Profibus与FF总线技术应用比较

刘彦明

（福陆中国工程建设有限公司，上海 201103）

0 引言

近年来，随着石油化工领域的项目新建、投产，现场总线技术应用已经在2000年通过的IEC61158.3~6总线标准的基础上，有了很成熟的用户群和相当多的比较分析。尤其是FF总线（Foundation Fieldbus）和Profibus两种总线，它们在化工领域应用广泛，在以下方面有着共同的优势[1,3]：

双向通讯，安装、调试和维护简单方便。

过程变量信息传递速度快。

总线仪表通讯，现场仪表故障只影响本身或相关少量设备。

总线供电，本质安全型，危险点分散。

目前主流DCS供应商都同时支持这两种总线，受到市场项目投资规律的影响，本文将从技术差异性角度比较两种总线，重点关注经济合理性，以求工程总承包项目（EPC）效益最大化。

1 FF和Profi bus总线的主要差异

FF总线是由现场总线基金会组织（FF）开发的现场总线，体系结构参照国际标准化组织（ISO）的开放系统互联协议（OSI）而制定的；Profibus则是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50179，按照ISO/OSI参考模型制定。表1对两种总线的技术特点进行了比较总结[1,2]。

图1表明了两种总线在控制应用上的主要差异, 对于Profibus, 控制模块跟传统控制系统一样，在系统端执行控制功能，但采用数字智能现场仪表，在现场端进行信号的双向信息处理；而FF总线则把控制模块功能移到了现场仪表端[3]。这个显著的差异引起了相关的费用差异。

2 堆栈大小，电量消耗以及费用比较

通过表1中对两种总线物理层的比较，基于Profibus和FF总线采用了相同的ASIC物理层和IEC标准，西门子公司致力于将FF总线信号并入到Profibus总线系统中。在实际项目执行时，因为FF堆栈容量大于Profibus堆栈容量，具体堆栈尺寸比较见图2。FF总线堆栈容量为350K字节，而PA堆栈容量仅需50K字节，这样在数据层链接并入时，需要增加一部分内存用以移除PA堆栈，并被FF堆栈取代。对于这些增加的内存字节，相应时钟时间要成倍的增加，同时2mA多余的电量也要用于FF总线仪表。

综合以上分析，不难理解FF智能仪表生产成本为何会高于Profibus仪表，根据几家供货厂商液位仪表的列表价格比较，大概FF总线仪表费用高于同类型PA仪表100美金左右。

表1 FF&Profi bus 总线技术特点比较Table1 Technical data comparison list of FF and Profi bus

图1 FF 和Profi bus总线在现场仪表和控制系统比较线Fig.1 The line between control system and instrument for FF and Profi bus

3 回路中仪表数量及节点数量比较

回路中仪表数量取决于项目的设计原则及是否是本安回路，对于非本安回路，FF总线回路推荐不超过12台设备，系统内通讯循环时间大概在0.5s到1s之间。对于PA总线回路推荐设备不超过24台，循环更新时间大概在400ms。这样在同样的控制要求下，PA总线回路仪表数量大概是FF总线回路的一倍。对于有快速时间要求的控制回路来讲，这个数量差距会更大。

对于通讯节点来讲，技术层面的数据链接对于主流供应商已经没有区别，但在相同的网络负荷条件下，数据集成器、交换机的费用比较表明，FF总线设备大概要高于Profibus总线设备500美金左右。

Profibus和FF总线接线系统设计比较，电缆和接线箱费用没有差别，但对于同样规模的项目，FF总线回路意味着需要更多的电缆和接线箱，必然会导致整体费用的增加。

通过图1和图2的分析比较图，FF总线堆栈协议量大主要是因为控制功能是现场端隔离，这样就无形中增加了项目的管理复杂程度。大部分马达控制系统和动设备包，如MCC和VSDS，都会采用Profibus DP协议，如果现场仪表和控制系统也采用同样的通讯协议，维护人员仅需使用一种故障处理系统即可，这可能也是相比较于FF总线，根据近年来终端用户和技术部门的反馈，PA总线更容易使用的原因。

图2 FF 和Profi bus总线通讯协议堆栈比较Fig.2 The protocols stack for Profi bus and Foundation fi eldbus

4 Profi bus总线技术在大型化工项目上的应用

1.该美国工程公司作为此项目的EPCM（设计、采购、施工管理）承包商，承担了报批文件，基础设计和详细设计及施工管理工作，业主在投资控制率方面要求±10%的精度，即根据基础设计包进行费用估算，经过业主报批后，最终项目简称投产总费用不能超过±10%。该项目主体工艺单元特点是多回路、多变量，具有大时滞和高度非线性，因此，对控制的实时性和通讯的稳定性就有比较高的要求。同时，原料准备单元和半成品掺混单元、成品包装单元都会采用动设备包就地控制，因此底层通信网络的可靠稳定运行非常关键。

2.在基础设计阶段费用考虑方面，电气高、低压控制系统与DCS之间的通讯总线协议也是影响之一，马达控制系统（MCC）采用ABB公司的高低压柜；变频控制系统（VSDS）采用SIEMENS公司的控制技术；动设备的控制系统统一要求采用SIMENS S7-300系列。驱动设备的访问控制方式要满足工业控制网络的要求，即通信的实时性和确定性。Profibus总线的主从访问方式、传送速度快、扩展方便灵活，在很大程度上吻合此项目的工厂自动化管理层和车间监控层的要求。经过与3家主流DCS供货商的技术澄清和商务比价，最终控制单元选用ABB公司的AC800 xA系列的CPU PM866K02做主站，现场智能仪表及动设备PLC、MCC、VSDS控制柜做从站，构成Profibus-DP总线控制系统。控制系统配置如图3所示。

3.Profibus技术的经济性在本项目中得到了极大的体现，在详设设计技术询价澄清阶段，因本项目德国进口动设备通讯协议的要求，EMERSON公司的Delta-V系统因通讯点数价格过高而放弃竞标。

1）相比于传统DCS设计，在硬件方面，Profibus总线技术主要优点有以下几个方面：

a）节省项目费用：传统的DCS系统架构需要把所有现场设备测量点信号通过多芯电缆硬接线全部引至中央控制室，大量的电缆和电缆桥架的采购成本较高。采用Profibus远程I/O模式，大量节省多芯电缆和桥架。并且不需要中间接线柜。

b）缩短项目周期：传统的DCS系统架构，大量的电缆和电缆桥架的安装施工难度较大，周期长。设计也要完成从接线箱到接线柜到控制柜的接线图、回路图设计，工作量大，周期长，与供货商的界面也较多。采用Profibus远程I/O模式，设计和施工周期都能缩短。

c）提高项目的扩展性：项目后期或施工结束后，若要更改仪表类型或数量，需要做大量的工作并重新布线。采用Profibus远程I/O模式，只需要在远程I/O站找到空余位置并完成接线即可。

d）提高安全性和可用性：Profibus远程I/O站到控制器采用冗余通讯，一条通讯线路故障并不能影响系统正常工作，大大提高了系统的安全性和可用性。

e）提高信号抗干扰能力：传统的双绞线远距离传输信号，现场错综复杂，易受电磁干扰，电气干扰等。采用现场总线传输，大大提高了信号抗干扰能力。

2）结合本文第2，3部分叙述，相较于FF总线，ABB这套DCS系统的Profibus的优势还体现在如下方面：

a）各节点扩展方便，传输波特率选用在187.5Kbps，允许在总线段节点接入32个设备，实际设计时，按照15个左右考虑，为将来项目扩展留有空间。

b）冗余方面，本项目设置了控制器主站冗余、总线冗余，从站不考虑冗余，对于上层应用来说，故障主站能够迅速切换到冗余主站上。从站不冗余则不要求赋给不同的地址单元，节约内存。应用数据的备份处理由用户程序负责，与从站的模块设置结构无关。

c）时间标签，本项目对动设备有时间要求及相应的操作程序的启动，ABB控制系统中可设置一个精密的时间标签，定时发布数字量信号用于校验，以记录并标识网络中发生时间的准确时间，从而更好地控制全系统中各设备的时间同步。时钟同步控制对于多从站的Profibus系统控制性能的提高非常重要。

图3 ABB DCS 控制系统框架图Fig.3 ABB DCS Architecture drawing

5 结束语

自动化领域已经步入通信时代的现场总线技术，总线控制进入现场层，单站点成本是必须考虑的因素，在满足应用功能需求的基础上，成本的考量是选择现场总线类型的重要出发点。工程公司作为EPC总包合同的执行人，在满足业主或工艺包应用软件的要求的同时，一定要充分考虑以现场总线为基础的接入技术和共存策略研究，追求更为经济合理的系统框架，才能确立做为一流工程公司的话语权。

[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,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]蒲维.现场总线控制系统实时建模,分析与调度方法的研究[D].中国科学院自动研究所,2003.