PROFIBUS PA總線在水泥廠的應用

栗　克　康洪超　張立光

1河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002） 2中材建設有限公司（100176）

PROFIBUS PA總線在水泥廠的應用

栗克1康洪超1張立光2

1河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002） 2中材建設有限公司（100176）

這里主要介紹了Profibus PA在水泥廠的自動化系統(tǒng)中的實際應用以及根據(jù)實例進行的系統(tǒng)配置。

PA總線；耦合器；連接器；水泥廠

1　PA簡介

由Profibus PA、Profibus DP和Profibus FMS共同構(gòu)成了過程現(xiàn)場總線系統(tǒng)，它作為國際標準在自動化領域占有重要地位。Profibus PA采用IEC1158-2、MBP-IS標準，通過曼切斯特編碼在一條電纜上同時為儀表供電和傳輸數(shù)字化信號，不僅可用于一般工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，也可用于有著本安防護要求的爆炸等危險環(huán)境中。PA的數(shù)據(jù)傳輸使用擴展后的DP通訊協(xié)議，系統(tǒng)的兼容性和開放性得到保證，可以很好地整合到DP通訊網(wǎng)絡中。目前，在水泥廠自動化系統(tǒng)中通常使用耦合器或連接器與Profibus DP系統(tǒng)連接，共同構(gòu)成了水泥廠的自動化系統(tǒng)。

2　基本配置方案

Profibus PA基本配置方案有耦合器（DP/PA coupler）連接方案和連接器（DP/PA link）連接方案兩種。耦合器是Profibus DP和Profibus PA之間的物理連接器，其特點是：所有的PA設備只占用前一段總線的DP地址，每個耦合器的最大連接PA設備數(shù)量不超過31臺，而且把DP通訊速率限制到45.45 kbit/s，不可以與冗余系統(tǒng)連接和配置PA冗余。此種配置方案投資小，適用于儀表數(shù)量不多、數(shù)據(jù)通訊量小、總線循環(huán)時間要求低的情況。

連接器的特點是：連接器僅僅占用一個DP地址，連接器下面的儀表不占用任何DP地址，僅使用PA內(nèi)部地址。每個連接器的最大連接PA設備不超過64臺，通訊速率可調(diào)，最大能達到12 Mbit/s，可以配置冗余系統(tǒng)和PA冗余。此種方式投資較大，適用于儀表數(shù)量多、數(shù)據(jù)通訊量大、總線循環(huán)時間要求高的情況［1］。

3　應用實例

下面以某水泥廠窯頭配電室Profibus PA總線應用為例，詳細描述有關Profibus PA的硬件配置過程。在配置硬件初期要結(jié)合項目特點選擇合適的配置方案，一般要綜合考慮以下幾點：1）硬件成本；2）儀表數(shù)量及分布；3）防爆區(qū)域劃分；4）系統(tǒng)要求的通訊速率；5）通訊系統(tǒng)是否冗余。

本項目窯頭配電室控制范圍包括窯頭篦冷機、熟料輸送車間和重油燃料車間。需要通訊的設備有三類：第一類包含窯頭MCC配電柜、變頻柜、篦冷機控制柜及其他具有通訊功能的控制柜；第二類包括窯頭溫度、壓力儀表及熟料庫料位計儀表；第三類包括重油燃料、車間的溫度、壓力等儀表。第一類設備一般布置在窯頭配電室，要求通訊速率較高，系統(tǒng)要求可靠性高，這類設備通常設置為DP通訊；第二類設備處于一般工業(yè)場所，其IP等級和通訊速率沒有第一類設備高，儀表相對集中可以設置為PA通訊；根據(jù)《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》規(guī)定，重油燃料車間電氣設備的防爆級別和組別應不低于ⅡA級T3組［2］。綜合以上設備特點，窯頭配電室的儀表可以劃分為三個區(qū)域：一是篦冷機附近的溫度、壓力測點；二是熟料車間的料位測點；三是重油燃料車間的溫度、壓力測點?？紤]到成本因素，篦冷機附近的儀表和熟料車間的儀表可以合并在同一個PA網(wǎng)段，重油燃料車間的儀表可放在另外一個網(wǎng)段。由于設備相對集中，所有的耦合器設置在窯頭配電室內(nèi)，對于重油燃料車間的耦合器可以選擇非本安型，這樣既能滿足通訊距離要求，也可以降低系統(tǒng)造價。整個自動化系統(tǒng)配置如圖1所示。

圖1　窯頭配電室自動化的系統(tǒng)配置

窯頭篦冷機和熟料車間選擇普通的有源現(xiàn)場分配器（AFD），處于重油燃料車間的有源現(xiàn)場分配器應選用防爆類型的（AFDiS）。窯頭配電室所控制的車間采用Profibus PA樹形拓撲結(jié)構(gòu)，車間儀表通過有源現(xiàn)場分配器 （AFD）連接到主干總線，PA主干線通過連接器連接到DP網(wǎng)絡上，這樣一個連接器只占用一個DP地址，連接器下可以掛多個耦合器。有源現(xiàn)場分配器通過支線將 Profibus PA分配給PA現(xiàn)場設備。它的作用有以下4點：1）連接現(xiàn)場Profibus PA設備；

2）自動總線終端；

3）Profibus PA總線故障段的隔離和故障排除后的連接；

4）擴展Profibus PA總線段。

其中要說明的是一個Profibus PA網(wǎng)段上最多能擴展到8個4接口的AFD，即一個PA網(wǎng)段上最多連接31個PA儀表，AFD的最大分支電纜長度可以達到120 m（分支數(shù)量不超過12個）。由于熟料車間料位測點和篦冷機區(qū)域的儀表沒有超過31個，而且這兩個區(qū)域也處于非防爆區(qū)域，最長的通訊距離不超過1900 m，故可合并在同一個PA網(wǎng)段。重油燃料車間的PA儀表劃分在同一個網(wǎng)段，有源現(xiàn)場分配器用本安型的（AFDiS），故窯頭共有2個PA網(wǎng)段，這樣便于分區(qū)管理和節(jié)省投資。

4　系統(tǒng)配置

由于采用DP/PA link加DP/PA coupler方案，此時連接器占用一個DP地址，耦合器不占用地址，所有儀表作為連接器的從屬單獨編址，地址為PA地址。此時整個網(wǎng)絡的通訊速率可調(diào)。硬件配置如下。

非防爆區(qū)：

連接器6ES7 153-2BA70-0XB0

耦合器6ES7 157-0AC85-0XA0

AFD 6ES7157-0AG81-0XA0

PA電纜6XV1 830-5FH10

分接頭6GK1 905-0AA00

終端電阻6GK1 905-0AE00

標準導軌6ES7 390-1AB60-0AA0

防爆區(qū)：

連接器6ES7 153-2BA70-0XB0

耦合器6ES7 157-0AC85-0XA0

AFDiS：

PA電纜6XV1 830-5EH10

分接頭6GK1 905-0AA00

終端電阻6GK1 905-0AE00

標準導軌6ES7 390-1AB60-0AA0

5　結(jié)論

在設計時要根據(jù)項目的實際情況考慮不同的配置方案，要考慮的因素有：儀表所在的環(huán)境、通訊距離、儀表數(shù)量、冗余性、通訊速率以及系統(tǒng)的兼容性，做到對于不同的情況選擇不用的硬件配置，既滿足設計要求又節(jié)約投資。

［1］PROFIBUS-PA，應用技術手冊［M］.

［2］爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范［S］.