Profibus-PA總線在工程應用中的探究

任振寰

(北京美信東方工程技術有限公司，北京 100028)

?

Profibus-PA總線在工程應用中的探究

任振寰

(北京美信東方工程技術有限公司，北京 100028)

摘要：Profibus-PA總線憑借全數字化傳輸、先進的自診斷功能、多控制設備構成網段、安裝費用低等諸多優勢，被廣泛應用于過程控制。闡述了Profibus-PA總線網絡構架的搭建過程；詳細介紹了拓撲結構、關鍵組件及相關工程要素的構成，PA網段采用冗余配置以提高安全性，對現場總線在工程設計中的應用起到一定借鑒作用。

關鍵詞：Profibus現場總線耦合器DP/PA連接器

現場總線在IEC 61158中的定義： 安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式的、雙向的、多點通信的數字總線。Profibus-PA總線(以下簡稱PA總線)作為現場總線中的一種，目前已廣泛應用于制造業、流程工業、物流管理、樓宇自動化等眾多領域。PA總線在車間進行的計劃編制、安裝、測試和操作階段中，具有很大優勢。PA總線專為過程控制應用而設計，過程控制的主要特點： 以模擬量控制為主，各種控制參數與報警參數較多，系統安全要求較高。另外，PA總線引入了現場總線本質安全概念(FISCO)，使用總線供電方式，使其可以方便地應用于存在爆炸危險的場合。PA總線規定了現場總線設備最小供電電壓為9V，現場設備最小電流消耗為10mA，通過對10mA電流在±9mA范圍內進行適當調制的信號進行數據傳輸。由于PA總線的協議結構完全對外開放，應用PA總線的設備總數每年都成倍增長。

1Profibus-PA總線的優勢

1.1大幅節省材料和工程量

現場總線的優勢之一是可以最大程度地化繁為簡。區別于傳統的接線箱干線電纜，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，節省空間。

1.2先進的自診斷功能

變送器強大的自診斷功能使其能及時發現自身的錯誤，并通過PA總線提供的信息說明所讀數據是超出測量范圍的數值。隨著信息的繼續傳遞，這種在線自診斷會持續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的產品數據管理(PDM)系統，它可以提供更詳細的信息，并根據故障狀況采取必要的校正措施。傳統的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故障，但沒有任何數據，當然也無法獲知具體的錯誤類型，因而必須對該設備進行檢查以發現問題所在，對錯誤的校正也將產生相應的延遲。

1.3減少潛在的設備數量

從投資者的角度考慮，如果在保證功能不變的前提下，能夠減少設備數量，不僅意味著固定資產投資的節省，還將減少安裝施工的工程量以及后期操作維護的成本。例如： 對于傳統儀表，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，需要進行溫度補償，這就需要在流量計之外再加裝1臺溫度變送器。當然也可以選擇內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，控制系統所需的點數及電纜也都是可以預知的成本增加。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信息同時通過數字總線送至控制系統，而不附加任何其他設備。

1.4精度的有效提升

PLC/DCS接收和處理的是數字信號，而儀表檢測到的則是模擬信號，在二者之間會涉及模數/數模轉換。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換、更小的漂移，同時無需制訂量程。

2Profibus-PA總線構架的搭建

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，從而在現場構成一個完整的總線網絡結構。PA總線既可以通過連接器也可以通過耦合器連接到系統中，而PA接口采用的是符合IEC 61158-2傳輸技術的現場總線接口。

2.1PA總線的拓撲結構

PA總線的拓撲結構有樹型結構、線型結構及二者結合在一起的復合結構。

1) 樹型結構是典型的現場安裝技術，用雙芯電纜代替多芯電纜?，F場分配器負責連接現場設備與主干總線。采用樹型結構，所有連接在現場總線上的設備通過現場分配器進行并行切換。

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

3) 復合結構即為樹型結構和線型結構的組合，將會優化使用現場總線的長度，但該結構會導致現場總線站間信號存在一定阻尼，并會由于總線電纜上站點過于集中出現信號失真的隱患。

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

2.2Profibus網絡結構中的關鍵組件

上文所述的耦合器實際上就是一個信號轉換器，它把RS-485信號調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總線的有效轉換，與此同時，傳輸速率也從45.45Kbit/s轉換為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信號耦合器在設計、組態中可認為是透明的，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123個)。

此外，還有一種應用更為廣泛的通信設備即連接器，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總線的轉換過程。連接器可以通過其內部的智能附件把PA總線網段所掛的所有現場設備連同它本身映射為DP總線網段上的唯一從站，即一個連接器及其掛接的所有現場設備只作為DP總線中的一個從站。這樣的網絡結構帶來的最直觀優勢就是可掛接現場設備的數量大幅增加，理論上PA總線可掛接的儀表臺件極限數為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際應用中更受青睞。除了上述直觀的優勢，該方案還能提升網絡速度，如前所述耦合器直連在DP總線網絡上，其速度最高為45.45Kbit/s(西門子耦合器)，但加裝連接器后DP總線網絡的速度最高可以達到12Mbit/s。

圖1　PA總線理論上可掛接儀表件數方案示意

2.3實際工程中需要考慮的因素

需要指出的是，上述的PA儀表數量只是理論值，實際上一個連接器掛接的設備數還受到以下因素的影響。

1) 字節數的限制。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個開關量的信號則占用為2Byte。

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

(1)

式中：ISEG——網段總電流，mA；IBNn——設備工作電流，mA；IFDE——故障狀態引發電流，mA；IS——耦合器供電電流，mA；m——網段中設備總量。

3) 最小電壓限制。對末端設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總線網段中，分支線路的長度隨分支電路數目的不同而不同，另外與是否在本質安全場合使用也有很大關系。PA總線網段中分支電路長度的規定見表1所列。

對于現場總線本安防爆的FISCO應用模型，應遵循以下原則： 本安現場總線上最多掛接12臺符合FISCO認證的現場儀表;每臺現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網段中分支電路長度的規定

分支線路的數量/個非本質安全要求安裝時最大分支線路長度/m本質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,本安型防爆的現場儀表： 利用兼備隔離柵和接線盒功能的現場安全柵構成現場總線網絡的方法; 現場安全柵通常為增安型和澆封型防爆,可安裝在危險區Zone 1,內含隔離柵為EExia IIC。主干線電纜的長度和分支電纜的長度只受現場總線協議的約束(A類電纜總長為1.9km,分支線路的長度見表1所列),不受FISCO規定的電纜長度總和應不超過1km，每分支線路的長度應不超過30m。

需要說明的是，上述電纜總長為A類電纜總長，B/C/D類電纜分別對應的長度為1200，400，200m。關于A/B/C/D 4種電纜類型，在EN 61158-2第11.7.2節中有相應的規定，此處不再贅述。

3PA網段的冗余

在工程設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現。PA總線網段的冗余配置模型如圖2所示。

圖2　PA總線網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，從而使故障點的兩側分別在1個耦合器下獨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問題時不影響后續工作。

4結束語

Profibus-PA總線在過程控制領域具有很高優越性，基于PA總線的儀表及控制系統的高性能，將給工業自動化帶來了更多更大的變化。工程技術人員應努力提高國內PA總線的工程應用水平，提高PA總線產品研發技術水平，促進PA總線技術在國內的廣泛應用和總體水平提升。

參考文獻：

[1]徐春玲，凌志浩．本安現場總線系統Profibus-PA及其應用[J]．自動化儀表，2006(07)： 45-48.

[2]李遠澄，路鵬．現場總線在某電廠水處理的應用[J]．電力學報，2008(05)： 61-64.

[3]葉彬強.Profibus-PA現場總線技術研究和應用[J]．石油化工自動化，2005，41(05)： 64-67.

[4]趙少龍，李文滄，胡振靜．Profibus-PA在華能邯峰電廠脫硫系統中的應用[J].中國儀器儀表，2013(11)： 41-44.

[5]吳朋，陳學軍．Profibus-PA現場總線技術及其應用[C]//全國石油和化學工業儀表及自動化技術交流研討會，2007.

[6]蔡向前．Profibus-PA： 過程自動化現場總線及其應用技術[J]．水泥工程，2003(03)： 67-69.

[7]文莉輝．現場總線Profibus-PA從站技術研究及遠程I/O開發[D]．北京： 北京化工大學， 2009.

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

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)06-0014-03

作者簡介：任振寰(1979—)，男，畢業于北京化工大學測控技術與儀器專業，現工作于北京美信東方工程技術有限公司，主要從事石油化工等相關行業的自控和儀表設計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-09-05。