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现场总线技术在工程设计中的应用

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[摘要]Profibus-PA以ProfibusDP为基础,增加了PA总线应用行规以及相应的传输技术,使现场总线Profibus能够满足各种过程工业对控制的要求。与传统信号输出方式相比较,Profibus-PA现场总线具有较高的性能价格比、可靠的数据传输、快速的数据响应以及强大的抗干扰能力。结合工程设计实例,探讨了在工程设计中使用Profibus-PA现场总线需注意的事项和基本设计原则。

[关键词]Profibus-PA;现场总线;网络链路设计;数据传输

传统的4~20mA输出仪表通过变送器把物理量转换为稳定输出的电流信号,通过电缆传输到PLC或DCS的I/O通道;通过在4~20mA电流上叠加Hart信号还能为控制室的操作员提供仪表诊断信息。它的局限性在于每一个变送器输出回路的4~20mA电流必须用独自的2芯信号电缆传输,随着信号输出回路的增加,信号电缆的芯数也随之增加。Hart信号的原理是在低频的4~20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯,数据传输率仅为1.2kbps。随着现代信息化、数字化工厂的过程自动化设计越来越复杂,庞大数量的传统仪表势必带来巨大的电缆安装敷设工作量,仪表维护也会更加困难。因此,在综合考虑安装、维护成本的情况下,使用物理连接更简便、传递速率更高的信号采集方式势必成为趋势。

1现场总线

现场总线是应用在过程控制场合实现双向串行多节点数字通讯的系统,也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。由于传统的模拟信号的传递需要一对一的物理连接,信号变化缓慢,提高计算速度与精度的开销难度较大,信号传输的抗干扰能力也较差,人们开始寻求用数字信号取代模拟信号,于是出现了数字直接控制。新型的现场总线控制系统把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案,可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备通过现场总线网络组成系统,实现自动化的各种综合功能。

2Profibus-PA在种类繁多的现场

总线协议中,Profibus-PA(ProcessAutomation)是专门用于自动化控制系统和现场仪表、执行器之间的串行通讯系统。它以符合国际标准的ProfibusDP为基础,增加了PA总线应用行规以及相应的传输技术,使现场总线Profibus能够满足各种过程工业对控制的要求。Profibus-PA专为过程控制应用程序而设计,它取代了过程控制中传统的4~20mA标准信号,传统信号路径与Prpfibus-PA信号传输路径的比对如图1所示。由于Profibus-PA是Profibus-DP的延伸和扩展,所以Profibus-PA的通信协议也称为DP-V1,通过信号耦合器,Profibus-PA(DP-V1)和Profibus-DP(DP-V0)可以同时存在于一个系统中。物理传输使用MBP方式(IEC61158-2),使用两线制技术实现远程供电和通信(防爆、非防爆),并且集成了极性反接保护功能,其固定的波特率为31.25kBit/s[1]。

3工程应用优势

Profibus-PA通过建立生产过程领域的基本控制设备(即现场级设备)之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备(即车间级设备)之间的联系。与传统的PLC点对点的控制方法相比,现场总线控制系统具有如下优势:1)Profibus-PA具有较高的性能价格比。伴随导线数量的减少,接线端子、电缆桥架等附件减少,降低设计、安装、调试、维护的费用,缩短了维护和改造的停工时间。原来繁琐的原理图、布线图设计变得简单易行,标准接插件快速、简便的安装,使人力、物力大量的减少,强大的故障诊断能力,使系统的调试和维护变得轻松和愉快[3]。2)Profibus-PA具有可靠的数据传输、快速的数据响应功能,以及强大的抗干扰能力。Profibus-PA通讯协议在通讯介质、信息检验、信息纠错、重复地址检测等方面都有严格的规定,从而确保总线通讯快速响应、稳定可靠的运行。它能够自动诊断、显示故障位置,诊断包括总线节点的通讯故障、电源故障,以及现场装置和连接件的断路、短路故障,从而迅速地发现系统的各种故障位置和状态。采用数字信号通讯,有效提高系统的测量和控制精度。各种开关量、模拟量信号就近转变为数字信号,避免了信号的衰减和变形。许多总线节点具有IP67的防护等级,具有防水、防尘、抗振动的特性,可以直接安装在工业设备上,大大减少了现场接线箱的数量。

4Profibus-PA在工程设计中的应用

4.1网络链路的组成

典型的Profibus-PA网络链路硬件包括:1)低能耗的现场设备。主要包括压力变送器、温度变送器、阀门定位器等可以通过二线制供电的终端;如果是电磁流量计等功率更大的设备,除总线信号回路外,还需要设计额外的电源回路。2)耦合器。耦合器安装在控制系统机柜内,用于转换DP和PA的信号。通常,1个耦合器下的PA节点属于1个网段,IEC61158-2指出:1个仪表总线网段上最多可连接32台现场设备,由于现场安装、施工中存在的种种问题,实际应用中连接约28台设备。连接仪表的具体数量由不同厂家生产的总线仪表的耗电量决定。PA总线通过使用耦合器可连到电气的或使用光纤传输的DP总线系统中,大大扩展了总线系统的覆盖范围。3)总线分配器。通过分配器将现场设备以主干线—分支的拓扑结构连接到系统,分配器具有四通道和八通道两种选型。分配器仪表安装在现场仪表附近,以缩短分支总线电缆的长度。一般的总线分配器内置自动总线终端,可以通过LED状态指示能快速诊断主线、支线的短路状态;有些型号还具有电流限制的功能,可任意分支通道出现大电流时自动隔离故障分支,以防止其影响整个网段的工作。

4.2Profibus-PA电缆

选择不同的电缆所允许的网段长度不同,在危险场合使用时,网络长度则较短。在通常的工程设计应用中,A类电缆使用较广泛。

4.3常用的网络链路设计

每个网段最多32个设备(EEx-iaIIC应用最多10个设备);电缆最长1900m(EEx应用最长1000m)。常用的网络链路设计有树形、线类、树形+线类、线类+树类+继电器。

4.4屏蔽与接地

与其他的信号传输方式一样,Profibus-PA网络中的屏蔽和接地非常重要。在理想情况下,电缆的屏蔽层要和设备的金属保护外壳或外罩可靠地连接在一起,它们之间的连接,以及网段之间电缆屏蔽层的连接都必须保证是低阻抗连接。通常的做法是:主干线的屏蔽层在系统侧接到PLC/DCS的工作接地排,现场侧接到总线分配器(接线盒)的工作接地接线柱上(有的是通过格兰头与外壳导通);接线盒如果是金属外壳则应配有接地螺栓,接地螺栓在现场做保护接地。支线电缆的屏蔽层在总线分配器侧接到工作接地的接线柱上,现场侧与现场设备内的接地排连接。现场设备通过设备、管道、结构可靠接地。

5Profibus-PA网络设计

计算Profibus-PA网络设计过程包括:选择网络电缆、耦合器、分配接线盒(JB),计算网段总消耗电流、每个总线设备或装置的供电电压,其原则是网段总消耗电流要小于耦合器所能提供的额定电流,每个设备上的供电电压要大于设备正常工作所要求的额定值。

5.1电流计算网段的总消耗

电流的计算方法如下:首先测定每个设备从PA电缆上消耗的基本电流(该电流可从设备的基本参数中获得);再测定有关设备可能的最大故障电流,总的消耗电流等于所有设备的基本电流总和加上最大故障电流。

5.2电压计算设备

供电电压的计算方法是运用欧姆定律推算出每段电缆上的电压降,求出网段上每个配线盒处的电压,用耦合器的供电电压减去相应的电压降即可求得加在该设备上的供电电压。一般的PA现场总线设备的额定电压值是9V,只要在网段上最远端的设备上的供电电压大于额定电压值,该网段设计的供电电压可行。

5.3计算工具

西门子公司的SIMATICFIELDBUSCACULATOR可以比较直观地通过输入耦合器下网段Profibus-PA总线有源分配器的型号、通道数量、电缆长度、仪表消耗电流得出整个网段的电压、电流结果,可免去了人工计算。

6结束语

Prfibus-PA现场总线技术具备现场总线的数字化、信息化的技术特征,区别于Profibus-DP,Moudbus、工业以太网等面向设备通信的协议,其数据链路,规约更符合现场仪表的应用需求;Profibus-PA在各大知名仪表生产商的产品线中普及度高,基本上各品牌、各产品门类都有支持Profibus-PA总线通讯的变送器或通信模块,使得工程设计者在设计阶段有足够的时间和空间考量项目上的通信布局,结合专业的计算软件,很多现场施工安装问题能够在设计的过程中得到解决、规避。随着技术的不断革新,就像模拟向数字转变一样,现场总线也不再局限于数据通信的技术范畴。各种控制功能块,控制网格的网络管理、系统管理内容的不断扩充,将使现场总线逐渐成为网络系统与自动化系统的结合体,形成先进的控制网络技术。

参考文献

[1]惠敦炎.Profibus-PA网络概述[J].测控技术,2001,20(3):8-14.

[2]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999.

[3]徐春玲,凌志浩.本安现场总线系统Profibus-PA及其应用[J].自动化仪表,2006,27(7):42-45.

作者:黄仍杰 单位:中国瑞林工程技术有限公司

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