Profibus-PA总线在工程应用中的探究

任振寰

(北京美信东方工程技术有限公司，北京 100028)



Profibus-PA总线在工程应用中的探究

任振寰

(北京美信东方工程技术有限公司，北京 100028)

摘要：Profibus-PA总线凭借全数字化传输、先进的自诊断功能、多控制设备构成网段、安装费用低等诸多优势，被广泛应用于过程控制。阐述了Profibus-PA总线网络构架的搭建过程；详细介绍了拓扑结构、关键组件及相关工程要素的构成，PA网段采用冗余配置以提高安全性，对现场总线在工程设计中的应用起到一定借鉴作用。

关键词：Profibus现场总线耦合器DP/PA连接器

现场总线在IEC 61158中的定义： 安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式的、双向的、多点通信的数字总线。Profibus-PA总线(以下简称PA总线)作为现场总线中的一种，目前已广泛应用于制造业、流程工业、物流管理、楼宇自动化等众多领域。PA总线在车间进行的计划编制、安装、测试和操作阶段中，具有很大优势。PA总线专为过程控制应用而设计，过程控制的主要特点： 以模拟量控制为主，各种控制参数与报警参数较多，系统安全要求较高。另外，PA总线引入了现场总线本质安全概念(FISCO)，使用总线供电方式，使其可以方便地应用于存在爆炸危险的场合。PA总线规定了现场总线设备最小供电电压为9V，现场设备最小电流消耗为10mA，通过对10mA电流在±9mA范围内进行适当调制的信号进行数据传输。由于PA总线的协议结构完全对外开放，应用PA总线的设备总数每年都成倍增长。

1Profibus-PA总线的优势

1.1大幅节省材料和工程量

现场总线的优势之一是可以最大程度地化繁为简。区别于传统的接线箱干线电缆，动辄10对甚至更多的电缆，总线接线箱的1根电缆就完成了供电和信号传递的双重功能。单对的总线主干电缆无疑会大幅减少接线的工作量，同时缩减桥架的尺寸，节省空间。

1.2先进的自诊断功能

变送器强大的自诊断功能使其能及时发现自身的错误，并通过PA总线提供的信息说明所读数据是超出测量范围的数值。随着信息的继续传递，这种在线自诊断会持续深入了解变送器的情况，并通过PA总线传输使操作人员了解到更多变送器出错的具体信息。同时参与诊断的还有上位机的产品数据管理(PDM)系统，它可以提供更详细的信息，并根据故障状况采取必要的校正措施。传统的4～20mA信号的变送器，信号输出大于20mA和小于4mA时，只会知道变送器出现故障，但没有任何数据，当然也无法获知具体的错误类型，因而必须对该设备进行检查以发现问题所在，对错误的校正也将产生相应的延迟。

1.3减少潜在的设备数量

从投资者的角度考虑，如果在保证功能不变的前提下，能够减少设备数量，不仅意味着固定资产投资的节省，还将减少安装施工的工程量以及后期操作维护的成本。例如： 对于传统仪表，4～20mA只能承载1个变量。以涡街流量计为例，对于饱和蒸汽的测量，为保证精度，需要进行温度补偿，这就需要在流量计之外再加装1台温度变送器。当然也可以选择内藏温度元件的涡街流量计，但不论采用上述哪种方式，即使不考虑施工工程量的差异，控制系统所需的点数及电缆也都是可以预知的成本增加。而此时如果采用PA总线形式，则可以将流量以及温度的相关信息同时通过数字总线送至控制系统，而不附加任何其他设备。

1.4精度的有效提升

PLC/DCS接收和处理的是数字信号，而仪表检测到的则是模拟信号，在二者之间会涉及模数/数模转换。对于PA总线传输，无疑减少了过程中不必要的精度损失。此外，PA总线仪表的32位分辨率带来更快的信号转换、更小的漂移，同时无需制订量程。

2Profibus-PA总线构架的搭建

PA总线的一个基本特征是很容易集成到Profibus-DP总线(以下简称DP总线)中，从而在现场构成一个完整的总线网络结构。PA总线既可以通过连接器也可以通过耦合器连接到系统中，而PA接口采用的是符合IEC 61158-2传输技术的现场总线接口。

2.1PA总线的拓扑结构

PA总线的拓扑结构有树型结构、线型结构及二者结合在一起的复合结构。

1) 树型结构是典型的现场安装技术，用双芯电缆代替多芯电缆。现场分配器负责连接现场设备与主干总线。采用树型结构，所有连接在现场总线上的设备通过现场分配器进行并行切换。

2) 线型结构提供了与供电电路安装类似的沿现场电缆的连接点，现场总线电缆可通过所连接的现场设备组成回路，除主干线外的分支线也可用于连接一个或多个现场设备。每单位电缆长度上允许连接的现场设备数量以及从总线到分支的电缆长度有其相应要求。

3) 复合结构即为树型结构和线型结构的组合，将会优化使用现场总线的长度，但该结构会导致现场总线站间信号存在一定阻尼，并会由于总线电缆上站点过于集中出现信号失真的隐患。

由于现场总线上可连接的设备数量取决于供电电压、现场设备的耗电量以及现场总线的长度，因而有时需要加装中继器来保证现场总线上各个设备的正常工作。

2.2Profibus网络结构中的关键组件

上文所述的耦合器实际上就是一个信号转换器，它把RS-485信号调制成曼彻斯特码信号电平，从而完成DP总线到PA总线，PA总线到DP总线的有效转换，与此同时，传输速率也从45.45Kbit/s转换为31.25Kbit/s(PA总线的传输速率固定在31.25Kbit/s，而耦合器同时也将DP总线的传输速率限制在最高45.45Kbit/s)。DP/PA信号耦合器在设计、组态中可认为是透明的，即其本身不作为从站，但其下面的仪表都将作为DP从站存在(最多可达123个)。

此外，还有一种应用更为广泛的通信设备即连接器，每台连接器最多可以与5个耦合器配合使用，从而完成从DP总线到PA总线，PA总线到DP总线的转换过程。连接器可以通过其内部的智能附件把PA总线网段所挂的所有现场设备连同它本身映射为DP总线网段上的唯一从站，即一个连接器及其挂接的所有现场设备只作为DP总线中的一个从站。这样的网络结构带来的最直观优势就是可挂接现场设备的数量大幅增加，理论上PA总线可挂接的仪表台件极限数为10×123×64=78 720台，方案如图1所示。因而连接器加耦合器的方案在实际应用中更受青睐。除了上述直观的优势，该方案还能提升网络速度，如前所述耦合器直连在DP总线网络上，其速度最高为45.45Kbit/s(西门子耦合器)，但加装连接器后DP总线网络的速度最高可以达到12Mbit/s。

图1　PA总线理论上可挂接仪表件数方案示意

2.3实际工程中需要考虑的因素

需要指出的是，上述的PA仪表数量只是理论值，实际上一个连接器挂接的设备数还受到以下因素的影响。

1) 字节数的限制。最多为244Byte，通常对于1台温度、压力、液位仪表的模拟量信号将占用5Byte，而1台阀门或1台流量计的信号则占用10Byte，1个开关量的信号则占用为2Byte。

2) 网段电流限制。关键在于耦合器所提供的电流必须大于网段总电流，具体如下式所示：

(1)

式中：ISEG——网段总电流，mA；IBNn——设备工作电流，mA；IFDE——故障状态引发电流，mA；IS——耦合器供电电流，mA；m——网段中设备总量。

3) 最小电压限制。对末端设备端电压的最小要求如下式所示：

UBN=US-ISEGR′LGES

(2)

式中： UBN——末端设备端电压，V，UBN>9.0V；US——耦合器供电电压，V；R′——单位长度电阻，Ω/m；LGES——电缆总长度，m。

4) 电缆长度。在PA总线网段中，分支线路的长度随分支电路数目的不同而不同，另外与是否在本质安全场合使用也有很大关系。PA总线网段中分支电路长度的规定见表1所列。

对于现场总线本安防爆的FISCO应用模型，应遵循以下原则： 本安现场总线上最多挂接12台符合FISCO认证的现场仪表;每台现场仪表的耗电不小于10mA;电缆长度总和不超过1km,每根分支电缆长度最长为30m。

表1PA网段中分支电路长度的规定

分支线路的数量/个非本质安全要求安装时最大分支线路长度/m本质安全要求安装时最大分支线路长度/m25~32 1119~24303015~18603013~1490301~1212030

对于增安型防爆的主干线,本安型防爆的现场仪表： 利用兼备隔离栅和接线盒功能的现场安全栅构成现场总线网络的方法; 现场安全栅通常为增安型和浇封型防爆,可安装在危险区Zone 1,内含隔离栅为EExia IIC。主干线电缆的长度和分支电缆的长度只受现场总线协议的约束(A类电缆总长为1.9km,分支线路的长度见表1所列),不受FISCO规定的电缆长度总和应不超过1km，每分支线路的长度应不超过30m。

需要说明的是，上述电缆总长为A类电缆总长，B/C/D类电缆分别对应的长度为1200，400，200m。关于A/B/C/D 4种电缆类型，在EN 61158-2第11.7.2节中有相应的规定，此处不再赘述。

3PA网段的冗余

在工程设计中对于重要的回路往往会采取冗余措施，通常是通过冗余卡件的形式实现。PA总线网段的冗余配置模型如图2所示。

图2　PA总线网段的可冗余配置模型示意

由图2所示的冗余配置模型可知，一旦干线短路或断路，接线盒上的终端电阻将自行打开，从而使故障点的两侧分别在1个耦合器下独立工作而不受断路的影响。虽然冗余模型指出的是冗余耦合器，而事实上冗余耦合器是可以配合连接器使用的，但要注意1个连接器只能带1对冗余耦合器，且这对耦合器的物理位置只能放置在其他耦合器之后。上述是PA总线中的全冗余模式，也是较为稳妥，但成本较高的配置。

此外还有一种电源冗余的方式，该冗余只能保证单个耦合器出现问题时不影响后续工作。

4结束语

Profibus-PA总线在过程控制领域具有很高优越性，基于PA总线的仪表及控制系统的高性能，将给工业自动化带来了更多更大的变化。工程技术人员应努力提高国内PA总线的工程应用水平，提高PA总线产品研发技术水平，促进PA总线技术在国内的广泛应用和总体水平提升。

参考文献：

[1]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(07)： 45-48.

[2]李远澄，路鹏．现场总线在某电厂水处理的应用[J]．电力学报，2008(05)： 61-64.

[3]叶彬强.Profibus-PA现场总线技术研究和应用[J]．石油化工自动化，2005，41(05)： 64-67.

[4]赵少龙，李文沧，胡振静．Profibus-PA在华能邯峰电厂脱硫系统中的应用[J].中国仪器仪表，2013(11)： 41-44.

[5]吴朋，陈学军．Profibus-PA现场总线技术及其应用[C]//全国石油和化学工业仪表及自动化技术交流研讨会，2007.

[6]蔡向前．Profibus-PA： 过程自动化现场总线及其应用技术[J]．水泥工程，2003(03)： 67-69.

[7]文莉辉．现场总线Profibus-PA从站技术研究及远程I/O开发[D]．北京： 北京化工大学， 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

中图分类号：TP273+.5

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)06-0014-03

作者简介：任振寰(1979—)，男，毕业于北京化工大学测控技术与仪器专业，现工作于北京美信东方工程技术有限公司，主要从事石油化工等相关行业的自控和仪表设计工作，任工程师。

稿件收到日期： 2015-09-05。