪表选用Profibus-Dp总线通讯方式，加氯、絮凝加药等设备均采用s7-200作为分站，通过光纤环网接入主控室统一进行运行管理。由于厂区占地广大，各监测点及各分站位置分散，配置Profibus-DP网络时，首先需要确定的是仪表的总数量和地理分布范围，其次需要考虑长线路的信号衰减和通讯速率选择问题。
由于本项目中监测仪表较多，将s7-300主站放置于整条Profibus总线的中间位置，电缆走向如下图所示
由于各生化池监测数据大致相同，在仪表选择上采用了某德国公司的一拖多变送器。根据好氧池，厌氧池不同的监测需求，每块变送器可以同时接入4-6路不同的DO,ORP，MLSS等信号。然后统一通过变送器的DP通讯口输出。同时，在加药、加氯等s7-200装置上增加EM277通讯模块，统一组合成整条Profibus-DP总线构架。由于整条总线传输距离超过了1km，在主站后增加了RS-485中继器，解决了整条链路的信号衰减问题。
其次在系统联调的过程中，由于总线距离过长，发现在超过187.5bps的通讯速率下仪表数据时断时续，因此将速率限定在187.5bps。
二、总线仪表在应用中的优点
现场总线仪表在节省安装布线的同时，也减少了PLC卡件和电缆桥架等安装空间和部件，降低了设计成本和施工成本，虽然仪表本身的成本提高，但采用现场总线仪表组成现场总线控制系统的综合成本大大降低。同时在实际应用中，它主要拥有以下几个优点：
1、全数字：现场总线仪表是全数字式仪表，他的输入输出信号是现场总线信号，其数据分辨率、测量精度和稳定性都优于传统模拟仪表。
2、多变量测量：一般仪表只能测量一个过程变量，现场总线仪表可同时测量多个过程变量，例如，一台用于曝气总管的热式气体质量流量计不仅可以测得气体流量，而且可测得曝气管温度和压力。这样可以节省一台温度变送器和一台压力变送器，同时节省两台仪表的线缆及安装成本。
3、抗干扰能力强：现场总线仪表采用全数字通信，因此，一般的电磁干扰对其影响不大，加上现场总线通信采用的抗干扰机制，如循环冗余码检验、重发等，使信号传输的误码率大大下降，提高了仪表的抗干扰能力。
4、改善控制系统控制品质：现场总线执行器采用前向补偿环节实现对被控对象的非线性补偿，从根本上解决了阀门定位器采用反馈凸轮引入的串级副环非线性和不稳定问题，从而不仅可补偿被控对象非线性特性，还可解决压将比造成的非线性问题。
5、标准化：现场总线仪表采用标准通信协议，标准功能块和对象字典等，因此，设计、安装和维护人员培训费用降低，过程操作、组态操作和维修操作都变得方便。.
无线远传模块的应用
本工程中涉及到原一期系统的COD，NH3-N等几个模拟量数据的采集，由于和二期新建的主控室距离较远，且两厂区间隔一条马路，若是重新破路面布管施工所需工程量巨大并且会对交通造成不便。在此情况下，我们设计了无线电台远传还原的方式来解决这些信号的传输问题，即在设备端通过4-20mA采集器将COD等仪表传来的电流信号调制成无线射频信号向空中辐射。在PLC主站端的无线数传电台从空中收到来自采集器信号后，经放大，解调、还原为4-20mA电流信号接入PLC，从而实现远方设备数据采集。该处理方法特别适合于施工不便的改造工程中小规模过程信号的采集。可以节省大量的施工费用和缩短工期。其基本构架如下图所示：
总线仪表在当下的发展方向与缺点
现场总线这一技术领域的发展是十分迅速和活跃的。实际上，在欧美一些发达国家，总线技术以其良好的稳定性和优秀的通讯速率已经在大型项目中逐步取代传统的模拟型仪表和控制器等。由于我国当下人工成本与原材料成本的逐年递增，越来越多的项目设计者和投资者倾向于节省人工开支、节省原材料的方向发展。因此，在未来的我国自动化建设中，总线技术必将逐步得到大力的推广。但是，就我国国情来说，目前要推广现场总线产品，目主要困难有以下两个方面：
产品尚不成熟，每种现场总线有自己的适用范围，在它自己的适用范围内，它是最好的，出了这个范围它就不适应了。同时，现场总线是一种正在发展中的技术，迄今尚未有一种现场总线可称是完美的。每一种现场总线都处在不断地完善过程中。特别是我们的国产开发力量处于起步阶段，资金和人才严重缺乏。
市场开发的投入不足。因此在当前环境下，我们应欢迎国外企业在我国开发市场和推广应用。现场总线的市场打开后，国内企业销售产品会轻松得多。
客观的说，现在要使用现场总线，不得不用外国的产品。但是关于总线的无休止争论使用户无法判断到底应该用哪一种现场总线。因此现在这种争论已经开始阻碍现场总线在我国的发展。
对于选哪种现场总线，我们建议选可以降低系统成本的总线。因为是否能降低系统成本是一种现场总线是否成熟、是否适合市场需求的一个明显标志。由于现在尚无全能的现场总线，因此我们建议在系统的不同部分选不同的现场总线，譬如在污水处理厂各监测仪表模拟量较多，我们即选择了Profibus 总线。
五、总线仪表的防雷与接地
我国对建筑物防雷(外部)比较重视，并制定了相关规范。对此方面的设计和施工经验都比较成熟。但由于污水处理厂地处广阔，长距离的传输线路极易被雷电感应而产生过电压，在内部防雷措施不得力的情况下，感应雷容易引起各级电子设备的损坏。因此，对仪表的多级防雷保护是保证系统正常运行的关键。
针对该污水处理厂，我们首先在仪表的集中供电处-----PLC主站处设置浪涌保护器一只，标称流通容量In=80kA。其次，在每台总线仪表线路两端均设置电源浪涌保护器一只，标称流通容量In=40kA。最后，在总线信号接入处设置485防雷器一只，确保现场仪表电源回路和信号回路的安全。
良好的接地系统是确保总线仪表通信稳定性的重要一环。污水处理厂的接地系统分为防雷接地、保护接地、信号接地、防静电接地等几部分。本文只探讨信号接地部分，由于总线仪表的独特性，我们单独做出信号接地极与信号电缆的屏蔽层连接。实测接地电阻<1Ω。在实际应用中效果十分理想。
结束语
由于国际上不同的自控厂家在硬件软件上对各种总线的兼容性不尽相同，所以在总控系统的编程上也有相当多的工作要做，由于本文只介绍总线仪表在工程上的应用，对各厂家总控系统的编程不做一一阐述。总之，现场总线的发展很快，我国在现场总线的开发和应用方面都紧跟了世界潮流，其发展速度超出预料。我们希望政府和企业应拿出更多的资金，扶持相关的制造企业，促进我国自动化仪表行业的快速发展。
参考文献：
西门子技术文档 《Profibus系统应用》 2007
道客巴巴 《现场总线的发展趋势》http://www.doc88.com/p-372366492631.html
关键词：Profibus总线；无线远传；自控系统；通讯速率
中图分类号：U664.9+2文献标识码： A 文章编号：
引言：PROFIBUS现场总线是世界上应用最广泛的現场总线技术，既适合于自动化系统与现场信号单元的通讯，也可用于可以直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表及设备，对现场信号进行采集和监控，并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆，大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用。而无线通讯模块解决了某些改造工程中电缆需要横穿马路，破水泥地面等不方便施工，同时点数较少的设备接入总控系统问题。
怎样配置Profibus总线仪表方案
山东省某污水处理厂自动控制系统采用西门子S7-300系统作主站，所有在线监测仪表选用Profibus-Dp总线通讯方式，加氯、絮凝加药等设备均采用s7-200作为分站，通过光纤环网接入主控室统一进行运行管理。由于厂区占地广大，各监测点及各分站位置分散，配置Profibus-DP网络时，首先需要确定的是仪表的总数量和地理分布范围，其次需要考虑长线路的信号衰减和通讯速率选择问题。
由于本项目中监测仪表较多，将s7-300主站放置于整条Profibus总线的中间位置，电缆走向如下图所示
由于各生化池监测数据大致相同，在仪表选择上采用了某德国公司的一拖多变送器。根据好氧池，厌氧池不同的监测需求，每块变送器可以同时接入4-6路不同的DO,ORP，MLSS等信号。然后统一通过变送器的DP通讯口输出。同时，在加药、加氯等s7-200装置上增加EM277通讯模块，统一组合成整条Profibus-DP总线构架。由于整条总线传输距离超过了1km，在主站后增加了RS-485中继器，解决了整条链路的信号衰减问题。
其次在系统联调的过程中，由于总线距离过长，发现在超过187.5bps的通讯速率下仪表数据时断时续，因此将速率限定在187.5bps。
二、总线仪表在应用中的优点
现场总线仪表在节省安装布线的同时，也减少了PLC卡件和电缆桥架等安装空间和部件，降低了设计成本和施工成本，虽然仪表本身的成本提高，但采用现场总线仪表组成现场总线控制系统的综合成本大大降低。同时在实际应用中，它主要拥有以下几个优点：
1、全数字：现场总线仪表是全数字式仪表，他的输入输出信号是现场总线信号，其数据分辨率、测量精度和稳定性都优于传统模拟仪表。
2、多变量测量：一般仪表只能测量一个过程变量，现场总线仪表可同时测量多个过程变量，例如，一台用于曝气总管的热式气体质量流量计不仅可以测得气体流量，而且可测得曝气管温度和压力。这样可以节省一台温度变送器和一台压力变送器，同时节省两台仪表的线缆及安装成本。
3、抗干扰能力强：现场总线仪表采用全数字通信，因此，一般的电磁干扰对其影响不大，加上现场总线通信采用的抗干扰机制，如循环冗余码检验、重发等，使信号传输的误码率大大下降，提高了仪表的抗干扰能力。
4、改善控制系统控制品质：现场总线执行器采用前向补偿环节实现对被控对象的非线性补偿，从根本上解决了阀门定位器采用反馈凸轮引入的串级副环非线性和不稳定问题，从而不仅可补偿被控对象非线性特性，还可解决压将比造成的非线性问题。
5、标准化：现场总线仪表采用标准通信协议，标准功能块和对象字典等，因此，设计、安装和维护人员培训费用降低，过程操作、组态操作和维修操作都变得方便。.
无线远传模块的应用
本工程中涉及到原一期系统的COD，NH3-N等几个模拟量数据的采集，由于和二期新建的主控室距离较远，且两厂区间隔一条马路，若是重新破路面布管施工所需工程量巨大并且会对交通造成不便。在此情况下，我们设计了无线电台远传还原的方式来解决这些信号的传输问题，即在设备端通过4-20mA采集器将COD等仪表传来的电流信号调制成无线射频信号向空中辐射。在PLC主站端的无线数传电台从空中收到来自采集器信号后，经放大，解调、还原为4-20mA电流信号接入PLC，从而实现远方设备数据采集。该处理方法特别适合于施工不便的改造工程中小规模过程信号的采集。可以节省大量的施工费用和缩短工期。其基本构架如下图所示：
总线仪表在当下的发展方向与缺点
现场总线这一技术领域的发展是十分迅速和活跃的。实际上，在欧美一些发达国家，总线技术以其良好的稳定性和优秀的通讯速率已经在大型项目中逐步取代传统的模拟型仪表和控制器等。由于我国当下人工成本与原材料成本的逐年递增，越来越多的项目设计者和投资者倾向于节省人工开支、节省原材料的方向发展。因此，在未来的我国自动化建设中，总线技术必将逐步得到大力的推广。但是，就我国国情来说，目前要推广现场总线产品，目主要困难有以下两个方面：
产品尚不成熟，每种现场总线有自己的适用范围，在它自己的适用范围内，它是最好的，出了这个范围它就不适应了。同时，现场总线是一种正在发展中的技术，迄今尚未有一种现场总线可称是完美的。每一种现场总线都处在不断地完善过程中。特别是我们的国产开发力量处于起步阶段，资金和人才严重缺乏。
市场开发的投入不足。因此在当前环境下，我们应欢迎国外企业在我国开发市场和推广应用。现场总线的市场打开后，国内企业销售产品会轻松得多。
客观的说，现在要使用现场总线，不得不用外国的产品。但是关于总线的无休止争论使用户无法判断到底应该用哪一种现场总线。因此现在这种争论已经开始阻碍现场总线在我国的发展。
对于选哪种现场总线，我们建议选可以降低系统成本的总线。因为是否能降低系统成本是一种现场总线是否成熟、是否适合市场需求的一个明显标志。由于现在尚无全能的现场总线，因此我们建议在系统的不同部分选不同的现场总线，譬如在污水处理厂各监测仪表模拟量较多，我们即选择了Profibus 总线。
五、总线仪表的防雷与接地
我国对建筑物防雷(外部)比较重视，并制定了相关规范。对此方面的设计和施工经验都比较成熟。但由于污水处理厂地处广阔，长距离的传输线路极易被雷电感应而产生过电压，在内部防雷措施不得力的情况下，感应雷容易引起各级电子设备的损坏。因此，对仪表的多级防雷保护是保证系统正常运行的关键。
针对该污水处理厂，我们首先在仪表的集中供电处-----PLC主站处设置浪涌保护器一只，标称流通容量In=80kA。其次，在每台总线仪表线路两端均设置电源浪涌保护器一只，标称流通容量In=40kA。最后，在总线信号接入处设置485防雷器一只，确保现场仪表电源回路和信号回路的安全。
良好的接地系统是确保总线仪表通信稳定性的重要一环。污水处理厂的接地系统分为防雷接地、保护接地、信号接地、防静电接地等几部分。本文只探讨信号接地部分，由于总线仪表的独特性，我们单独做出信号接地极与信号电缆的屏蔽层连接。实测接地电阻<1Ω。在实际应用中效果十分理想。
结束语
由于国际上不同的自控厂家在硬件软件上对各种总线的兼容性不尽相同，所以在总控系统的编程上也有相当多的工作要做，由于本文只介绍总线仪表在工程上的应用，对各厂家总控系统的编程不做一一阐述。总之，现场总线的发展很快，我国在现场总线的开发和应用方面都紧跟了世界潮流，其发展速度超出预料。我们希望政府和企业应拿出更多的资金，扶持相关的制造企业，促进我国自动化仪表行业的快速发展。
参考文献：
西门子技术文档 《Profibus系统应用》 2007
道客巴巴 《现场总线的发展趋势》http://www.doc88.com/p-372366492631.html