PROFINET在屯兰煤矿瓦斯发电项目中取得成功应用

1、 前言
       PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。其功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。
       在屯兰瓦斯发电项目中，针对实时通信、分布式现场设备、分布式自动化等模块的特点，介绍了PROFINET在瓦斯发电行业的应用现状，并展望了PROFINET在该行业的扩展前景。
2、PROFINET的特点介绍
       针对瓦斯发电这个应用领域，主要介绍PROFINET中实时通信、分布式现场设备、分布式自动化等模块的特点，通过对这些特点的了解，深入挖掘PROFINET在该领域的应用潜力。
1) 实时通信
-根据响应时间的不同，PROFINET支持下列三种通讯方式：
TCP/IP标准通讯
       PROFINET基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP 是IT 领域关于通信协议方面事实上的标准，尽管其响应时间大概在100 ms的量级，不过，对于工厂控制级的应用来说，这个响应时间就足够了。
实时（RT）通讯
       对于传感器和执行器设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格，因此，PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第二层（Layer 2）的实时通讯通道，通过该实时通道，极大地减少了数据在通讯栈中的处理时间，PROFINET实时通讯（RT）的典型响应时间是5－10ms
同步实时（IRT）通讯
       在现场级通讯中，对通讯实时性要求最高的是运动控制（Motion Control），PROFINET的同步实时（Isochronous Real-Time, IRT）技术可以满足运动控制的高速通讯需求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1μs，以此来保证及时的、确定的响应。
       在发电机组的控制领域内，从普通的通风系统控制，到基于缸体温度压力的节气阀等实时控制，都有PROFINET应用的身影。
2) 分布式现场设备
       通过集成PROFINET接口，分布式现场设备可以直接连接到PROFINET上。对于现有的现场总线通讯系统，可以通过代理服务器实现与PROFINET的透明连接。可以将一个PROFIBUS网络透明的集成到PROFINET当中，PROFIBUS各种丰富的设备诊断功能同样也适用于PROFINET。这种集成的本质特征是使用分散式现场设备的输入和输出数据，然后由PLC用户程序进行处理。代理服务器模型与PROFIBUS DP中的模型类似，设备属性用基于XML的描述文件（GSD）来描述。在组态过程中将分散式现场设备分配给一个控制器。这样过程数据就能在控制器和现场设备间交换。
       目前很多辅机设备制造商均采用西门子的PLC作为控制单元，作为典型分布式现场设备，能够高效的集成到PROFINET网络中。而作为设备主体的发电机组控制单元，也由于采用了集成接口的方式，能够有效集成到PROFINET网络中。
3) 分布式自动化
       随着现场设备智能程度的不断提高，自动化控制系统的分散程度也越来越高。工业控制系统正由分散式自动化向分布式自动化演进，典型的分布式自动化系统由几个子单元组成，这些子单元作为工艺技术模块可以自治地运行，通过可管理的一系列同步化、顺序控制和信息交换信号协调它们的相互作用。PROFINET组件模型使用这样的工艺技术模块作为基础。这些工艺技术模块由下面几部分组成：机械部分、电子部分和控制程序。通过使用在IT领域已获成功的组件技术，工艺技术模块的全部功能封装在一个相关的软件组件中。对这样的一个组件建模为一个对象，并将其视其为一个单元，通过定义外在的单元接口与分布式系统内部的组件通信。以这种方式设计的分布式自动化系统是成套设备模块化的前提，从而可重复使用该成套设备组件。
目前在瓦斯发电控制领域，只有发电机组厂家的控制系统实现了分布式自动化控制系统，并以成熟的设备组件形式，加入到具体项目中全厂集中控制系统内。随着PROFINET技术的不断推广和国内自动化水平的提高，国内大量辅机设备集成商也会将自身产品封装成一套成熟的分布式自动化组件。
3、 项目情况介绍
       在屯兰瓦斯发电项目中，一期工程采用了4套颜巴赫公司提供的瓦斯发电机组。每套机组均配套提供了颜巴赫公司的DIA.NE.XT3控制单元。该控制单元采用了贝加莱的PCC（可编程控制计算机）系统，具有强大的OPC服务器功能，为颜巴赫公司的系统开发提供了轻松、开放的控制环境，并最终开发出Windows可视化操作系统对话网络（DIA. NE WIN）。
       系统提高了颜巴赫公司DIA.NE.XT的操控便捷性、历史数据分析能力和远程操控维护能力。DIA.NE WIN实现了向个人电脑中心（PC- based）、过程控制系统的技术转变，并提供了一个具有多种访问途径的更为开放、标准化的接口。DIA.NE WIN由一个或多个服务器和一些操作站（客户端）组成，服务器经Ethernet POWRLINK与燃气发电机的控制系统（DIA.NE WIN）连接，并完成主要任务。一台计算机管理六台燃气发电机，利用贝加莱的通信平台“Automation-net—PVI”，经Ethernet TCP/IP和INA2000协议可以很方便的实现控制器与控制器以及控制器与上位机之间的通信，而且贝加莱的PCC系统具有自动路由功能，可以在不同的物理介质以及通讯协议自由通讯，为整个控制系统的数据交换提供便利。
       在屯兰瓦斯发电项目中，中央控制系统与配套辅机系统均采用西门子公司的PLC作为控制单元，为了能够可靠的与发电机组配套DIA.NE.XT3控制单元交换辅机控制系统数据，项目设计时，每台发电机组配套一个IM153-4远程IO站，采用硬接线的方式，采集关键控制信号，并通过PROFINET连接，接入全厂中央控制系统内，实现了中央控制系统对发电机组及辅机系统的协调控制与监视。利用PROFINET的分布式自动化技术，使得中央控制系统能够基于OPC通讯协议，实现发电机组的参数采集与控制，为在中央集控室内的WINCC SCADA系统集成发电机组控制系统提供了可靠的数据保证。系统网络拓扑见图1

4、PROFINET在项目中的应用介绍及说明
       项目中，集中监控系统均采用了西门子公司的PLC产品，通过STEP7组态工具，轻松实现了PROFINET设备的无缝集成。在进行PROFINET组态时，为了提高网络及后台数据采集效率，CPU选用了支持以太网连接的315-2 PN/DP。通过PN口连接设置，能够实现CPU直接访问PROFINET网络中各IO节点，不需要调用另外的接口程序，大大降低了后期软件编程的工作量。
       远程IO站点均选用了基于以太网连接的IM153-4分布式模块，该模块集成了两个以太网连接端口，可以实现总线式或者星型连接，物理连接方式灵活，能否适应复杂的工业场地环境。在屯兰瓦斯发电项目中，PROFINET网络连接均采用超五类屏蔽双绞线作为传输介质，节点间最长距离不能超过100m，但是由于现场环境的局限，核心交换机距离最远的4号站超过100米的限制，无法实现星型连接，但是通过3号4号间的总线型连接，缩短了连接距离，也能够实现PROFINET的物理连接。
       完成PROFINET的物理连接之后，就是对网络中各节点的定义，通过STEP7硬件组态部分的以太网节点编辑，检索到网络中各节点的MAC地址，一一核对后，进行IP地址和设备名称定义，完成PROFINET网络中各设备的识别。定义过程见图2

       完成设备识别配置后，就可以根据项目的实际IO站点分布情况，将各个IO站通过PROFINET连入中央控制PLC中，通过配置的OB1循环连接，实现各个IO站地址的直接访问。如图3所示，完成PROFINET配置。

       在接下来的应用中，中央PLC通过各IO站点，实时采集各个发电机组的运行及报警参数，并同步发送机组所需的控制信息如：进气系统瓦斯浓度，进气系统辅机运行状态，进气系统管路阀门状态，通风系统状态控制、润滑油系统状态控制、机组负载控制信号等。
       经过中央集控系统PLC采集并处理各个节点信号后，直接传入集中控制室内的WINCC SCADA服务器，实现在客户机上操作并访问全站系统数据。图4就是屯兰瓦斯发电项目中，最终用户端显示的电站信息总揽，从该图能够看出，通过PROFINET采集并发布的实时信息数据准确可靠，完全满足瓦斯电厂集中监控系统的监视控制要求。

5、PROFINET应用总结
       在屯兰瓦斯发电项目中，通过PROFINET的应用，完美解决了各个设备厂家控制系统间的数据交换问题，为大规模集成多种控制系统提供了圆满的解决方案。利用PROFINET技术，能够以较低的成本，接入更多第三方的控制系统，为屯兰瓦斯发电项目二期工程的扩建，也提供了良好的接口支持，保障了业主在一期工程中的系统投资。PROFINET技术在屯兰瓦斯发电项目中的应用是完全成功的，值得在类似的瓦斯发电项目领域内推广。