PROFIBUS PA总线在水泥厂的应用

栗　克　康洪超　张立光

1河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002） 2中材建设有限公司（100176）

PROFIBUS PA总线在水泥厂的应用

栗克1康洪超1张立光2

1河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002） 2中材建设有限公司（100176）

这里主要介绍了Profibus PA在水泥厂的自动化系统中的实际应用以及根据实例进行的系统配置。

PA总线；耦合器；连接器；水泥厂

1　PA简介

由Profibus PA、Profibus DP和Profibus FMS共同构成了过程现场总线系统，它作为国际标准在自动化领域占有重要地位。Profibus PA采用IEC1158-2、MBP-IS标准，通过曼切斯特编码在一条电缆上同时为仪表供电和传输数字化信号，不仅可用于一般工业生产环境，也可用于有着本安防护要求的爆炸等危险环境中。PA的数据传输使用扩展后的DP通讯协议，系统的兼容性和开放性得到保证，可以很好地整合到DP通讯网络中。目前，在水泥厂自动化系统中通常使用耦合器或连接器与Profibus DP系统连接，共同构成了水泥厂的自动化系统。

2　基本配置方案

Profibus PA基本配置方案有耦合器（DP/PA coupler）连接方案和连接器（DP/PA link）连接方案两种。耦合器是Profibus DP和Profibus PA之间的物理连接器，其特点是：所有的PA设备只占用前一段总线的DP地址，每个耦合器的最大连接PA设备数量不超过31台，而且把DP通讯速率限制到45.45 kbit/s，不可以与冗余系统连接和配置PA冗余。此种配置方案投资小，适用于仪表数量不多、数据通讯量小、总线循环时间要求低的情况。

连接器的特点是：连接器仅仅占用一个DP地址，连接器下面的仪表不占用任何DP地址，仅使用PA内部地址。每个连接器的最大连接PA设备不超过64台，通讯速率可调，最大能达到12 Mbit/s，可以配置冗余系统和PA冗余。此种方式投资较大，适用于仪表数量多、数据通讯量大、总线循环时间要求高的情况［1］。

3　应用实例

下面以某水泥厂窑头配电室Profibus PA总线应用为例，详细描述有关Profibus PA的硬件配置过程。在配置硬件初期要结合项目特点选择合适的配置方案，一般要综合考虑以下几点：1）硬件成本；2）仪表数量及分布；3）防爆区域划分；4）系统要求的通讯速率；5）通讯系统是否冗余。

本项目窑头配电室控制范围包括窑头篦冷机、熟料输送车间和重油燃料车间。需要通讯的设备有三类：第一类包含窑头MCC配电柜、变频柜、篦冷机控制柜及其他具有通讯功能的控制柜；第二类包括窑头温度、压力仪表及熟料库料位计仪表；第三类包括重油燃料、车间的温度、压力等仪表。第一类设备一般布置在窑头配电室，要求通讯速率较高，系统要求可靠性高，这类设备通常设置为DP通讯；第二类设备处于一般工业场所，其IP等级和通讯速率没有第一类设备高，仪表相对集中可以设置为PA通讯；根据《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》规定，重油燃料车间电气设备的防爆级别和组别应不低于ⅡA级T3组［2］。综合以上设备特点，窑头配电室的仪表可以划分为三个区域：一是篦冷机附近的温度、压力测点；二是熟料车间的料位测点；三是重油燃料车间的温度、压力测点。考虑到成本因素，篦冷机附近的仪表和熟料车间的仪表可以合并在同一个PA网段，重油燃料车间的仪表可放在另外一个网段。由于设备相对集中，所有的耦合器设置在窑头配电室内，对于重油燃料车间的耦合器可以选择非本安型，这样既能满足通讯距离要求，也可以降低系统造价。整个自动化系统配置如图1所示。

图1　窑头配电室自动化的系统配置

窑头篦冷机和熟料车间选择普通的有源现场分配器（AFD），处于重油燃料车间的有源现场分配器应选用防爆类型的（AFDiS）。窑头配电室所控制的车间采用Profibus PA树形拓扑结构，车间仪表通过有源现场分配器 （AFD）连接到主干总线，PA主干线通过连接器连接到DP网络上，这样一个连接器只占用一个DP地址，连接器下可以挂多个耦合器。有源现场分配器通过支线将 Profibus PA分配给PA现场设备。它的作用有以下4点：1）连接现场Profibus PA设备；

2）自动总线终端；

3）Profibus PA总线故障段的隔离和故障排除后的连接；

4）扩展Profibus PA总线段。

其中要说明的是一个Profibus PA网段上最多能扩展到8个4接口的AFD，即一个PA网段上最多连接31个PA仪表，AFD的最大分支电缆长度可以达到120 m（分支数量不超过12个）。由于熟料车间料位测点和篦冷机区域的仪表没有超过31个，而且这两个区域也处于非防爆区域，最长的通讯距离不超过1900 m，故可合并在同一个PA网段。重油燃料车间的PA仪表划分在同一个网段，有源现场分配器用本安型的（AFDiS），故窑头共有2个PA网段，这样便于分区管理和节省投资。

4　系统配置

由于采用DP/PA link加DP/PA coupler方案，此时连接器占用一个DP地址，耦合器不占用地址，所有仪表作为连接器的从属单独编址，地址为PA地址。此时整个网络的通讯速率可调。硬件配置如下。

非防爆区：

连接器6ES7 153-2BA70-0XB0

耦合器6ES7 157-0AC85-0XA0

AFD 6ES7157-0AG81-0XA0

PA电缆6XV1 830-5FH10

分接头6GK1 905-0AA00

终端电阻6GK1 905-0AE00

标准导轨6ES7 390-1AB60-0AA0

防爆区：

连接器6ES7 153-2BA70-0XB0

耦合器6ES7 157-0AC85-0XA0

AFDiS：

PA电缆6XV1 830-5EH10

分接头6GK1 905-0AA00

终端电阻6GK1 905-0AE00

标准导轨6ES7 390-1AB60-0AA0

5　结论

在设计时要根据项目的实际情况考虑不同的配置方案，要考虑的因素有：仪表所在的环境、通讯距离、仪表数量、冗余性、通讯速率以及系统的兼容性，做到对于不同的情况选择不用的硬件配置，既满足设计要求又节约投资。

［1］PROFIBUS-PA，应用技术手册［M］.

［2］爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范［S］.