Profibus-PA總線在工程應(yīng)用中的探究

任振寰

(北京美信東方工程技術(shù)有限公司，北京 100028)

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Profibus-PA總線在工程應(yīng)用中的探究

任振寰

(北京美信東方工程技術(shù)有限公司，北京 100028)

摘要：Profibus-PA總線憑借全數(shù)字化傳輸、先進(jìn)的自診斷功能、多控制設(shè)備構(gòu)成網(wǎng)段、安裝費(fèi)用低等諸多優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于過程控制。闡述了Profibus-PA總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的搭建過程；詳細(xì)介紹了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、關(guān)鍵組件及相關(guān)工程要素的構(gòu)成，PA網(wǎng)段采用冗余配置以提高安全性，對現(xiàn)場總線在工程設(shè)計中的應(yīng)用起到一定借鑒作用。

關(guān)鍵詞：Profibus現(xiàn)場總線耦合器DP/PA連接器

現(xiàn)場總線在IEC 61158中的定義： 安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式的、雙向的、多點(diǎn)通信的數(shù)字總線。Profibus-PA總線(以下簡稱PA總線)作為現(xiàn)場總線中的一種，目前已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、流程工業(yè)、物流管理、樓宇自動化等眾多領(lǐng)域。PA總線在車間進(jìn)行的計劃編制、安裝、測試和操作階段中，具有很大優(yōu)勢。PA總線專為過程控制應(yīng)用而設(shè)計，過程控制的主要特點(diǎn)： 以模擬量控制為主，各種控制參數(shù)與報警參數(shù)較多，系統(tǒng)安全要求較高。另外，PA總線引入了現(xiàn)場總線本質(zhì)安全概念(FISCO)，使用總線供電方式，使其可以方便地應(yīng)用于存在爆炸危險的場合。PA總線規(guī)定了現(xiàn)場總線設(shè)備最小供電電壓為9V，現(xiàn)場設(shè)備最小電流消耗為10mA，通過對10mA電流在±9mA范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)制的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于PA總線的協(xié)議結(jié)構(gòu)完全對外開放，應(yīng)用PA總線的設(shè)備總數(shù)每年都成倍增長。

1Profibus-PA總線的優(yōu)勢

1.1大幅節(jié)省材料和工程量

現(xiàn)場總線的優(yōu)勢之一是可以最大程度地化繁為簡。區(qū)別于傳統(tǒng)的接線箱干線電纜，動輒10對甚至更多的電纜，總線接線箱的1根電纜就完成了供電和信號傳遞的雙重功能。單對的總線主干電纜無疑會大幅減少接線的工作量，同時縮減橋架的尺寸，節(jié)省空間。

1.2先進(jìn)的自診斷功能

變送器強(qiáng)大的自診斷功能使其能及時發(fā)現(xiàn)自身的錯誤，并通過PA總線提供的信息說明所讀數(shù)據(jù)是超出測量范圍的數(shù)值。隨著信息的繼續(xù)傳遞，這種在線自診斷會持續(xù)深入了解變送器的情況，并通過PA總線傳輸使操作人員了解到更多變送器出錯的具體信息。同時參與診斷的還有上位機(jī)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)系統(tǒng)，它可以提供更詳細(xì)的信息，并根據(jù)故障狀況采取必要的校正措施。傳統(tǒng)的4～20mA信號的變送器，信號輸出大于20mA和小于4mA時，只會知道變送器出現(xiàn)故障，但沒有任何數(shù)據(jù)，當(dāng)然也無法獲知具體的錯誤類型，因而必須對該設(shè)備進(jìn)行檢查以發(fā)現(xiàn)問題所在，對錯誤的校正也將產(chǎn)生相應(yīng)的延遲。

1.3減少潛在的設(shè)備數(shù)量

從投資者的角度考慮，如果在保證功能不變的前提下，能夠減少設(shè)備數(shù)量，不僅意味著固定資產(chǎn)投資的節(jié)省，還將減少安裝施工的工程量以及后期操作維護(hù)的成本。例如： 對于傳統(tǒng)儀表，4～20mA只能承載1個變量。以渦街流量計為例，對于飽和蒸汽的測量，為保證精度，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這就需要在流量計之外再加裝1臺溫度變送器。當(dāng)然也可以選擇內(nèi)藏溫度元件的渦街流量計，但不論采用上述哪種方式，即使不考慮施工工程量的差異，控制系統(tǒng)所需的點(diǎn)數(shù)及電纜也都是可以預(yù)知的成本增加。而此時如果采用PA總線形式，則可以將流量以及溫度的相關(guān)信息同時通過數(shù)字總線送至控制系統(tǒng)，而不附加任何其他設(shè)備。

1.4精度的有效提升

PLC/DCS接收和處理的是數(shù)字信號，而儀表檢測到的則是模擬信號，在二者之間會涉及模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換。對于PA總線傳輸，無疑減少了過程中不必要的精度損失。此外，PA總線儀表的32位分辨率帶來更快的信號轉(zhuǎn)換、更小的漂移，同時無需制訂量程。

2Profibus-PA總線構(gòu)架的搭建

PA總線的一個基本特征是很容易集成到Profibus-DP總線(以下簡稱DP總線)中，從而在現(xiàn)場構(gòu)成一個完整的總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。PA總線既可以通過連接器也可以通過耦合器連接到系統(tǒng)中，而PA接口采用的是符合IEC 61158-2傳輸技術(shù)的現(xiàn)場總線接口。

2.1PA總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PA總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有樹型結(jié)構(gòu)、線型結(jié)構(gòu)及二者結(jié)合在一起的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

1) 樹型結(jié)構(gòu)是典型的現(xiàn)場安裝技術(shù)，用雙芯電纜代替多芯電纜?，F(xiàn)場分配器負(fù)責(zé)連接現(xiàn)場設(shè)備與主干總線。采用樹型結(jié)構(gòu)，所有連接在現(xiàn)場總線上的設(shè)備通過現(xiàn)場分配器進(jìn)行并行切換。

2) 線型結(jié)構(gòu)提供了與供電電路安裝類似的沿現(xiàn)場電纜的連接點(diǎn)，現(xiàn)場總線電纜可通過所連接的現(xiàn)場設(shè)備組成回路，除主干線外的分支線也可用于連接一個或多個現(xiàn)場設(shè)備。每單位電纜長度上允許連接的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量以及從總線到分支的電纜長度有其相應(yīng)要求。

3) 復(fù)合結(jié)構(gòu)即為樹型結(jié)構(gòu)和線型結(jié)構(gòu)的組合，將會優(yōu)化使用現(xiàn)場總線的長度，但該結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致現(xiàn)場總線站間信號存在一定阻尼，并會由于總線電纜上站點(diǎn)過于集中出現(xiàn)信號失真的隱患。

由于現(xiàn)場總線上可連接的設(shè)備數(shù)量取決于供電電壓、現(xiàn)場設(shè)備的耗電量以及現(xiàn)場總線的長度，因而有時需要加裝中繼器來保證現(xiàn)場總線上各個設(shè)備的正常工作。

2.2Profibus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵組件

上文所述的耦合器實(shí)際上就是一個信號轉(zhuǎn)換器，它把RS-485信號調(diào)制成曼徹斯特碼信號電平，從而完成DP總線到PA總線，PA總線到DP總線的有效轉(zhuǎn)換，與此同時，傳輸速率也從45.45Kbit/s轉(zhuǎn)換為31.25Kbit/s(PA總線的傳輸速率固定在31.25Kbit/s，而耦合器同時也將DP總線的傳輸速率限制在最高45.45Kbit/s)。DP/PA信號耦合器在設(shè)計、組態(tài)中可認(rèn)為是透明的，即其本身不作為從站，但其下面的儀表都將作為DP從站存在(最多可達(dá)123個)。

此外，還有一種應(yīng)用更為廣泛的通信設(shè)備即連接器，每臺連接器最多可以與5個耦合器配合使用，從而完成從DP總線到PA總線，PA總線到DP總線的轉(zhuǎn)換過程。連接器可以通過其內(nèi)部的智能附件把PA總線網(wǎng)段所掛的所有現(xiàn)場設(shè)備連同它本身映射為DP總線網(wǎng)段上的唯一從站，即一個連接器及其掛接的所有現(xiàn)場設(shè)備只作為DP總線中的一個從站。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)帶來的最直觀優(yōu)勢就是可掛接現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)量大幅增加，理論上PA總線可掛接的儀表臺件極限數(shù)為10×123×64=78 720臺，方案如圖1所示。因而連接器加耦合器的方案在實(shí)際應(yīng)用中更受青睞。除了上述直觀的優(yōu)勢，該方案還能提升網(wǎng)絡(luò)速度，如前所述耦合器直連在DP總線網(wǎng)絡(luò)上，其速度最高為45.45Kbit/s(西門子耦合器)，但加裝連接器后DP總線網(wǎng)絡(luò)的速度最高可以達(dá)到12Mbit/s。

圖1　PA總線理論上可掛接儀表件數(shù)方案示意

2.3實(shí)際工程中需要考慮的因素

需要指出的是，上述的PA儀表數(shù)量只是理論值，實(shí)際上一個連接器掛接的設(shè)備數(shù)還受到以下因素的影響。

1) 字節(jié)數(shù)的限制。最多為244Byte，通常對于1臺溫度、壓力、液位儀表的模擬量信號將占用5Byte，而1臺閥門或1臺流量計的信號則占用10Byte，1個開關(guān)量的信號則占用為2Byte。

2) 網(wǎng)段電流限制。關(guān)鍵在于耦合器所提供的電流必須大于網(wǎng)段總電流，具體如下式所示：

(1)

式中：ISEG——網(wǎng)段總電流，mA；IBNn——設(shè)備工作電流，mA；IFDE——故障狀態(tài)引發(fā)電流，mA；IS——耦合器供電電流，mA；m——網(wǎng)段中設(shè)備總量。

3) 最小電壓限制。對末端設(shè)備端電壓的最小要求如下式所示：

UBN=US-ISEGR′LGES

(2)

式中： UBN——末端設(shè)備端電壓，V，UBN>9.0V；US——耦合器供電電壓，V；R′——單位長度電阻，Ω/m；LGES——電纜總長度，m。

4) 電纜長度。在PA總線網(wǎng)段中，分支線路的長度隨分支電路數(shù)目的不同而不同，另外與是否在本質(zhì)安全場合使用也有很大關(guān)系。PA總線網(wǎng)段中分支電路長度的規(guī)定見表1所列。

對于現(xiàn)場總線本安防爆的FISCO應(yīng)用模型，應(yīng)遵循以下原則： 本安現(xiàn)場總線上最多掛接12臺符合FISCO認(rèn)證的現(xiàn)場儀表;每臺現(xiàn)場儀表的耗電不小于10mA;電纜長度總和不超過1km,每根分支電纜長度最長為30m。

表1PA網(wǎng)段中分支電路長度的規(guī)定

分支線路的數(shù)量/個非本質(zhì)安全要求安裝時最大分支線路長度/m本質(zhì)安全要求安裝時最大分支線路長度/m25~32 1119~24303015~18603013~1490301~1212030

對于增安型防爆的主干線,本安型防爆的現(xiàn)場儀表： 利用兼?zhèn)涓綦x柵和接線盒功能的現(xiàn)場安全柵構(gòu)成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的方法; 現(xiàn)場安全柵通常為增安型和澆封型防爆,可安裝在危險區(qū)Zone 1,內(nèi)含隔離柵為EExia IIC。主干線電纜的長度和分支電纜的長度只受現(xiàn)場總線協(xié)議的約束(A類電纜總長為1.9km,分支線路的長度見表1所列),不受FISCO規(guī)定的電纜長度總和應(yīng)不超過1km，每分支線路的長度應(yīng)不超過30m。

需要說明的是，上述電纜總長為A類電纜總長，B/C/D類電纜分別對應(yīng)的長度為1200，400，200m。關(guān)于A/B/C/D 4種電纜類型，在EN 61158-2第11.7.2節(jié)中有相應(yīng)的規(guī)定，此處不再贅述。

3PA網(wǎng)段的冗余

在工程設(shè)計中對于重要的回路往往會采取冗余措施，通常是通過冗余卡件的形式實(shí)現(xiàn)。PA總線網(wǎng)段的冗余配置模型如圖2所示。

圖2　PA總線網(wǎng)段的可冗余配置模型示意

由圖2所示的冗余配置模型可知，一旦干線短路或斷路，接線盒上的終端電阻將自行打開，從而使故障點(diǎn)的兩側(cè)分別在1個耦合器下獨(dú)立工作而不受斷路的影響。雖然冗余模型指出的是冗余耦合器，而事實(shí)上冗余耦合器是可以配合連接器使用的，但要注意1個連接器只能帶1對冗余耦合器，且這對耦合器的物理位置只能放置在其他耦合器之后。上述是PA總線中的全冗余模式，也是較為穩(wěn)妥，但成本較高的配置。

此外還有一種電源冗余的方式，該冗余只能保證單個耦合器出現(xiàn)問題時不影響后續(xù)工作。

4結(jié)束語

Profibus-PA總線在過程控制領(lǐng)域具有很高優(yōu)越性，基于PA總線的儀表及控制系統(tǒng)的高性能，將給工業(yè)自動化帶來了更多更大的變化。工程技術(shù)人員應(yīng)努力提高國內(nèi)PA總線的工程應(yīng)用水平，提高PA總線產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)水平，促進(jìn)PA總線技術(shù)在國內(nèi)的廣泛應(yīng)用和總體水平提升。

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Exploration of Profibus-PA Fieldbus Application in Engineering Practice

Ren Zhenhuan

(Maison Global Cooperation, LLC., Beijing, 100028, China)

Abstracts： Profibus-PA fieldbus is widely applied in process control due to many advantages of full digital transmission, advanced self-diagnostic function, multi-control equipment configured network segment and low installation cost. The construction process of Profibus-PA network architecture is expounded. The topological structure, key components and relative engineering elements are introduced in detail. Redundant configuration is adopted in PA network segment to improve security, which can be used as reference for fieldbus application in engineering design.

Key words：Profibus fieldbus; coupler; DP/PA linker

中圖分類號：TP273+.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)06-0014-03

作者簡介：任振寰(1979—)，男，畢業(yè)于北京化工大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)，現(xiàn)工作于北京美信東方工程技術(shù)有限公司，主要從事石油化工等相關(guān)行業(yè)的自控和儀表設(shè)計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-09-05。