Profibus-PA總線技術在三廢處理系統(tǒng)中的應用

白 澤，周春燕，許 杰，冉?jīng)硸|，宋鵬杰

（中國核動力研究設計院第一研究所 三廢室，成都 610000）

0 引言

PROFIBUS是Process Field Bus（過程現(xiàn)場總線）的縮 寫，主 要 是 由PROFIBUS-PA、PROFIBUS-DP及PROFIBUS-FMS 3個部分組成。由于PROFIBUS-PA的本身不能構(gòu)成獨立的系統(tǒng)，它必須與PROFIBUS-DP連用，PROFIBUS-PA是PROFIBUS-DP向現(xiàn)場的延伸，兩者在通信上是存在相互兼容的[1]。從1989年PROFIBUS總線被確定為現(xiàn)場總線的國際標準以來，該技術經(jīng)過多年的發(fā)展，日趨成熟。國內(nèi)外多個廠商都相繼推出了自己品牌的PA總線儀表。

在三廢處理系統(tǒng)的工藝過程中，工藝所需的各類工藝參數(shù)測點較多，部分測點分布相對較為集中。使用了大量的就地安裝一次儀表，進行工藝系統(tǒng)所需求的過程參數(shù)及控制參數(shù)的采集，或基于安全要求等其它外部要求進行的一些工藝數(shù)值的監(jiān)測。而在進行參數(shù)采集的過程與信號傳輸集成的過程中，部分區(qū)域測點首次使用了基于現(xiàn)場總線技術的應用協(xié)議方式進行采集。用以驗證現(xiàn)場總線技術在三廢處理系統(tǒng)中的應用效果，也為以后的儀控系統(tǒng)部分的設計、技改等相關內(nèi)容提供實際應用范例。

1 PA總線的技術優(yōu)勢

工藝中傳統(tǒng)儀表的信號采集方式一般為基于4 mA～20mA模擬信號傳輸技術。簡單來說，就是4mA～20mA儀表測量采用模擬信號輸出結(jié)果，二次儀表根據(jù)輸出的模擬信號換算為所需測量參數(shù)的測量值。而這種傳輸方式也有其一定的弊端，如一路信號只能有一個測量內(nèi)容，在設計時，所考慮的設計接口多；安裝階段所需敷設電纜多，敷設困難，變相增加成本與安裝施工費用；信號回路接口多，不易檢修；后期維護成本高等。

與傳統(tǒng)的信號采集傳輸方式相比，PA總線技術具有明顯的優(yōu)勢。而當今儀控系統(tǒng)發(fā)展逐漸向本質(zhì)安全區(qū)域的現(xiàn)場總線設備協(xié)議方向轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)在可用于本質(zhì)安全區(qū)域的現(xiàn)場總線設備協(xié)議有HART、FF、PROFIBUS-PA等。其中，HART總線只包括物理層協(xié)議；FF是一種高成本的現(xiàn)場總線；而 PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線無論是與傳統(tǒng)信號傳輸方式，還是與以上幾種協(xié)議方式均具備一定的優(yōu)勢，是一種市場應用需求廣泛、使用技術成熟的技術，在實際應用中擁有多種優(yōu)點。

PROFIBUS-PA是為過程控制的特殊要求而設計的，可使傳感器和執(zhí)行機構(gòu)連在一根總線上，并有本質(zhì)安全規(guī)范。PA在從站設備的行規(guī)中定義了應具有的特性，從而保證了不同設備制造商產(chǎn)品的互操作性和互換性；無需為儀表單獨供電，通過總線供電模式，PA可以在有爆炸危險的場合使用；前期項目設計便捷，減少了設計硬件接口，安裝方便，減少了電纜敷設及安裝費用；維護成本低，減少了維護保養(yǎng)環(huán)節(jié)，易于維修，故障環(huán)節(jié)少；響應速度較于傳統(tǒng)傳輸方式更加快捷、穩(wěn)定。

另外，由于采用總線連接設備而節(jié)約了大量的電纜、電源箱、配電柜、匯線槽、接線柜、端子箱、安全柵或隔離電路，也不再需要傳統(tǒng)的I/O模塊。大量節(jié)省了電纜費用，也相應節(jié)省了施工調(diào)試以及系統(tǒng)投運后的維護時間和費用。根據(jù)統(tǒng)計，使用PROFIBUS系統(tǒng)可以使工程總造價相對傳統(tǒng)方式降低20%～40%。

在PROFIBUS系統(tǒng)網(wǎng)絡中，PA的設備必須由DP段的主站控制。PA段的設備拓撲形式可以是線形、樹型，或它們的混合形式。每一個PA段的從站設備數(shù)量最多為32個，但受消耗電流總量的限制和適用場合的影響，一般要少于這個數(shù)目。

采用數(shù)字信號通訊，有效提高系統(tǒng)的測量和控制精度。各種開關量、模擬量信號就近轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，避免了信號的衰減和變形[2]。能有效解決信號在傳輸過程中，因外部干擾所產(chǎn)生的測量誤差，避免因錯誤數(shù)據(jù)而導致的誤操作產(chǎn)生。

2 PA總線技術在三廢處理系統(tǒng)中的應用

2.1 送風系統(tǒng)工藝應用

圖1 現(xiàn)場儀表PA應用方式原理圖Fig.1 Schematic diagram of PA application mode of field instrument

送風系統(tǒng)是廠房通風系統(tǒng)的組成部分，為廠房現(xiàn)場各工藝房間進行送風，保證現(xiàn)場房間的空氣流通及空氣潔凈。為保證送風質(zhì)量，在工藝管道中需加裝空氣過濾器，對所送風中的雜質(zhì)或其它成分進行過濾。但是過濾器在長期使用過程中，由于雜質(zhì)等其它物質(zhì)的堆積，慢慢會造成過濾器的功效逐漸降低，甚至堵塞。為保證過濾器的功效及避免因過濾器前后差壓過大而產(chǎn)生的工藝故障，所以對其加裝過濾器差壓儀表，監(jiān)視其工作時的前后差壓，以保證其過濾效率及工藝流程的安全性。在該部分儀控系統(tǒng)設計時，考慮到設計接口、儀表數(shù)量、儀表相對集中、安裝工程量及后期維護等方面，采用了PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線技術應用。一是為減少設計、施工、調(diào)試等方面的工作量，也是為以后三廢處理系統(tǒng)相應設計提供實際應用的技術支持。

2.2 控制原理及方法

PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線主要是由DP/PA鏈路器、耦合器等設備組成。PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線是將采用數(shù)字化位同步的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣葹?1.25kbit/sec以及防錯的起止界定符，信號電壓為0.75V～1V，且可實現(xiàn)本安操作。本次Profibus-PA現(xiàn)場總線技術應用設備為8臺差壓變送器。將8臺差壓變送器用Profibus-PA總線連接，并匯聚至現(xiàn)場的儀表總線控制箱，通過總線連接器將信號匯聚，然后傳輸至DP/PA耦合器?？刂圃硗負鋱D如圖1所示。

采用數(shù)字量傳輸，抗干擾能力強，每臺儀表都有對應的地址，通過地址上位和下位相連，通過總線向現(xiàn)場儀表饋電，無需單獨供電。

2.3 硬件組態(tài)連接

PROFIBUS-PA系統(tǒng)通過DP/PA鏈路器連接到PROFIBUS-DP主站系統(tǒng)。DP/PA鏈路器包含2個IM153-2接口模塊以及相互連接的1個DP/PA耦合器。DP/PA鏈路器是上層DP主站的DP從站，并作為下層總線系統(tǒng)（PA現(xiàn)場總線）站點的代理。DP/PA耦合器是PROFIBUS-DP與PROFIBUS-PA的物理連接器，DP/PA耦合器無需組態(tài)，通過增加DP/PA耦合器數(shù)量來增加PA主站系統(tǒng)的電流帶載能力。通過總線連接器將現(xiàn)場信號通過數(shù)字化形式匯聚至PA層。然后，通過現(xiàn)場總線儀表箱內(nèi)的DP/PA耦合器及DP/PA鏈路器將信號傳輸至DP層，再通過光纖收發(fā)器進入工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)。待DCS相應程序讀取其中數(shù)據(jù)（PA硬件組態(tài)連接示意圖如圖2所示）。

圖2 PA硬件組態(tài)連接示意圖Fig.2 PA Hardware configuration connection diagram

3 PA儀表的調(diào)試

PA總線儀表調(diào)試內(nèi)容主要包括：地址調(diào)試、組態(tài)參數(shù)調(diào)試及現(xiàn)場儀表調(diào)試等。

PA總線上的每塊PA儀表都需要在程序中指定一個特定的地址位號，通過DCS在中控直接設定每臺儀表的地址。多臺未設定地址的儀表必須逐一設定地址后往總線上掛，否則會出現(xiàn)地址沖突，因為同一類型的儀表默認地址大多都是相同的。掛上之后進行總線地址掃描，掃描到未設定地址，再進行地址設定及I/O編輯[3]。

壓力類儀表在程序中不需要特殊的參數(shù)設定，按照正常參數(shù)設定即可。測量值可以由上位機直接讀取，不需要在下位機程序做數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。

Profibus-PA總線技術擁有較強的自動診斷功能，能自動診斷回路工作狀態(tài)，顯示故障位置信息，讓工作人員能夠及時地處理故障問題。現(xiàn)場檢查儀表接線與儀表箱接線，查看DP/PA鏈路器及DP/PA耦合器工作狀態(tài)，工作狀態(tài)正常（PA線連接器及耦合器如圖3所示）。

現(xiàn)場檢查系統(tǒng)的屏蔽與接地，確認電纜屏蔽層與設備接地均符合相應規(guī)范要求。將主干線的屏蔽層在系統(tǒng)側(cè)接到DCS的工作接地排上，現(xiàn)場側(cè)接到PA總線箱的工作接地上，現(xiàn)場設備通過的設備、管道、結(jié)構(gòu)均可靠接地。確認后，使用電阻測量儀表測量接地電阻值是否滿足技術要求（接地電阻應≤1Ω）。

圖3 PA線連接器及耦合器圖Fig.3 PA Wire connector and coupler diagram

使用萬用表測量現(xiàn)場一次儀表的輸入電壓，以保證PA總線的配電的正確性。對儀表回路的電流及設備接地進行檢查，對現(xiàn)場儀表使用手操器進行參數(shù)設定及模擬工藝調(diào)試。使用手操器對差壓變送器的測量范圍進行設定，使其與工藝測量范圍相匹配?，F(xiàn)場脫開一次儀表，使用儀表手操器及信號發(fā)生器進行工況模擬，確認系統(tǒng)在各個模擬的工況下的狀態(tài)，以及系統(tǒng)的控制與聯(lián)鎖動作是否準確。

相對于傳統(tǒng)儀表，PA儀表需要的管線少，信號通過耦合器直接連接到PROFIBUS模塊，不需要經(jīng)過I/O模塊，節(jié)省了大量的中間環(huán)節(jié)，大大減輕了調(diào)試的工作內(nèi)容。

4 結(jié)論

經(jīng)過現(xiàn)場系統(tǒng)調(diào)試和使用后，總線儀表使用正常。在調(diào)試和使用中，減少了調(diào)試工作量，維修排障較簡單，且測量參數(shù)正確反應現(xiàn)場工作狀態(tài)實際參數(shù)。PA總線儀表的使用，既節(jié)省了前期設計接口、設計內(nèi)容、敷設電纜人工費用，又降低了后期使用中的維修難度、設備保養(yǎng)費用等。為以后的三廢處理系統(tǒng)電儀控制部分設計內(nèi)容，提供了相應的實際應用案例和技術支持。