Profibus-DP 現(xiàn)場總線在電機驅(qū)動設(shè)備中的應(yīng)用

徐文超，劉振民

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

在傳統(tǒng)工廠建設(shè)項目中，電機驅(qū)動設(shè)備與控制系統(tǒng)的信息交換均采用硬接線的模擬信號通信方式。然而，驅(qū)動電機的變頻器、馬達(dá)保護(hù)器（以下簡稱“馬保”）或軟啟動器（以下簡稱“軟啟”）等驅(qū)動設(shè)備采用硬接線連接到控制系統(tǒng)I/O 模塊存在以下缺點：1）需要使用大量的控制電纜、橋架等材料；2）用控制電纜傳輸?shù)哪M信號抗干擾能力差；3）傳輸信息有限，電機驅(qū)動設(shè)備中的大量信息未得到使用；4）工程施工量大，施工周期長；5）運營維護(hù)工作量大。

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展， 電機驅(qū)動設(shè)備已可以通過現(xiàn)場總線通信的方式與控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交換。現(xiàn)場總線通信技術(shù)與傳統(tǒng)硬接線模式相比，更為先進(jìn)，功能更為強大，具有如下顯著優(yōu)勢：1）只需1根總線信號電纜即可連接多個設(shè)備，節(jié)約了大量的控制電纜、橋架等材料，減少了施工量縮短施工周期；2）現(xiàn)場總線在數(shù)據(jù)鏈路中傳輸?shù)氖遣捎脭?shù)字化技術(shù)處理過的數(shù)字信號，信號抗干擾能力強；3）充分利用了當(dāng)今智能化電機驅(qū)動設(shè)備的技術(shù)特性，通信速率高，傳輸信息量大；4）利用配套的智能軟件使得故障診斷、問題解決變得更為直觀和容易，運營維護(hù)工作量大大減少；5）現(xiàn)行常用的現(xiàn)場總線技術(shù)多為國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，支持的產(chǎn)品豐富，日后更換及升級也非常方便。 因此，本文以剛果（金）RTR 項目為背景，闡述Profibus-DP 現(xiàn)場總線在電機驅(qū)動設(shè)備中的應(yīng)用。

1 Profibus-DP 現(xiàn)場總線簡介

現(xiàn)場總線（Fieldbus）是一類專門用于工業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)用的通信協(xié)議， 它主要應(yīng)用于工業(yè)場合的控制系統(tǒng)與智能化儀器儀表、執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動設(shè)備等設(shè)備間的數(shù)字化通信，以及這些現(xiàn)場設(shè)備之間的信息交換。目 前 ，IEC 61158 國 際 標(biāo) 準(zhǔn) 規(guī) 定 了 FF、ControlNet、Profibus 等10 種類型的現(xiàn)場總線。Profibus 作為工程應(yīng)用較多的現(xiàn)場總線之一[1]，納入了歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170, 并于2006 年被列入國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20540—2006。

Profibus 現(xiàn)場總線協(xié)議是一個協(xié)議簇，其包含了Profibus-FMS、Profibus-DP 及 Profibus-PA 3 種。 其中：Profibus-DP 是結(jié)構(gòu)相對精簡但可提供較高的通信速率和可靠通信質(zhì)量的通信協(xié)議, 通信速率最高可達(dá)12 Mbit/s，且采用RS 485 雙絞線或光纖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，因此得到廣泛的應(yīng)用。

2 工程案例

2.1 項目概況

剛果（金）RTR 項目位于剛果(金)民主共和國Katanga 省Kolwezi 鎮(zhèn)，是歐亞資源集團(tuán)ERG 子公司Metalkol SA 運營的一個從銅鈷礦尾礦中復(fù)墾回收金屬銅和氫氧化鈷的選礦及濕法冶金項目。 該項目的復(fù)墾對象是某銅鈷礦選廠在1952—1997 年生產(chǎn)銅精礦時所產(chǎn)生的尾礦， 這些尾礦集中堆存于Kingamyambo 和Musonoi 兩個尾礦庫里。 由于當(dāng)時的選礦技術(shù)限制，這些尾礦仍含有一定量的銅和鈷。隨著礦產(chǎn)資源逐漸變得稀缺，以及金屬價格的上漲，回收尾礦中的這些有價金屬具有顯著的經(jīng)濟(jì)價值。

該廠生產(chǎn)工藝流程為 “水力采礦+兩段攪拌浸出+高、低品位萃取+電積提銅+沉鈷”。 設(shè)計規(guī)模為原礦處理能力5 600 kt/a，年產(chǎn)陰極銅70 kt（LME A級銅），鈷金屬量14 kt（鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的氫氧化鈷產(chǎn)品）。按照主工藝流程，該廠可分為尾礦回收、攪拌浸出、逆流洗滌、萃取、銅電積、鈷沉淀、殘渣處理、石灰乳制備等工段。

2.2 信息接入方式的選擇

該項目的特點為：1）電機驅(qū)動設(shè)備多。全廠各種型號的電機設(shè)備約有1 000 臺， 全部采用馬保、變頻、軟啟動器驅(qū)動。2）分布地域廣。 該廠生產(chǎn)廠區(qū)分布在長寬均約1 km 的區(qū)域內(nèi)，最遠(yuǎn)的Kingamyambo尾礦泵站到生產(chǎn)廠區(qū)的距離有8 km，Musonoi 尾礦泵站到生產(chǎn)廠區(qū)的距離也有3 km。 全廠還有10 個配電室分布在廣區(qū)各處。3）該項目地處非洲，物資匱乏，采購運輸不便。 4）懂技術(shù)的維護(hù)人員少，需盡可能減少維護(hù)工作量。

基于該項目建設(shè)及管理需求， 業(yè)主方要求全廠設(shè)置1 個總控制室， 并在該總控制室內(nèi)實現(xiàn)對全廠所有電機狀態(tài)的監(jiān)視及操作。 這使得選擇電機驅(qū)動設(shè)備與全廠自動化控制系統(tǒng)的通信連接模式顯得尤為重要。如果該項目采用傳統(tǒng)硬接線模式，將會消耗大量的線纜， 且需要較長的安裝施工時間， 不僅采購、建設(shè)成本較大，建設(shè)周期較長，也不利于項目后期的運營維護(hù)。為了克服傳統(tǒng)模式的缺點，結(jié)合項目特點，技術(shù)人員最終選擇采用Profibus-DP 現(xiàn)場總線通信方式實現(xiàn)電機驅(qū)動設(shè)備與全廠自動化控制系統(tǒng)的連接。

2.3 Profibus-DP 現(xiàn)場總線應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)要點

在Profibus-DP 現(xiàn)場總線的工程應(yīng)用中，通信站點數(shù)、通信距離與通信速率的匹配、通信網(wǎng)絡(luò)防信號反射、 通信網(wǎng)絡(luò)電磁兼容性是保證通信穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵技術(shù)要點，需要合理規(guī)劃、嚴(yán)格執(zhí)行。

2.3.1 通信站點數(shù)

按照 Profibus-DP 現(xiàn)場總線的定義， 一個Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)上最多有128 個站節(jié)點，站節(jié)點地址為 0～27，包括主站、從站、中繼器。 其中，某些地址因特殊用途和習(xí)慣性用途不再分配給站節(jié)點， 比如地址0 是PG（編程器，指的是編程組態(tài)用的電腦）的地址，地址1～2 是主站的地址，地址126 為多數(shù)設(shè)備出廠時的默認(rèn)地址，127 是協(xié)議規(guī)定的廣播地址。 所以，在實際工程應(yīng)用中，一個Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)上的從站最多為 123 個， 站地址為 3～125。 另外， 每個Profibus-DP 網(wǎng)段最大站節(jié)點數(shù)為32 個站。 可以通過RS485 中繼器擴展網(wǎng)段，根據(jù)中繼器的產(chǎn)品型號不同，最多可以使用4～10 個，但每個RS485 中繼器在主網(wǎng)和子網(wǎng)上都會占用一個站地址[2]。

2.3.2 通信距離及通信速率匹配

網(wǎng)絡(luò)通信的距離和通信采用的通信速率有關(guān)，通信速率越高，通信距離越短。 Profibus-DP 傳輸速率為 9 600 bit/s～12 Mbit/s。 當(dāng)傳輸速率為 12 kbit/s時，最大傳輸距離為1 000 m；當(dāng)傳輸速率為0.5 Mbit/s時，最大傳輸距離為400 m；當(dāng)傳輸速率為1.5 Mbit/s時，最大傳輸距離為200 m；當(dāng)傳輸速率為 3～12 Mbit/s 時，最大傳輸距離為100 m。 當(dāng)采用選定的通信速率下，通信距離不能滿足規(guī)定時，可以通過使用RS485[3]中繼器來放大信號，滿足通信距離的要求；還可以使用光鏈路模塊（OLM），將RS485 電氣信號轉(zhuǎn)換成光信號從而大大擴展通信距離。 采用多模光纖時，兩個OLM 間通信距離最遠(yuǎn)為3 km；采用單模光纖時，兩個OLM 間通信距離最遠(yuǎn)為10 km。 由于OLM 通信距離和通信速率無關(guān)， 一個Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)可以使用多個OLM， 因此使用Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)在通信距離上幾乎沒有限制。

2.3.3 通信網(wǎng)絡(luò)防信號反射

組建Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時，為了防止信號反射，提高通信質(zhì)量，需要在網(wǎng)絡(luò)終端加上終端電阻。 這個終端電阻一般直接使用Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)接頭上的終端電阻，但在這種情況下，如果終端設(shè)備由于檢修或故障掉電，終端電阻將會失去作用，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信故障。所以，對于節(jié)點是電機驅(qū)動設(shè)備的Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而言， 應(yīng)盡量采用有源終端，并將有源終端安裝在DCS 柜內(nèi)，和控制系統(tǒng)采用同一路電源，從而排除終端設(shè)備掉電的可能性，增強網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

2.3.4 通信網(wǎng)絡(luò)電磁兼容性

Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)在物理層采用RS485 協(xié)議。為了保證通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，滿足RS485 網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容性要求，在實際工程應(yīng)用中，必須做到以下幾點：

1）采用符合標(biāo)準(zhǔn)的屏蔽雙絞電纜和正規(guī)網(wǎng)絡(luò)器件。大量的工程實例表明，很多通信故障是因為采用了非正規(guī)的通信線纜和網(wǎng)絡(luò)器件引起的。因此，在采購時應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量保證措施，選用西門子、魏德米勒、菲尼克斯等國際知名公司的產(chǎn)品。

2）Profibus-DP 電纜的屏蔽層必須正確可靠地接地。設(shè)置電纜的屏蔽層是為了屏蔽電磁干擾，同時保護(hù)Profibus 設(shè)備以及DP 通信口，但如果屏蔽層沒有正確可靠地接地，不但不能屏蔽電磁干擾、保護(hù)設(shè)備反而可能引入電磁干擾。 因此，所有的Profibus 站點都應(yīng)進(jìn)行接地處理，即實現(xiàn)“多點接地”。在進(jìn)行接地操作時，若Profibus-DP 電纜在插頭內(nèi)接線，須將屏蔽層剝開，壓在插頭內(nèi)的金屬部分上，使其充分良好地接觸。 該金屬部分與Sub-D 插頭（D 型九針接頭）外部的金屬部分相連，當(dāng)將插頭插在Profibus 等設(shè)備的DP 口上時，則通過設(shè)備連接到安裝底板；而安裝底板一般是連接在柜殼上并接地的， 從而實現(xiàn)了屏蔽層的接地。對于電機驅(qū)動設(shè)備，一般會設(shè)置金屬壓接端子或者專用接地端子用于電纜的屏蔽層接地。 安裝使用時，須將Profibus-DP 電纜的外層絕緣層剝?nèi)?，壓在該端子處，且剝出部分越短屏蔽效果越好。這是因為如果剝出部分較長，引入射頻干擾的可能性會增大。

3）電纜敷設(shè)要規(guī)范。 （1）Profibus-DP 電纜要與高電壓、大電流的動力電纜分開敷設(shè)。應(yīng)采用金屬線槽，且線槽應(yīng)蓋上蓋板，盡量全封閉。 如果現(xiàn)場無法分線槽布線，則將兩類電纜盡量遠(yuǎn)離，中間加金屬隔板進(jìn)行隔離，同時金屬線槽要做接地處理。 另外，由于平行布線的兩根電纜之間可能產(chǎn)生空間電容耦合，從而相互影響，故應(yīng)盡量避免通信電纜與動力電纜長距離平行布線，在這種情況下，可以交叉布線。（2）通信電纜單獨在線槽外布線或在非金屬線槽內(nèi)布線時，可根據(jù)情況給通信電纜穿金屬管，這樣既能保護(hù)通信電纜不被損壞，又能防止電磁干擾。需注意的是，若采用穿金屬管的方式布線，外部的金屬管也需要接地。 （3）如果有條件，通信電纜應(yīng)與大面積的金屬板貼近，以便更有效地獲得金屬板的屏蔽保護(hù)。（4）通信電纜過長時，不要形成環(huán)狀，因為此時如果有磁力線從環(huán)中間穿過，根據(jù)“右手定律”，容易產(chǎn)生干擾信號。已經(jīng)完成的項目，電纜長度變化的可能性較小，因此建議用戶將過長的電纜適當(dāng)剪短，放入電纜槽內(nèi)。 （5）通信線在電柜內(nèi)走線應(yīng)進(jìn)行精心設(shè)計，盡量避免與高電壓、大電流的電纜布置在同一線槽內(nèi)，同時不要在柜內(nèi)形成“環(huán)”，特別要避免將變頻器等干擾源包圍在“環(huán)”內(nèi)。

4）通信接頭的制作必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作。 很多項目上的通信接頭安裝制作不規(guī)范， 屏蔽層處理沒有滿足要求，導(dǎo)致通信質(zhì)量差，嚴(yán)重的還會產(chǎn)生通信故障。

2.4 項目配置

按照生產(chǎn)工藝布置，RTR 現(xiàn)場配置了10 個配電室， 全廠自動控制系統(tǒng)在每個配電室均設(shè)置一套或多套 PLC CPU 柜及 I/O 柜，共 12 個 CPU。 每個 CPU所連接馬保、軟啟和變頻器的數(shù)量詳見表1。 這些驅(qū)動設(shè)備就近接入到CPU 柜或I/O 柜內(nèi)。

表1 各CPU 所連接電機驅(qū)動數(shù)

2.5 實施原則的制定

結(jié)合Profibus-DP 協(xié)議的通信規(guī)范和特點，RTR項目制定了幾個工程實施原則：1）從Profibus-DP 主站（CPU 或通信模塊）出來后的Profibus-DP 電纜直接進(jìn)RS485[3]中繼器，再由RS485 中繼器擴展網(wǎng)段接口接驅(qū)動設(shè)備。這樣不僅擴展了通信網(wǎng)段，而且隔離了各個子網(wǎng)之間以及子網(wǎng)與主站之間的網(wǎng)絡(luò)。 2）主設(shè)備和備用設(shè)備進(jìn)不同配電柜分段， 這些設(shè)備的驅(qū)動也需進(jìn)入不同的Profibus-DP 子網(wǎng)。3）考慮到變頻器引入干擾的可能性比馬保大， 所以變頻器應(yīng)在遵循第2 條原則的基礎(chǔ)上，不和馬保等設(shè)備組網(wǎng)，而是單獨組網(wǎng)。 4）每條網(wǎng)段不超過25 個設(shè)備，且配置有源終端電阻。

結(jié)合以上原則， 最終RTR 項目的Profibus-DP的典型結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 RTR 項目典型Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.6 項目實施效果

該項目已于2018 年5 月投產(chǎn)，自系統(tǒng)投入運行以來，控制系統(tǒng)、Profibus-DP 總線網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動設(shè)備皆運行穩(wěn)定。 維護(hù)工程師在中控室通過相應(yīng)軟件就可以對現(xiàn)場的馬保、變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和故障診斷，維護(hù)工作不再需要到現(xiàn)場配電室進(jìn)行操作， 故障診斷變得簡單明了。

3 結(jié)語

在剛果（金）RTR 項目中，通過使用Profibus-DP現(xiàn)場總線，不僅節(jié)省了控制電纜的用量，減少了現(xiàn)場的施工量，縮短了施工工期，還保證了控制系統(tǒng)可靠性的前提下，使更多的信號能夠傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。由此可見，Profibus-DP 現(xiàn)場總線在電機驅(qū)動設(shè)備中的應(yīng)用是可行的、有效的。 RTR 項目的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及制定的Profibus-DP 實施原則在其他類似工程項目的應(yīng)用中將有很大的參考價值。