Profibus-PA总线技术在水泥厂的应用

张鹏迪，徐自强，张艳梅，艾军

1 引言

Profibus-PA技术作为Profibus总线协议技术在工业控制领域的延伸，得到越来越广泛的应用。在水泥厂现场总线通讯中，PA总线通讯可用来替代4～20mA的模拟技术，将过程控制系统与压力、温度和液位变送器等现场仪表设备相连接，不仅可节省大量的电缆和I/O模块，而且可实现仪表状态、故障、参数等信息的传递，在降低系统及工程成本的同时，增强系统的可维护性。笔者总结了阿联酋某项目PA总线的仪表设计、系统调试等工作中的一些经验，供大家参考。

2 PA仪表总线设计

PA仪表是指采用了Profibus-PA总线的过程仪表。在水泥厂电气设计中，通常采用DP/PA耦合器将总线仪表接入到控制网络中。根据实际需要，耦合器连接若干个分支器，再通过分支器经每条分支线向外分设节点。在工程实践中，每条分支线的长度一般＞1 200m，同时每根PA总线上所连接的PA仪表数量尽量≯20个，超出限制则有可能引起通讯故障。PA仪表一般应用于水泥厂原料磨、窑头、窑尾及煤磨温度、压力等测点较多且集中的车间，其他车间由于测点比较分散，PA电缆敷设长度过长，不适宜采用总线仪表。PA仪表的拓扑结构示例如图1所示。

图1 PA仪表的拓扑结构示例图

3 PA仪表通讯配置

PA仪表可通过DP/PA coupler和DP/PA link两种方式连接到DP总线上。DP/PA coupler在系统组态中是透明的，无需设置，但它会将DP总线速率限制在45.45kbit/s；DP/PA link在系统组态中是非透明的，需要设置DP地址，但它对DP总线的速率没有影响（最快12Mbit/s）。由于本项目800xA系统中的CI854通讯模块在组态中不支持45.45kbit/s总线速率，因此选择了DP/PA link组态方案。

3.1 硬件组态

Profibus-PA网络硬件主要包括Profibus-DP主站通讯模块、DP/PA耦合器、带有终端电阻的仪表分支盒及PA电缆等。在本项目中，DP主站采用800xA系统CBM的CI854通讯模块；DP/PA耦合器采用西门子IM153，一个IM153最多可接5个FDC157，理论上每个IM153最多可连接31个PA仪表。在IM153上设置DP从站地址，通过背板连接器连接到FDC157，FDC157无需设置地址，只需连接PA电缆和设置终端电阻。除PA仪表设备外，该DP总线还可继续加挂其他DP从站设备，本项目中DP总线上还加挂了马达保护器等其他设备。PA仪表选用ABB 2600T系列压力变送器及ABB TTX300系列温度变送器。本项目硬件结构示例如图2所示。

图2 项目硬件结构示例图

3.2 软件组态

在800xA系统中，由于DP/PA link在CBM组态中是不透明的，因此需要将IM153的GSD文件和FDC157下挂接的PA仪表的GSD文件组合成一个新的GSD文件，才能在CBM中正常组态。本项目使用gsd-tool软件进行GSD文件的组合，具体操作步骤如下：

（1）根据各耦合器连接PA仪表的数量，将各PA仪表对应的GSD文件拷贝到与gsdtool.jar相同的目录下。

对于多个同类型PA仪表，为便于区分，可将GSD文件进行修改，例如将温度传感器GSD文件部分 的Module=“Analog Input（AI）”0x42，0x84，0x08，0x05修改为相应的设备位号：Module=“318FA05YT01”0x42，0x84，0x08，0x05。GSD文件的数量应与实际PA仪表数量完全一致，否则会导致CBM无法和所有PA仪表正常通信。在java环境下运行gsd-tool软件，生成新的GSD文件“sip58052.gsd”及与之相对应的文本文档，文本文档中记录了各PA仪表的排列顺序。

另外需注意，在生成新GSD文件过程中，GSD revision选项只能选择“GSD-Revision 4”，否则CBM将无法与PA仪表建立通信。新GSD文件配置结果示例如图3所示。

图3 新GSD配置结果示例图

（2）将新生成的GSD文件导入800xA系统的CBM硬件库中，根据该耦合器在DP总线中所占的位置，插入到相应CI854通讯模块下，并按实际情况选择节点地址。

在“DPsPA-Link（IM153-2）”从站下添加各PA仪表，每个仪表占两个位置，在“Begin of Device_xxxx”中设置该仪表的PA地址，在“==设备位号_xxxx”中获取实际温度、压力或流量值。操作中需特别注意，CBM中组态PA仪表的放置顺序应与GSD文件中各仪表的排列顺序完全相反，且各PA仪表的“Station address”需按从小到大的顺序排列，顺序错误会造成整个从站通信错误。通讯连接后，根据需要进行GSD数据整合或拆分，最后将读数反映到上位画面中。CBM硬件配置示例如图4所示。

图4 CBM硬件配置示例图

4 PA总线干扰处理

在项目调试期间，多次出现通讯故障、通讯不稳定或仪表读数显示坏值等现象，经调试分析和现场检查，发现了以下几个方面的问题：

（1）现场PA总线仪表是二线制仪表，PA电缆既对总线仪表进行供电，又需进行总线仪表的信号传输，PA总线极易受到诸如变频器的高次谐波、高压电机启动后高压电缆的感应电压等外界干扰，从而造成通讯故障或仪表超量程，DCS系统显示坏值。因此，在PA电缆敷设过程中，应尽量将其与动力电缆分开敷设，必要时可以在PA总线外穿钢管，以屏蔽电缆之间的干扰。

（2）PA电缆屏蔽层需单端接地，一般的PA电缆屏蔽层在PLC柜统一接地，仪表端屏蔽层用绝缘胶带包裹，避免连接电气仪表设备的电缆两端电位不等产生感应电流。现场总线分线盒内的终端电阻，除了最后一个处在“ON”位置，前边节点均应处在“OFF”位置。

（3）每条PA总线的长度及分支PA仪表的数量对通讯质量也有相当大的影响，设计时应充分考虑仪表的位置分布。位置集中的仪表尽量设在一条总线上，位置距离主控制器较远的仪表，可考虑减少该分支仪表数量。

5 结语

目前该生产线PA仪表总线已正常运行半年多，各测量参数能够准确稳定反应现场实际情况。通过调试期间对PA总线仪表通讯故障分析表明，PA总线仪表设计时需考虑PA电缆长度、连接仪表数量等因素；系统硬件组态须与现场实际的硬件结构相一致，遵循仪表地址配置规则；现场施工应充分考虑电磁干扰及屏蔽层接线等影响。出现通讯故障时，需结合仪表本身的特点，综合分析判断故障原因，找出解决故障的合理方法。