PROFIBUS-PA总线技术在工程项目中的应用

刘振民

(江西瑞林电气自动化有限公司，江西南昌330038)

PROFIBUS-PA是专为过程自动化设计的现场总线协议，其在标准的PROFIBUSDP现场总线协议的基础上增加了PA总线应用行规以及相应的传输技术[1-2]。物理传输使用MBP方式(IEC 61158-2)，在1根双线电缆上同时实现了传输数据和供电功能，固定的波特率为31.25 kbit/s，适合将工业现场环境(包括Ex Zone1或Ex Zone0)中的设备(传感器、执行器)集成到过程控制系统中。

1 PROFIBUS-PA总线系统基本组成

PROFIBUS-PA总线是以PROFIBUS DP总线为基础的一种扩展。PA总线系统基本组成包括DP主站、DP/PA Link(DP/PA Coupler)、连接用的DP和PA电缆、有源现场分配器、现场仪表。DP/PA Link在结构上是连接DP和PA两种网络的网关。其系统基本组成如图1所示。

图1 主干型网络

图1 PROFIBUS-PA系统基本组成

在实际工程应用时，PA总线有DP/PA Link、直接DP/PA Coupler 2种连接方式:1）DP/PA Link由1个或2个IM153-2接口模块以及相互连接的1～5个DP/PA Coupler组成。接口模块将DP/PA Link连接到PROFIBUS DP主站。如果需要连接冗余的PROFIBUSDP主站，如冗余的AS控制器，则需在DP/PA Link中安装2个接口模块。2）DP/PA C oupler也可以直接连接到PROFIBUSDP主站。这时需要将PROFIBUSDP网络的通信速率设置为45.45 kbuad。但这种方式因为需要降低DP网络的通信速率从而影响到其他DP站的通信，所以很少使用。

2 PROFIBUS-PA总线网络拓扑结构

目前，常见的网络拓扑结构为主干型网络和冗余环形两种。1）主干型网络，是将有源现场分配器串联形成主干网，现场仪表就近接入有源现场分配器,见图2。2）冗余环形。当采用普通型DP/PA Coupler且是其DP/PA Link中最后两个DP/PA Coupler时，两个DP/PA Coupler构成冗余，此时可同时将有源现场分配器环形接入，现场仪表就近接入有源现场分配器见图3。

图2 冗余环形

3 PA总线配置要点

3.1 DP主站连接最大从站数

依照PROFIBUS DP通信协议的规则，1个PROFIBUSDP网络上最多有128个站节点，站节点地址为0～127，包括主站、从站、中继器。其中，有些地址因特殊用途或习惯性用途而不再作为常规地址分配给从站，例如地址0是PG的地址，地址1～2是主站的地址，126为多数设备出厂时的默认地址，127是协议规定的广播地址。因此，在实际工程应用中，1个PROFIBUSDP网络上从站最多为123个，站节点地址为3～125。

理论上，1个S7 CPU最多可以配置成10个DP主站。每个主站可以连接123个DP/PA Link从站,每个DP/PA Link最大能够接64个PA仪表。因此，每个S7 CPU理论上可以连接的PA仪表极限是78 720台。

如果采用DP/PA Coupler直接连接主站DP网络的方式，DP/PA Coupler本身不占用DP地址，但每台现场仪表占用1个DP地址，所以每个DP主站能连接123个现场仪表。

3.2 DP/PA Link连接DP/PA Coupler的最大数量

单个DP/PA Link最大可连接5个DP/PA Coupler，但每个DP/PA Link连接最大PA设备数为64。即，当DP/PA Link连接多于2个DP/PA Coupler后，其余DP/PA Coupler只能做扩展电流输出及网络拓扑的接口，而不能突破64这个设备数限制。

3.3 DP/PA Coupler连接最大的从站数

目前，西门子官方DP/PA Coupler有普通型和防爆型两种产品。1）普通型DP/PA Coupler最大可连接的现场PA设备数量为31台，最大输出电流为1 000 mA，输出电压为31 V DC，最大通信距离为1 900 m。2）防爆型DP/PA Coupler可连接的PA现场设备数量为10，最大输出电流为110 mA,输出电压14 V DC，最大通信距离1 000 m。其他公司也有类似的产品，选用前需详细了解其技术参数。在工程实际应用中，每个DP/PA Coupler所连接的仪表数在校验完电流限值、通信字节数限值、分支电缆长度限值后，会远小于这个理论值。一般来说，普通型可连接仪表数多在20个以内，防爆型的仪表数多在6个以内。

3.4 通信字节数限值

单个DP/PA Link连接到DP网络后都是1个标准的DP从站，依照PROFIBUSDP通信协议的规则，1个标准DP从站的最大通信数据可用长度（输入/输出）各为244字节。所有连接在该DP/PA Link后面的PROFIBUSPA现场仪表的通信字节数总和不能超过244字节。所以，每个DP/PA Link所能连接的最大设备数还需要核算通信字节数。假设某台设备的通信字节数是15个字节，那么每个DP/PA Link所能连接该设备最大数量为16台。

如果直接采用DP/PA Coupler连接到主站DP网络的方式，则每个现场仪表是1个标准DP从站。虽然也要遵守通信字节数总和不能超过244字节的规则，但此时此规则没有太大意义。

3.5 PA总线分支电路长度

根据现场设备的物理分布，PROFIBUS-PA的网络需要考虑总线和支线电缆总长度。一般设计人员是借助工程经验进行参考，但更为严谨的是结合节点的额定电流消耗使用专门的软件计算，如西门子公司的Simatic Fieldbus Caculator软件。通常节点数量和线缆长度可以根据表1考量设计的合理性。

表1 PA网段中分支电路长度

4 应用实例

国外某铜钴尾矿复垦项目旨在对铜钴矿选厂几十年来产生的尾矿进行资源再回收。该项目采用“搅拌浸出→萃取→电积”湿法冶炼工艺生产阴极铜，产能为105 kt/a；采用“沉淀→压滤→干燥”工艺生产氢氧化钴产品，产能为21 kt/a钴金属。

该项目全厂控制系统采用西门子公司PCS7 V8.2，主要由2台工程师站Engineering System（简称“ES”）、2台冗余的Operator System（简称“OS”）服务器、1台历史数据服务器、1台OSWeb服务器、9台OS客户端、12台Automation Systems（简称“AS”）编号（AS1～AS13，其中AS9未使用）组成。该厂控制系统采用PROFIBUS-PA现场总线实现全厂现场仪表接入，其主要设备型号、各AS包含的PA网络设备及仪表设备分别见表2、表3。

表2 PROFIBUS-PA系统主要设备型号

表3 各AS包含的PA网络设备及仪表设备统计

该控制系统自2018年5月投入使用以来，持续稳定运行，从未出现任何系统性故障。同时，该系统仪表维护较简便，仪表工程师仅需在工程师站上通过PDM软件即可对现场仪表进行故障诊断、参数设置等日常维护，大大减轻了工作强度，提高了工作效率[3]。

5 结论

通过此次P ROFIBUS-PA总线的应用可以得到以下结论和经验：1）核算某一控制区域所需连接的PA仪表数量，根据仪表所处区域是否属于防爆区域，选择DP/PA Coupler类型，确定应用PA电缆和有源现场分配器的区域，确定PA主站、DP/PA Link或DP/PA Coupler的数量。需要注意的是，防爆区域应用的PA网络终端电阻需要单独配置；非防爆区域应用的终端电阻是集成在有源现场分配器中的，只需根据需要选择该电阻是on还是off。2）根据仪表数量以及对DP总线的速率要求，决定采用DP/PA Coupler直连还是由DP/PA Link连接。绝大多数情况下采用DP/PA Link连接方式。3）根据仪表安装位置和技术要求，确定所采用的总线网络结构。大多数的工程应用采用主干型网络。