基于Profibus通讯协议的总线设备的应用研究和解决方案

基于Profibus通讯协议的总线设备的应用研究和解决方案

陈繁

中冶南方都市环保工程技术股份有限公司   湖北省  430000

摘要：随着工业自动化技术的不断发展，数字通讯技术也在引领时代，进而不断推动工业自动化的技术革新。在全球物价上涨影响下，工业制造成本和人力成本的逐年增高，冶金、化工、电力、制造等行业工业自动化系统在总投资中所占比例也逐年上升，为减少企业建设投资，同时达到经济环保、稳定实用的效果，基于Profibus通讯协议的总线制工业设备以其独特的优越性而逐渐受到市场的追捧。本文针对目前市场上应用较多的基于Profibus通讯的总线设备进行了分析和研究，结合实际工程，对工业自动化总线设备的设计、安装和调试过程中常见的问题给出相应的解决方案。

关键词：  Profibus-DP  Profibus-PA 总线设备

1. 概述

Profibus现场总线主要分为Profibus-DP高速总线和Profibus-PA本安型低速总线，通过DP总线和PA总线设备的合理配置，既能够实现主控制系统与远端控制单元的通讯，又能够将单个的带有DP或PA接口的总线设备串联起来，将数据传送至控制器。这种利用一根双绞线串联多台设备替代传统的单台设备单独敷设电缆的信号传输方式，能够减少大量传输电缆，节省电缆布线空间，降低工程造价。

江苏南京南钢某超高温亚临界发电机组中电厂内部分仪表，如压力（差压）变送器、热式流量计、阀门定位器、雷达/超声波液位计、分析仪表均采用Profibus-PA总线通讯，高、低压变频器、马达保护器、开关型电动执行器采用Profibus-DP总线通讯。电厂建成后，该机组总线设备覆盖率达到50%，相对于同规模同类型采用普通电缆的电厂而言，减少电缆近50公里，电缆的减少，也带来了电缆桥架和施工费用的节省，综合起来为电厂投资节省了一笔不小的费用。

1.1总线的网络架构

DP总线为线型网络架构，一条DP总线链路理论上最多可连接32个总线设备。DP总线设备可分为两种接口型式，一种为专用DP连接器（D型接口），另一种为接线端子型。采用DP连接器的总线设备一般自带DP插接口。DP电缆线路末端跨接一个终端电阻，以防止信号反射。对于有源终端电阻，还应为终端电阻单独提供电源。为保障设备运行的安全稳定性，某些重要设备会采用双DP冗余设计，如电厂内的主给水电动阀，此时，处在末端的总线设备需设置两个终端电阻。

PA总线为树形网络架构， PA总线链路是将PA分线盒级联， PA分线盒数量一般不超过4个，每个分线盒可接入4路分支电缆。除链路中最后一个PA接线盒外，其余PA接线盒内终端电阻需拨到OFF，最后一个PA分线盒终端电阻需要拨到ON，以防止电磁波反射干扰。PA分线盒终端电阻不需单独供电。

1.2总线电缆敷设

DP电缆护套为专用的紫色屏蔽双绞线，PA电缆护套为橙色屏蔽双绞线，与DP总线不同的是，PA总线可为设备提供电源，DP总线设备需单独供电。

总线电缆敷设时，需与其他类型的控制电缆分开敷设，一般将同类型同方向的电缆设置在同一独立线槽或桥架内，如未设计独立线槽，可在桥架内设置金属隔板进行隔离，同时，桥架要盖好盖板，做好封闭和接地处理。

需要注意的是：PA总线设备到PA分线盒的分支线路长度不得超过60m，每条PA链路总长度不能超过1200m。

DP总线对电缆的长度要求如下表所示：

DP总线和PA总线在同一线槽或桥架内敷设时，应保持一定的距离，以免信号干扰。

1.3总线接地

DP电缆和PA电缆屏蔽层均要求采用多点接地。DP电缆要求现场总线设备连接的等电位接地系统电势相等。正确的DP总线接地方式如图1.1所示。

图1.1DP总线设备接地连接图

PA电缆接地时，接入现场PA分线盒的分支线屏蔽层也需要做好接地，主电缆和分支电缆设备处的接地电势需要保持一致。PA现场总线的接地方式如图1.2所示。

图1.2 PA总线设备接地连接图

1.4总线设备调试

在与控制器进行数据通讯前，需先对总线设备逐一调试，调试期间需要完成的工作主要有：

1）设置总线设备地址。有些设备可通过表头按键或者拨码进行地址设置，有些设备可采用遥控器设置或用组态软件设置。

2）收集GSD通讯文件。不同类型的总线设备GSD通讯文件通常各不一样。

3）检查总线电缆的接线情况。确认电缆接线和屏蔽层接地符合规范要求。

4）创建从站，选择对应的GSD文件，根据说明书通过组态软件选择模块并完成组态。

1.5总线设备电源

为了使现场总线系统安全可靠运行，所有现场总线设备都安装在IO柜内或现场总线柜内。为了保证供电的可靠性，总线设备由控制系统的两个冗余的24VDC电源供电，因此，总线柜内都应装配有具备冗余供电功能的24VDC 电源模块。

2. 常见问题及解决办法

2.1信号干扰问题

江苏南京南钢某超高温亚临界发电机组采用Profibus总线技术，在总线设备的安装和调试过程中，发现部分现场总线设备和控制器进行数据通讯时，设备的反馈信号不稳定。经过对现场总线设备、电缆接线、通讯文件和调试方法反复检查和试验，最终找到了造成信号干扰的原因，主要体现在以下几方面：

1）接地不合规：总线电缆在进出控制柜或现场总线接线箱时，屏蔽层与接地铜排未充分接触，导致接地电阻不满足技术要求。

2）柜内电缆预留过长。当总线电缆进入柜体或现场接线箱过长时，将多余电缆盘成圈会产生电磁感应效应，圈数越多，电磁感应越强，对信号干扰越大。

3）接线不合理：接线时，屏蔽层剥开过长，形成更容易受干扰的“天线效应”，从而将干扰信号引入控制柜。

针对现场出现的以上问题，可采取的纠正措施有：

1）利用卡箍将电缆屏蔽层用螺丝固定在接地铜排上，以保证充分接触。电缆在DP专用接头内接线时，电缆屏蔽层应压接在插头内的屏蔽金属片上。

2）如总线电缆进入柜体或现场接线箱过长，可将电缆多余部分剪断。

3）剥线时，尽力缩短总线电缆电缆上外露屏蔽层。

2.2调试问题

总线设备的安装调试对施工、调试人员技术水平要求较高，即使有设备厂家的技术人员指导也没有十足把握，这就导致了总线设备调试进度缓慢。以上超高温亚临界发电机组总线设备调试中存在的主要困难如下：

a）GSD通讯文件不可用;

b)电缆不按照要求接线、接地，未设置独立线槽或隔断，对于冗余DP设计的电缆总线，两条链路互为混淆；

c）总线链路路径规划不合理。主要归咎于设计人员对项目现场环境不熟悉，对设备的相对位置不了解。

d)总线卡件设置不合理。组态时，部分总线设备需在组态软件内部设置好输入、输出模式和参数通讯。

经过总结总线设备的设计、施工和调试经验发现，在调试前做到如下几点，可大大缩短调试周期。

1）提前进行总线设备地址的设置，收集现场各类总线设备的GSD通讯文件。尽量减少总线设备的品牌，同一类型的设备宜采用相同品牌。

2）通讯前做好总线电缆接线专项检查，对电缆屏蔽层的接地需进行接地电阻测试，以满足规范或厂家技术文件要求。

3）设计中做好现场总线路径规划。路径的合理规划能够有效避免电缆浪费和施工返工。同时，每个网段总线设备预留备用量，以免路径规划不合理导致线路临时调整。如DP网段中DP总线设备的数量控制在10个以内；PA网段中PA接线盒所连接的PA总线设备数量控制在3个以内。

4）详细阅读总线设备GSD说明书，按说明书的要求设置参数和操作。

1. 结论

在工程建设过程中只要能深刻认识到Profibus两种通讯协议的网络架构、接线和接地要求，做好调试前的整体规划、设计、施工和调试的准备工作，才能有效避免总线设备通讯问题的产生。随着Profibus通讯技术功能性、稳定性和可靠性的增强，总线电缆势必将逐渐取代普通电缆，为工程建设节省更多投资，创造更高的经济效益。

参考文献：

［1］邹玉东.浅谈现场总线技术.科技风.2010年.6期.190页

［2］邓文清.Profibus总线技术在DCS中应用. 科技风.2010年.10期.278页