PROFIBUS-PA總線(xiàn)技術(shù)在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用

劉振民

(江西瑞林電氣自動(dòng)化有限公司，江西南昌330038)

PROFIBUS-PA是專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，其在標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的基礎(chǔ)上增加了PA總線(xiàn)應(yīng)用行規(guī)以及相應(yīng)的傳輸技術(shù)[1-2]。物理傳輸使用MBP方式(IEC 61158-2)，在1根雙線(xiàn)電纜上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了傳輸數(shù)據(jù)和供電功能，固定的波特率為31.25 kbit/s，適合將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境(包括Ex Zone1或Ex Zone0)中的設(shè)備(傳感器、執(zhí)行器)集成到過(guò)程控制系統(tǒng)中。

1 PROFIBUS-PA總線(xiàn)系統(tǒng)基本組成

PROFIBUS-PA總線(xiàn)是以PROFIBUS DP總線(xiàn)為基礎(chǔ)的一種擴(kuò)展。PA總線(xiàn)系統(tǒng)基本組成包括DP主站、DP/PA Link(DP/PA Coupler)、連接用的DP和PA電纜、有源現(xiàn)場(chǎng)分配器、現(xiàn)場(chǎng)儀表。DP/PA Link在結(jié)構(gòu)上是連接DP和PA兩種網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)。其系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

圖1 主干型網(wǎng)絡(luò)

圖1 PROFIBUS-PA系統(tǒng)基本組成

在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，PA總線(xiàn)有DP/PA Link、直接DP/PA Coupler 2種連接方式:1）DP/PA Link由1個(gè)或2個(gè)IM153-2接口模塊以及相互連接的1～5個(gè)DP/PA Coupler組成。接口模塊將DP/PA Link連接到PROFIBUS DP主站。如果需要連接冗余的PROFIBUSDP主站，如冗余的AS控制器，則需在DP/PA Link中安裝2個(gè)接口模塊。2）DP/PA C oupler也可以直接連接到PROFIBUSDP主站。這時(shí)需要將PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)的通信速率設(shè)置為45.45 kbuad。但這種方式因?yàn)樾枰档虳P網(wǎng)絡(luò)的通信速率從而影響到其他DP站的通信，所以很少使用。

2 PROFIBUS-PA總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前，常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主干型網(wǎng)絡(luò)和冗余環(huán)形兩種。1）主干型網(wǎng)絡(luò)，是將有源現(xiàn)場(chǎng)分配器串聯(lián)形成主干網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)儀表就近接入有源現(xiàn)場(chǎng)分配器,見(jiàn)圖2。2）冗余環(huán)形。當(dāng)采用普通型DP/PA Coupler且是其DP/PA Link中最后兩個(gè)DP/PA Coupler時(shí)，兩個(gè)DP/PA Coupler構(gòu)成冗余，此時(shí)可同時(shí)將有源現(xiàn)場(chǎng)分配器環(huán)形接入，現(xiàn)場(chǎng)儀表就近接入有源現(xiàn)場(chǎng)分配器見(jiàn)圖3。

圖2 冗余環(huán)形

3 PA總線(xiàn)配置要點(diǎn)

3.1 DP主站連接最大從站數(shù)

依照PROFIBUS DP通信協(xié)議的規(guī)則，1個(gè)PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)上最多有128個(gè)站節(jié)點(diǎn)，站節(jié)點(diǎn)地址為0～127，包括主站、從站、中繼器。其中，有些地址因特殊用途或習(xí)慣性用途而不再作為常規(guī)地址分配給從站，例如地址0是PG的地址，地址1～2是主站的地址，126為多數(shù)設(shè)備出廠(chǎng)時(shí)的默認(rèn)地址，127是協(xié)議規(guī)定的廣播地址。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，1個(gè)PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)上從站最多為123個(gè)，站節(jié)點(diǎn)地址為3～125。

理論上，1個(gè)S7 CPU最多可以配置成10個(gè)DP主站。每個(gè)主站可以連接123個(gè)DP/PA Link從站,每個(gè)DP/PA Link最大能夠接64個(gè)PA儀表。因此，每個(gè)S7 CPU理論上可以連接的PA儀表極限是78 720臺(tái)。

如果采用DP/PA Coupler直接連接主站DP網(wǎng)絡(luò)的方式，DP/PA Coupler本身不占用DP地址，但每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表占用1個(gè)DP地址，所以每個(gè)DP主站能連接123個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表。

3.2 DP/PA Link連接DP/PA Coupler的最大數(shù)量

單個(gè)DP/PA Link最大可連接5個(gè)DP/PA Coupler，但每個(gè)DP/PA Link連接最大PA設(shè)備數(shù)為64。即，當(dāng)DP/PA Link連接多于2個(gè)DP/PA Coupler后，其余DP/PA Coupler只能做擴(kuò)展電流輸出及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕涌冢荒芡黄?4這個(gè)設(shè)備數(shù)限制。

3.3 DP/PA Coupler連接最大的從站數(shù)

目前，西門(mén)子官方DP/PA Coupler有普通型和防爆型兩種產(chǎn)品。1）普通型DP/PA Coupler最大可連接的現(xiàn)場(chǎng)PA設(shè)備數(shù)量為31臺(tái)，最大輸出電流為1 000 mA，輸出電壓為31 V DC，最大通信距離為1 900 m。2）防爆型DP/PA Coupler可連接的PA現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量為10，最大輸出電流為110 mA,輸出電壓14 V DC，最大通信距離1 000 m。其他公司也有類(lèi)似的產(chǎn)品，選用前需詳細(xì)了解其技術(shù)參數(shù)。在工程實(shí)際應(yīng)用中，每個(gè)DP/PA Coupler所連接的儀表數(shù)在校驗(yàn)完電流限值、通信字節(jié)數(shù)限值、分支電纜長(zhǎng)度限值后，會(huì)遠(yuǎn)小于這個(gè)理論值。一般來(lái)說(shuō)，普通型可連接儀表數(shù)多在20個(gè)以?xún)?nèi)，防爆型的儀表數(shù)多在6個(gè)以?xún)?nèi)。

3.4 通信字節(jié)數(shù)限值

單個(gè)DP/PA Link連接到DP網(wǎng)絡(luò)后都是1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的DP從站，依照PROFIBUSDP通信協(xié)議的規(guī)則，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)DP從站的最大通信數(shù)據(jù)可用長(zhǎng)度（輸入/輸出）各為244字節(jié)。所有連接在該DP/PA Link后面的PROFIBUSPA現(xiàn)場(chǎng)儀表的通信字節(jié)數(shù)總和不能超過(guò)244字節(jié)。所以，每個(gè)DP/PA Link所能連接的最大設(shè)備數(shù)還需要核算通信字節(jié)數(shù)。假設(shè)某臺(tái)設(shè)備的通信字節(jié)數(shù)是15個(gè)字節(jié)，那么每個(gè)DP/PA Link所能連接該設(shè)備最大數(shù)量為16臺(tái)。

如果直接采用DP/PA Coupler連接到主站DP網(wǎng)絡(luò)的方式，則每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表是1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)DP從站。雖然也要遵守通信字節(jié)數(shù)總和不能超過(guò)244字節(jié)的規(guī)則，但此時(shí)此規(guī)則沒(méi)有太大意義。

3.5 PA總線(xiàn)分支電路長(zhǎng)度

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的物理分布，PROFIBUS-PA的網(wǎng)絡(luò)需要考慮總線(xiàn)和支線(xiàn)電纜總長(zhǎng)度。一般設(shè)計(jì)人員是借助工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參考，但更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖墙Y(jié)合節(jié)點(diǎn)的額定電流消耗使用專(zhuān)門(mén)的軟件計(jì)算，如西門(mén)子公司的Simatic Fieldbus Caculator軟件。通常節(jié)點(diǎn)數(shù)量和線(xiàn)纜長(zhǎng)度可以根據(jù)表1考量設(shè)計(jì)的合理性。

表1 PA網(wǎng)段中分支電路長(zhǎng)度

4 應(yīng)用實(shí)例

國(guó)外某銅鈷尾礦復(fù)墾項(xiàng)目旨在對(duì)銅鈷礦選廠(chǎng)幾十年來(lái)產(chǎn)生的尾礦進(jìn)行資源再回收。該項(xiàng)目采用“攪拌浸出→萃取→電積”濕法冶煉工藝生產(chǎn)陰極銅，產(chǎn)能為105 kt/a；采用“沉淀→壓濾→干燥”工藝生產(chǎn)氫氧化鈷產(chǎn)品，產(chǎn)能為21 kt/a鈷金屬。

該項(xiàng)目全廠(chǎng)控制系統(tǒng)采用西門(mén)子公司PCS7 V8.2，主要由2臺(tái)工程師站Engineering System（簡(jiǎn)稱(chēng)“ES”）、2臺(tái)冗余的Operator System（簡(jiǎn)稱(chēng)“OS”）服務(wù)器、1臺(tái)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、1臺(tái)OSWeb服務(wù)器、9臺(tái)OS客戶(hù)端、12臺(tái)Automation Systems（簡(jiǎn)稱(chēng)“AS”）編號(hào)（AS1～AS13，其中AS9未使用）組成。該廠(chǎng)控制系統(tǒng)采用PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)全廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)儀表接入，其主要設(shè)備型號(hào)、各AS包含的PA網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及儀表設(shè)備分別見(jiàn)表2、表3。

表2 PROFIBUS-PA系統(tǒng)主要設(shè)備型號(hào)

表3 各AS包含的PA網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及儀表設(shè)備統(tǒng)計(jì)

該控制系統(tǒng)自2018年5月投入使用以來(lái)，持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，從未出現(xiàn)任何系統(tǒng)性故障。同時(shí)，該系統(tǒng)儀表維護(hù)較簡(jiǎn)便，儀表工程師僅需在工程師站上通過(guò)PDM軟件即可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行故障診斷、參數(shù)設(shè)置等日常維護(hù)，大大減輕了工作強(qiáng)度，提高了工作效率[3]。

5 結(jié)論

通過(guò)此次P ROFIBUS-PA總線(xiàn)的應(yīng)用可以得到以下結(jié)論和經(jīng)驗(yàn)：1）核算某一控制區(qū)域所需連接的PA儀表數(shù)量，根據(jù)儀表所處區(qū)域是否屬于防爆區(qū)域，選擇DP/PA Coupler類(lèi)型，確定應(yīng)用PA電纜和有源現(xiàn)場(chǎng)分配器的區(qū)域，確定PA主站、DP/PA Link或DP/PA Coupler的數(shù)量。需要注意的是，防爆區(qū)域應(yīng)用的PA網(wǎng)絡(luò)終端電阻需要單獨(dú)配置；非防爆區(qū)域應(yīng)用的終端電阻是集成在有源現(xiàn)場(chǎng)分配器中的，只需根據(jù)需要選擇該電阻是on還是off。2）根據(jù)儀表數(shù)量以及對(duì)DP總線(xiàn)的速率要求，決定采用DP/PA Coupler直連還是由DP/PA Link連接。絕大多數(shù)情況下采用DP/PA Link連接方式。3）根據(jù)儀表安裝位置和技術(shù)要求，確定所采用的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。大多數(shù)的工程應(yīng)用采用主干型網(wǎng)絡(luò)。