Profibus-PA總線技術(shù)在三廢處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

白 澤，周春燕，許 杰，冉?jīng)硸|，宋鵬杰

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院第一研究所 三廢室，成都 610000）

0 引言

PROFIBUS是Process Field Bus（過程現(xiàn)場(chǎng)總線）的縮 寫，主 要 是 由PROFIBUS-PA、PROFIBUS-DP及PROFIBUS-FMS 3個(gè)部分組成。由于PROFIBUS-PA的本身不能構(gòu)成獨(dú)立的系統(tǒng)，它必須與PROFIBUS-DP連用，PROFIBUS-PA是PROFIBUS-DP向現(xiàn)場(chǎng)的延伸，兩者在通信上是存在相互兼容的[1]。從1989年P(guān)ROFIBUS總線被確定為現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以來，該技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，日趨成熟。國(guó)內(nèi)外多個(gè)廠商都相繼推出了自己品牌的PA總線儀表。

在三廢處理系統(tǒng)的工藝過程中，工藝所需的各類工藝參數(shù)測(cè)點(diǎn)較多，部分測(cè)點(diǎn)分布相對(duì)較為集中。使用了大量的就地安裝一次儀表，進(jìn)行工藝系統(tǒng)所需求的過程參數(shù)及控制參數(shù)的采集，或基于安全要求等其它外部要求進(jìn)行的一些工藝數(shù)值的監(jiān)測(cè)。而在進(jìn)行參數(shù)采集的過程與信號(hào)傳輸集成的過程中，部分區(qū)域測(cè)點(diǎn)首次使用了基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用協(xié)議方式進(jìn)行采集。用以驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在三廢處理系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，也為以后的儀控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)、技改等相關(guān)內(nèi)容提供實(shí)際應(yīng)用范例。

1 PA總線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

工藝中傳統(tǒng)儀表的信號(hào)采集方式一般為基于4 mA～20mA模擬信號(hào)傳輸技術(shù)。簡(jiǎn)單來說，就是4mA～20mA儀表測(cè)量采用模擬信號(hào)輸出結(jié)果，二次儀表根據(jù)輸出的模擬信號(hào)換算為所需測(cè)量參數(shù)的測(cè)量值。而這種傳輸方式也有其一定的弊端，如一路信號(hào)只能有一個(gè)測(cè)量?jī)?nèi)容，在設(shè)計(jì)時(shí)，所考慮的設(shè)計(jì)接口多；安裝階段所需敷設(shè)電纜多，敷設(shè)困難，變相增加成本與安裝施工費(fèi)用；信號(hào)回路接口多，不易檢修；后期維護(hù)成本高等。

與傳統(tǒng)的信號(hào)采集傳輸方式相比，PA總線技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。而當(dāng)今儀控系統(tǒng)發(fā)展逐漸向本質(zhì)安全區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備協(xié)議方向轉(zhuǎn)變。現(xiàn)在可用于本質(zhì)安全區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備協(xié)議有HART、FF、PROFIBUS-PA等。其中，HART總線只包括物理層協(xié)議；FF是一種高成本的現(xiàn)場(chǎng)總線；而 PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)總線無論是與傳統(tǒng)信號(hào)傳輸方式，還是與以上幾種協(xié)議方式均具備一定的優(yōu)勢(shì)，是一種市場(chǎng)應(yīng)用需求廣泛、使用技術(shù)成熟的技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中擁有多種優(yōu)點(diǎn)。

PROFIBUS-PA是為過程控制的特殊要求而設(shè)計(jì)的，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連在一根總線上，并有本質(zhì)安全規(guī)范。PA在從站設(shè)備的行規(guī)中定義了應(yīng)具有的特性，從而保證了不同設(shè)備制造商產(chǎn)品的互操作性和互換性；無需為儀表單獨(dú)供電，通過總線供電模式，PA可以在有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)合使用；前期項(xiàng)目設(shè)計(jì)便捷，減少了設(shè)計(jì)硬件接口，安裝方便，減少了電纜敷設(shè)及安裝費(fèi)用；維護(hù)成本低，減少了維護(hù)保養(yǎng)環(huán)節(jié)，易于維修，故障環(huán)節(jié)少；響應(yīng)速度較于傳統(tǒng)傳輸方式更加快捷、穩(wěn)定。

另外，由于采用總線連接設(shè)備而節(jié)約了大量的電纜、電源箱、配電柜、匯線槽、接線柜、端子箱、安全柵或隔離電路，也不再需要傳統(tǒng)的I/O模塊。大量節(jié)省了電纜費(fèi)用，也相應(yīng)節(jié)省了施工調(diào)試以及系統(tǒng)投運(yùn)后的維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用PROFIBUS系統(tǒng)可以使工程總造價(jià)相對(duì)傳統(tǒng)方式降低20%～40%。

在PROFIBUS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，PA的設(shè)備必須由DP段的主站控制。PA段的設(shè)備拓?fù)湫问娇梢允蔷€形、樹型，或它們的混合形式。每一個(gè)PA段的從站設(shè)備數(shù)量最多為32個(gè)，但受消耗電流總量的限制和適用場(chǎng)合的影響，一般要少于這個(gè)數(shù)目。

采用數(shù)字信號(hào)通訊，有效提高系統(tǒng)的測(cè)量和控制精度。各種開關(guān)量、模擬量信號(hào)就近轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，避免了信號(hào)的衰減和變形[2]。能有效解決信號(hào)在傳輸過程中，因外部干擾所產(chǎn)生的測(cè)量誤差，避免因錯(cuò)誤數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的誤操作產(chǎn)生。

2 PA總線技術(shù)在三廢處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 送風(fēng)系統(tǒng)工藝應(yīng)用

圖1 現(xiàn)場(chǎng)儀表PA應(yīng)用方式原理圖Fig.1 Schematic diagram of PA application mode of field instrument

送風(fēng)系統(tǒng)是廠房通風(fēng)系統(tǒng)的組成部分，為廠房現(xiàn)場(chǎng)各工藝房間進(jìn)行送風(fēng)，保證現(xiàn)場(chǎng)房間的空氣流通及空氣潔凈。為保證送風(fēng)質(zhì)量，在工藝管道中需加裝空氣過濾器，對(duì)所送風(fēng)中的雜質(zhì)或其它成分進(jìn)行過濾。但是過濾器在長(zhǎng)期使用過程中，由于雜質(zhì)等其它物質(zhì)的堆積，慢慢會(huì)造成過濾器的功效逐漸降低，甚至堵塞。為保證過濾器的功效及避免因過濾器前后差壓過大而產(chǎn)生的工藝故障，所以對(duì)其加裝過濾器差壓儀表，監(jiān)視其工作時(shí)的前后差壓，以保證其過濾效率及工藝流程的安全性。在該部分儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到設(shè)計(jì)接口、儀表數(shù)量、儀表相對(duì)集中、安裝工程量及后期維護(hù)等方面，采用了PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用。一是為減少設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試等方面的工作量，也是為以后三廢處理系統(tǒng)相應(yīng)設(shè)計(jì)提供實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)支持。

2.2 控制原理及方法

PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)總線主要是由DP/PA鏈路器、耦合器等設(shè)備組成。PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)總線是將采用數(shù)字化位同步的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣葹?1.25kbit/sec以及防錯(cuò)的起止界定符，信號(hào)電壓為0.75V～1V，且可實(shí)現(xiàn)本安操作。本次Profibus-PA現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用設(shè)備為8臺(tái)差壓變送器。將8臺(tái)差壓變送器用Profibus-PA總線連接，并匯聚至現(xiàn)場(chǎng)的儀表總線控制箱，通過總線連接器將信號(hào)匯聚，然后傳輸至DP/PA耦合器。控制原理拓?fù)鋱D如圖1所示。

采用數(shù)字量傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，每臺(tái)儀表都有對(duì)應(yīng)的地址，通過地址上位和下位相連，通過總線向現(xiàn)場(chǎng)儀表饋電，無需單獨(dú)供電。

2.3 硬件組態(tài)連接

PROFIBUS-PA系統(tǒng)通過DP/PA鏈路器連接到PROFIBUS-DP主站系統(tǒng)。DP/PA鏈路器包含2個(gè)IM153-2接口模塊以及相互連接的1個(gè)DP/PA耦合器。DP/PA鏈路器是上層DP主站的DP從站，并作為下層總線系統(tǒng)（PA現(xiàn)場(chǎng)總線）站點(diǎn)的代理。DP/PA耦合器是PROFIBUS-DP與PROFIBUS-PA的物理連接器，DP/PA耦合器無需組態(tài)，通過增加DP/PA耦合器數(shù)量來增加PA主站系統(tǒng)的電流帶載能力。通過總線連接器將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)通過數(shù)字化形式匯聚至PA層。然后，通過現(xiàn)場(chǎng)總線儀表箱內(nèi)的DP/PA耦合器及DP/PA鏈路器將信號(hào)傳輸至DP層，再通過光纖收發(fā)器進(jìn)入工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)。待DCS相應(yīng)程序讀取其中數(shù)據(jù)（PA硬件組態(tài)連接示意圖如圖2所示）。

圖2 PA硬件組態(tài)連接示意圖Fig.2 PA Hardware configuration connection diagram

3 PA儀表的調(diào)試

PA總線儀表調(diào)試內(nèi)容主要包括：地址調(diào)試、組態(tài)參數(shù)調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)儀表調(diào)試等。

PA總線上的每塊PA儀表都需要在程序中指定一個(gè)特定的地址位號(hào)，通過DCS在中控直接設(shè)定每臺(tái)儀表的地址。多臺(tái)未設(shè)定地址的儀表必須逐一設(shè)定地址后往總線上掛，否則會(huì)出現(xiàn)地址沖突，因?yàn)橥活愋偷膬x表默認(rèn)地址大多都是相同的。掛上之后進(jìn)行總線地址掃描，掃描到未設(shè)定地址，再進(jìn)行地址設(shè)定及I/O編輯[3]。

壓力類儀表在程序中不需要特殊的參數(shù)設(shè)定，按照正常參數(shù)設(shè)定即可。測(cè)量值可以由上位機(jī)直接讀取，不需要在下位機(jī)程序做數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。

Profibus-PA總線技術(shù)擁有較強(qiáng)的自動(dòng)診斷功能，能自動(dòng)診斷回路工作狀態(tài)，顯示故障位置信息，讓工作人員能夠及時(shí)地處理故障問題。現(xiàn)場(chǎng)檢查儀表接線與儀表箱接線，查看DP/PA鏈路器及DP/PA耦合器工作狀態(tài)，工作狀態(tài)正常（PA線連接器及耦合器如圖3所示）。

現(xiàn)場(chǎng)檢查系統(tǒng)的屏蔽與接地，確認(rèn)電纜屏蔽層與設(shè)備接地均符合相應(yīng)規(guī)范要求。將主干線的屏蔽層在系統(tǒng)側(cè)接到DCS的工作接地排上，現(xiàn)場(chǎng)側(cè)接到PA總線箱的工作接地上，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過的設(shè)備、管道、結(jié)構(gòu)均可靠接地。確認(rèn)后，使用電阻測(cè)量?jī)x表測(cè)量接地電阻值是否滿足技術(shù)要求（接地電阻應(yīng)≤1Ω）。

圖3 PA線連接器及耦合器圖Fig.3 PA Wire connector and coupler diagram

使用萬用表測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)一次儀表的輸入電壓，以保證PA總線的配電的正確性。對(duì)儀表回路的電流及設(shè)備接地進(jìn)行檢查，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表使用手操器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定及模擬工藝調(diào)試。使用手操器對(duì)差壓變送器的測(cè)量范圍進(jìn)行設(shè)定，使其與工藝測(cè)量范圍相匹配。現(xiàn)場(chǎng)脫開一次儀表，使用儀表手操器及信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行工況模擬，確認(rèn)系統(tǒng)在各個(gè)模擬的工況下的狀態(tài)，以及系統(tǒng)的控制與聯(lián)鎖動(dòng)作是否準(zhǔn)確。

相對(duì)于傳統(tǒng)儀表，PA儀表需要的管線少，信號(hào)通過耦合器直接連接到PROFIBUS模塊，不需要經(jīng)過I/O模塊，節(jié)省了大量的中間環(huán)節(jié)，大大減輕了調(diào)試的工作內(nèi)容。

4 結(jié)論

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)調(diào)試和使用后，總線儀表使用正常。在調(diào)試和使用中，減少了調(diào)試工作量，維修排障較簡(jiǎn)單，且測(cè)量參數(shù)正確反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)實(shí)際參數(shù)。PA總線儀表的使用，既節(jié)省了前期設(shè)計(jì)接口、設(shè)計(jì)內(nèi)容、敷設(shè)電纜人工費(fèi)用，又降低了后期使用中的維修難度、設(shè)備保養(yǎng)費(fèi)用等。為以后的三廢處理系統(tǒng)電儀控制部分設(shè)計(jì)內(nèi)容，提供了相應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用案例和技術(shù)支持。