Profibus-PA總線技術在水泥廠的應用

張鵬迪，徐自強，張艷梅，艾軍

1 引言

Profibus-PA技術作為Profibus總線協議技術在工業控制領域的延伸，得到越來越廣泛的應用。在水泥廠現場總線通訊中，PA總線通訊可用來替代4～20mA的模擬技術，將過程控制系統與壓力、溫度和液位變送器等現場儀表設備相連接，不僅可節省大量的電纜和I/O模塊，而且可實現儀表狀態、故障、參數等信息的傳遞，在降低系統及工程成本的同時，增強系統的可維護性。筆者總結了阿聯酋某項目PA總線的儀表設計、系統調試等工作中的一些經驗，供大家參考。

2 PA儀表總線設計

PA儀表是指采用了Profibus-PA總線的過程儀表。在水泥廠電氣設計中，通常采用DP/PA耦合器將總線儀表接入到控制網絡中。根據實際需要，耦合器連接若干個分支器，再通過分支器經每條分支線向外分設節點。在工程實踐中，每條分支線的長度一般＞1 200m，同時每根PA總線上所連接的PA儀表數量盡量≯20個，超出限制則有可能引起通訊故障。PA儀表一般應用于水泥廠原料磨、窯頭、窯尾及煤磨溫度、壓力等測點較多且集中的車間，其他車間由于測點比較分散，PA電纜敷設長度過長，不適宜采用總線儀表。PA儀表的拓撲結構示例如圖1所示。

圖1 PA儀表的拓撲結構示例圖

3 PA儀表通訊配置

PA儀表可通過DP/PA coupler和DP/PA link兩種方式連接到DP總線上。DP/PA coupler在系統組態中是透明的，無需設置，但它會將DP總線速率限制在45.45kbit/s；DP/PA link在系統組態中是非透明的，需要設置DP地址，但它對DP總線的速率沒有影響（最快12Mbit/s）。由于本項目800xA系統中的CI854通訊模塊在組態中不支持45.45kbit/s總線速率，因此選擇了DP/PA link組態方案。

3.1 硬件組態

Profibus-PA網絡硬件主要包括Profibus-DP主站通訊模塊、DP/PA耦合器、帶有終端電阻的儀表分支盒及PA電纜等。在本項目中，DP主站采用800xA系統CBM的CI854通訊模塊；DP/PA耦合器采用西門子IM153，一個IM153最多可接5個FDC157，理論上每個IM153最多可連接31個PA儀表。在IM153上設置DP從站地址，通過背板連接器連接到FDC157，FDC157無需設置地址，只需連接PA電纜和設置終端電阻。除PA儀表設備外，該DP總線還可繼續加掛其他DP從站設備，本項目中DP總線上還加掛了馬達保護器等其他設備。PA儀表選用ABB 2600T系列壓力變送器及ABB TTX300系列溫度變送器。本項目硬件結構示例如圖2所示。

圖2 項目硬件結構示例圖

3.2 軟件組態

在800xA系統中，由于DP/PA link在CBM組態中是不透明的，因此需要將IM153的GSD文件和FDC157下掛接的PA儀表的GSD文件組合成一個新的GSD文件，才能在CBM中正常組態。本項目使用gsd-tool軟件進行GSD文件的組合，具體操作步驟如下：

（1）根據各耦合器連接PA儀表的數量，將各PA儀表對應的GSD文件拷貝到與gsdtool.jar相同的目錄下。

對于多個同類型PA儀表，為便于區分，可將GSD文件進行修改，例如將溫度傳感器GSD文件部分 的Module=“Analog Input（AI）”0x42，0x84，0x08，0x05修改為相應的設備位號：Module=“318FA05YT01”0x42，0x84，0x08，0x05。GSD文件的數量應與實際PA儀表數量完全一致，否則會導致CBM無法和所有PA儀表正常通信。在java環境下運行gsd-tool軟件，生成新的GSD文件“sip58052.gsd”及與之相對應的文本文檔，文本文檔中記錄了各PA儀表的排列順序。

另外需注意，在生成新GSD文件過程中，GSD revision選項只能選擇“GSD-Revision 4”，否則CBM將無法與PA儀表建立通信。新GSD文件配置結果示例如圖3所示。

圖3 新GSD配置結果示例圖

（2）將新生成的GSD文件導入800xA系統的CBM硬件庫中，根據該耦合器在DP總線中所占的位置，插入到相應CI854通訊模塊下，并按實際情況選擇節點地址。

在“DPsPA-Link（IM153-2）”從站下添加各PA儀表，每個儀表占兩個位置，在“Begin of Device_xxxx”中設置該儀表的PA地址，在“==設備位號_xxxx”中獲取實際溫度、壓力或流量值。操作中需特別注意，CBM中組態PA儀表的放置順序應與GSD文件中各儀表的排列順序完全相反，且各PA儀表的“Station address”需按從小到大的順序排列，順序錯誤會造成整個從站通信錯誤。通訊連接后，根據需要進行GSD數據整合或拆分，最后將讀數反映到上位畫面中。CBM硬件配置示例如圖4所示。

圖4 CBM硬件配置示例圖

4 PA總線干擾處理

在項目調試期間，多次出現通訊故障、通訊不穩定或儀表讀數顯示壞值等現象，經調試分析和現場檢查，發現了以下幾個方面的問題：

（1）現場PA總線儀表是二線制儀表，PA電纜既對總線儀表進行供電，又需進行總線儀表的信號傳輸，PA總線極易受到諸如變頻器的高次諧波、高壓電機啟動后高壓電纜的感應電壓等外界干擾，從而造成通訊故障或儀表超量程，DCS系統顯示壞值。因此，在PA電纜敷設過程中，應盡量將其與動力電纜分開敷設，必要時可以在PA總線外穿鋼管，以屏蔽電纜之間的干擾。

（2）PA電纜屏蔽層需單端接地，一般的PA電纜屏蔽層在PLC柜統一接地，儀表端屏蔽層用絕緣膠帶包裹，避免連接電氣儀表設備的電纜兩端電位不等產生感應電流。現場總線分線盒內的終端電阻，除了最后一個處在“ON”位置，前邊節點均應處在“OFF”位置。

（3）每條PA總線的長度及分支PA儀表的數量對通訊質量也有相當大的影響，設計時應充分考慮儀表的位置分布。位置集中的儀表盡量設在一條總線上，位置距離主控制器較遠的儀表，可考慮減少該分支儀表數量。

5 結語

目前該生產線PA儀表總線已正常運行半年多，各測量參數能夠準確穩定反應現場實際情況。通過調試期間對PA總線儀表通訊故障分析表明，PA總線儀表設計時需考慮PA電纜長度、連接儀表數量等因素；系統硬件組態須與現場實際的硬件結構相一致，遵循儀表地址配置規則；現場施工應充分考慮電磁干擾及屏蔽層接線等影響。出現通訊故障時，需結合儀表本身的特點，綜合分析判斷故障原因，找出解決故障的合理方法。