Profibus-DP 现场总线在电机驱动设备中的应用

徐文超，刘振民

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

在传统工厂建设项目中，电机驱动设备与控制系统的信息交换均采用硬接线的模拟信号通信方式。然而，驱动电机的变频器、马达保护器（以下简称“马保”）或软启动器（以下简称“软启”）等驱动设备采用硬接线连接到控制系统I/O 模块存在以下缺点：1）需要使用大量的控制电缆、桥架等材料；2）用控制电缆传输的模拟信号抗干扰能力差；3）传输信息有限，电机驱动设备中的大量信息未得到使用；4）工程施工量大，施工周期长；5）运营维护工作量大。

随着现场总线技术的发展， 电机驱动设备已可以通过现场总线通信的方式与控制系统进行信息交换。现场总线通信技术与传统硬接线模式相比，更为先进，功能更为强大，具有如下显著优势：1）只需1根总线信号电缆即可连接多个设备，节约了大量的控制电缆、桥架等材料，减少了施工量缩短施工周期；2）现场总线在数据链路中传输的是采用数字化技术处理过的数字信号，信号抗干扰能力强；3）充分利用了当今智能化电机驱动设备的技术特性，通信速率高，传输信息量大；4）利用配套的智能软件使得故障诊断、问题解决变得更为直观和容易，运营维护工作量大大减少；5）现行常用的现场总线技术多为国际统一标准，支持的产品丰富，日后更换及升级也非常方便。 因此，本文以刚果（金）RTR 项目为背景，阐述Profibus-DP 现场总线在电机驱动设备中的应用。

1 Profibus-DP 现场总线简介

现场总线（Fieldbus）是一类专门用于工业数据应用的通信协议， 它主要应用于工业场合的控制系统与智能化仪器仪表、执行机构、驱动设备等设备间的数字化通信，以及这些现场设备之间的信息交换。目 前 ，IEC 61158 国 际 标 准 规 定 了 FF、ControlNet、Profibus 等10 种类型的现场总线。Profibus 作为工程应用较多的现场总线之一[1]，纳入了欧洲标准EN 50170, 并于2006 年被列入国家标准GB/T 20540—2006。

Profibus 现场总线协议是一个协议簇，其包含了Profibus-FMS、Profibus-DP 及 Profibus-PA 3 种。 其中：Profibus-DP 是结构相对精简但可提供较高的通信速率和可靠通信质量的通信协议, 通信速率最高可达12 Mbit/s，且采用RS 485 双绞线或光纤数据传输技术，因此得到广泛的应用。

2 工程案例

2.1 项目概况

刚果（金）RTR 项目位于刚果(金)民主共和国Katanga 省Kolwezi 镇，是欧亚资源集团ERG 子公司Metalkol SA 运营的一个从铜钴矿尾矿中复垦回收金属铜和氢氧化钴的选矿及湿法冶金项目。 该项目的复垦对象是某铜钴矿选厂在1952—1997 年生产铜精矿时所产生的尾矿， 这些尾矿集中堆存于Kingamyambo 和Musonoi 两个尾矿库里。 由于当时的选矿技术限制，这些尾矿仍含有一定量的铜和钴。随着矿产资源逐渐变得稀缺，以及金属价格的上涨，回收尾矿中的这些有价金属具有显著的经济价值。

该厂生产工艺流程为 “水力采矿+两段搅拌浸出+高、低品位萃取+电积提铜+沉钴”。 设计规模为原矿处理能力5 600 kt/a，年产阴极铜70 kt（LME A级铜），钴金属量14 kt（钴质量分数为35%的氢氧化钴产品）。按照主工艺流程，该厂可分为尾矿回收、搅拌浸出、逆流洗涤、萃取、铜电积、钴沉淀、残渣处理、石灰乳制备等工段。

2.2 信息接入方式的选择

该项目的特点为：1）电机驱动设备多。全厂各种型号的电机设备约有1 000 台， 全部采用马保、变频、软启动器驱动。2）分布地域广。 该厂生产厂区分布在长宽均约1 km 的区域内，最远的Kingamyambo尾矿泵站到生产厂区的距离有8 km，Musonoi 尾矿泵站到生产厂区的距离也有3 km。 全厂还有10 个配电室分布在广区各处。3）该项目地处非洲，物资匮乏，采购运输不便。 4）懂技术的维护人员少，需尽可能减少维护工作量。

基于该项目建设及管理需求， 业主方要求全厂设置1 个总控制室， 并在该总控制室内实现对全厂所有电机状态的监视及操作。 这使得选择电机驱动设备与全厂自动化控制系统的通信连接模式显得尤为重要。如果该项目采用传统硬接线模式，将会消耗大量的线缆， 且需要较长的安装施工时间， 不仅采购、建设成本较大，建设周期较长，也不利于项目后期的运营维护。为了克服传统模式的缺点，结合项目特点，技术人员最终选择采用Profibus-DP 现场总线通信方式实现电机驱动设备与全厂自动化控制系统的连接。

2.3 Profibus-DP 现场总线应用关键技术要点

在Profibus-DP 现场总线的工程应用中，通信站点数、通信距离与通信速率的匹配、通信网络防信号反射、 通信网络电磁兼容性是保证通信稳定可靠的关键技术要点，需要合理规划、严格执行。

2.3.1 通信站点数

按照 Profibus-DP 现场总线的定义， 一个Profibus-DP 网络上最多有128 个站节点，站节点地址为 0～27，包括主站、从站、中继器。 其中，某些地址因特殊用途和习惯性用途不再分配给站节点， 比如地址0 是PG（编程器，指的是编程组态用的电脑）的地址，地址1～2 是主站的地址，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。 所以，在实际工程应用中，一个Profibus-DP 网络上的从站最多为 123 个， 站地址为 3～125。 另外， 每个Profibus-DP 网段最大站节点数为32 个站。 可以通过RS485 中继器扩展网段，根据中继器的产品型号不同，最多可以使用4～10 个，但每个RS485 中继器在主网和子网上都会占用一个站地址[2]。

2.3.2 通信距离及通信速率匹配

网络通信的距离和通信采用的通信速率有关，通信速率越高，通信距离越短。 Profibus-DP 传输速率为 9 600 bit/s～12 Mbit/s。 当传输速率为 12 kbit/s时，最大传输距离为1 000 m；当传输速率为0.5 Mbit/s时，最大传输距离为400 m；当传输速率为1.5 Mbit/s时，最大传输距离为200 m；当传输速率为 3～12 Mbit/s 时，最大传输距离为100 m。 当采用选定的通信速率下，通信距离不能满足规定时，可以通过使用RS485[3]中继器来放大信号，满足通信距离的要求；还可以使用光链路模块（OLM），将RS485 电气信号转换成光信号从而大大扩展通信距离。 采用多模光纤时，两个OLM 间通信距离最远为3 km；采用单模光纤时，两个OLM 间通信距离最远为10 km。 由于OLM 通信距离和通信速率无关， 一个Profibus-DP网络可以使用多个OLM， 因此使用Profibus-DP 网络在通信距离上几乎没有限制。

2.3.3 通信网络防信号反射

组建Profibus-DP 网络进行通信时，为了防止信号反射，提高通信质量，需要在网络终端加上终端电阻。 这个终端电阻一般直接使用Profibus-DP 网络接头上的终端电阻，但在这种情况下，如果终端设备由于检修或故障掉电，终端电阻将会失去作用，从而导致网络通信故障。所以，对于节点是电机驱动设备的Profibus-DP 网络应用而言， 应尽量采用有源终端，并将有源终端安装在DCS 柜内，和控制系统采用同一路电源，从而排除终端设备掉电的可能性，增强网络通信的可靠性。

2.3.4 通信网络电磁兼容性

Profibus-DP 网络在物理层采用RS485 协议。为了保证通信网络的可靠性，满足RS485 网络的电磁兼容性要求，在实际工程应用中，必须做到以下几点：

1）采用符合标准的屏蔽双绞电缆和正规网络器件。大量的工程实例表明，很多通信故障是因为采用了非正规的通信线缆和网络器件引起的。因此，在采购时应该严格执行质量保证措施，选用西门子、魏德米勒、菲尼克斯等国际知名公司的产品。

2）Profibus-DP 电缆的屏蔽层必须正确可靠地接地。设置电缆的屏蔽层是为了屏蔽电磁干扰，同时保护Profibus 设备以及DP 通信口，但如果屏蔽层没有正确可靠地接地，不但不能屏蔽电磁干扰、保护设备反而可能引入电磁干扰。 因此，所有的Profibus 站点都应进行接地处理，即实现“多点接地”。在进行接地操作时，若Profibus-DP 电缆在插头内接线，须将屏蔽层剥开，压在插头内的金属部分上，使其充分良好地接触。 该金属部分与Sub-D 插头（D 型九针接头）外部的金属部分相连，当将插头插在Profibus 等设备的DP 口上时，则通过设备连接到安装底板；而安装底板一般是连接在柜壳上并接地的， 从而实现了屏蔽层的接地。对于电机驱动设备，一般会设置金属压接端子或者专用接地端子用于电缆的屏蔽层接地。 安装使用时，须将Profibus-DP 电缆的外层绝缘层剥去，压在该端子处，且剥出部分越短屏蔽效果越好。这是因为如果剥出部分较长，引入射频干扰的可能性会增大。

3）电缆敷设要规范。 （1）Profibus-DP 电缆要与高电压、大电流的动力电缆分开敷设。应采用金属线槽，且线槽应盖上盖板，尽量全封闭。 如果现场无法分线槽布线，则将两类电缆尽量远离，中间加金属隔板进行隔离，同时金属线槽要做接地处理。 另外，由于平行布线的两根电缆之间可能产生空间电容耦合，从而相互影响，故应尽量避免通信电缆与动力电缆长距离平行布线，在这种情况下，可以交叉布线。（2）通信电缆单独在线槽外布线或在非金属线槽内布线时，可根据情况给通信电缆穿金属管，这样既能保护通信电缆不被损坏，又能防止电磁干扰。需注意的是，若采用穿金属管的方式布线，外部的金属管也需要接地。 （3）如果有条件，通信电缆应与大面积的金属板贴近，以便更有效地获得金属板的屏蔽保护。（4）通信电缆过长时，不要形成环状，因为此时如果有磁力线从环中间穿过，根据“右手定律”，容易产生干扰信号。已经完成的项目，电缆长度变化的可能性较小，因此建议用户将过长的电缆适当剪短，放入电缆槽内。 （5）通信线在电柜内走线应进行精心设计，尽量避免与高电压、大电流的电缆布置在同一线槽内，同时不要在柜内形成“环”，特别要避免将变频器等干扰源包围在“环”内。

4）通信接头的制作必须严格按照标准操作。 很多项目上的通信接头安装制作不规范， 屏蔽层处理没有满足要求，导致通信质量差，严重的还会产生通信故障。

2.4 项目配置

按照生产工艺布置，RTR 现场配置了10 个配电室， 全厂自动控制系统在每个配电室均设置一套或多套 PLC CPU 柜及 I/O 柜，共 12 个 CPU。 每个 CPU所连接马保、软启和变频器的数量详见表1。 这些驱动设备就近接入到CPU 柜或I/O 柜内。

表1 各CPU 所连接电机驱动数

2.5 实施原则的制定

结合Profibus-DP 协议的通信规范和特点，RTR项目制定了几个工程实施原则：1）从Profibus-DP 主站（CPU 或通信模块）出来后的Profibus-DP 电缆直接进RS485[3]中继器，再由RS485 中继器扩展网段接口接驱动设备。这样不仅扩展了通信网段，而且隔离了各个子网之间以及子网与主站之间的网络。 2）主设备和备用设备进不同配电柜分段， 这些设备的驱动也需进入不同的Profibus-DP 子网。3）考虑到变频器引入干扰的可能性比马保大， 所以变频器应在遵循第2 条原则的基础上，不和马保等设备组网，而是单独组网。 4）每条网段不超过25 个设备，且配置有源终端电阻。

结合以上原则， 最终RTR 项目的Profibus-DP的典型结构图如图1 所示。

图1 RTR 项目典型Profibus-DP 网络结构

2.6 项目实施效果

该项目已于2018 年5 月投产，自系统投入运行以来，控制系统、Profibus-DP 总线网络、驱动设备皆运行稳定。 维护工程师在中控室通过相应软件就可以对现场的马保、变频器进行参数设置和故障诊断，维护工作不再需要到现场配电室进行操作， 故障诊断变得简单明了。

3 结语

在刚果（金）RTR 项目中，通过使用Profibus-DP现场总线，不仅节省了控制电缆的用量，减少了现场的施工量，缩短了施工工期，还保证了控制系统可靠性的前提下，使更多的信号能够传输到控制系统。由此可见，Profibus-DP 现场总线在电机驱动设备中的应用是可行的、有效的。 RTR 项目的网络架构及制定的Profibus-DP 实施原则在其他类似工程项目的应用中将有很大的参考价值。