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浅析PROFIBUS-PA网络拓扑结构及配置方式

发布时间:2019-11-07 09:41   类型:应用案例   人浏览

1 引言

1.1 关于PROFIBUS-PA


PROFIBUS-PA适用于过程自动化的总线类型,服从IEC1158-2标准。主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通信。PA将自动化系统和过程控制系统与压力、湿度和液位变送器等现场设备连接起来,PA可用来替代4-20mA的模拟技术。


PROFIBUS-PA 不仅可用于冶金、造纸、烟草、污水处理、建材生产等一般工业领域,也可用于带有本安防护要求的石化化工爆炸危险区。非本安和本安型总线系统方案遵循同样的规则。现场设备可按照不同的拓扑结构进行连接并由总线供电。在危险区运行时这些设备可进行带电操作和插拔。耗电量较大的设备如四线制设备可通过单独的现场电源供电。


1.2 PROFIBUS-PA特性


PROFIBUS-PA具有如下特性:

(1)适合过程自动化应用的行规使不同厂家生产的现场设备具有互换性。

(2) 增加和去除总线站点,即使在本征安全地区也不会影响到其它站。

(3)在过程自动化的PROFIBUS-PA段与制造业自动化的PROFIBUS-DP总线段之间通过藕合器连接,并使可实现两段间的透明通信。

(4)使用与IEC1158-2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送。

(5)在潜在的爆炸危险区可使用防爆型本征安全非本征安全


PROFIBUS-PA的一个基本特征是很容易集成到PROFIBUS-DP中,从而在现场构成一个完整的总线网络结构。PROFIBUS-PA 既可以通过链接器也可以通过耦合器连接到系统中。PA接口采用的是符合IEC61158-2传输技术的现场总线接口,在段耦合器中集成了信号转换器、供电设备和终端电阻(可以手动开关)。


2 PROFIBUS-PA的网络拓扑结构


PROFIBUS-PA的网络拓扑结构可以有多种形式,可以实现树形、线型或组合结构


2.1 树形拓扑


树型结构如图1所示。树型结构总线是典型的现场安装技术,用双芯电缆代替多芯电缆。现场分配器负责连接现场设备与主干总线。采用树型结构,所有连接在现场总线上的设备通过现场分配器进行并行切换。


树形拓扑(tree topology)是一种类似总线拓扑的局域网拓扑。树形网络可以包含分支,每个分支又可包含多个结点。树形拓扑是总线拓扑的扩充形式,传输介质是不封闭的分支电缆,树形拓扑和总线拓扑一样,一个站点发送数据,其他站点都能接收。树形拓扑是适应性很强的一种拓扑结构,适应范围很宽,非常适合于分主次、分等级的层次型管理系统。树形拓扑的特点与总线形拓扑相同。


2.2 总线线型拓扑


总线线型结构如图2所示,线型结构的总线提供了与供电电路安装类似的沿现场电缆的连接点,现场总线电缆可通过所连接的现场设备组成回路,除主干线外的分支线也可用于连接一个或多个现场设备。


线型拓扑结构也称总线型结构,它有一条共享的主干信道,该信道可以使用一根双向传输的光纤线路或两根单向传输的光纤作线路,线路终点不闭合,而各个终端用光耦合器互联到共享信道上,采用时分多路和频分多路等方法使各个节点共享同一条信道。这种网络的主要优点是结构简单,增加和减少节点容易,一个节点功能出故障时不会影响其他节点,由于共享主干信道,因而造价相对较低。但是,如果总线本身出现故障,那么整个网络将受到损害。


2.3 组合型拓扑


组合型现场总线结构如图3所示,组合型使用树型与线型结构将会优化使用现场总线的长度,但这样做将会导致现场总线站间信号存在阻尼以及总线电缆上站点过于集中导致的信号失真。


基于IEC1158-2传输技术总线段与基于RS-485传输技术总线段可以通过DP/PA耦合器或连接器相连,耦合器使RS-485信号和IEC1158-2信号相适配。电源设备经总线为现场设备供电,这种供电方式可以限制EC1158-2总线段上的电流和电压。


如果需要外接电源设备,则需设置适当的隔离装置,将总线供电设备与外接电源设备连接在本质安全总线上。 为了增加系统的可靠性,可以设计冗余的总线段。利用总线中继器可以扩展总线站数,总站数最多126个,中继器最多4台。


现场总线上可连接的设备数量取决于供电电压、现场设备的耗电量以及现场总线的长度。为增加可靠性,可设计冗余的现场总线段。但这样就使简单的总线站(如变送器、执行器、励磁器、电磁阀等等)之间的连接变得复杂(例如双线路、双供电、本安性,增加了输入流程工作等)。


3 PROFIBUS-PA配置方式


PROFIBUS-PA配置有两种方式。


3.1 耦合器配置方式


仅使用耦合器coupler直接接PA-仪表,但这种方式通信速率较低,使得PROFIBUS-DP总线回路速率只有45.45KBit/S,适用于系统规模较小,仅使用几台或十几台仪表,同时在PROFIBUS DP一方的速率无较高要求(可以是Kbit/s);这种情况下用STEP 7组态网络时耦合器没有地址,也就是说组态时你可以不考虑它,但所有的仪表和执行器均作为DP从站占用DP的最大126个地址;


3.2 Link+coupler配置方式


采用Link+coupler的方式配置系统,适合于系统规模较大,每个站的仪表超过20台以上,而PROFIBUSDP所挂接的设备要求具有较高的通信速率,这种情况下用STEP 7组态网络时Link作为DP从站占据DP的一个地址,耦合器依然没有地址,组态时不考虑它;所有仪表和执行器均作为 Link 的从属独立于PROFIBUS DP单独进行编址,称为PA地址。通过电流消耗决定一条PA总线连接的仪表数量,如下式:

式中:Iseg:回路总电流;Ibn:总线设备基本电流消耗;Ifde:总线故障电流;Is:耦合器供电电流;M:总线设备数量;N:起始数。


举例1SIRANSTFPA型温度变送器,消耗基本电流Ibn=11mA,最大故障电流Ifde≤3mA时,则在6ES7157-0AC81-0XA0耦合器后面,最多链接温变台数:

400mA-3mA/11mA=36

举例2:若SITRANSP压力变送器其消耗基本电流Ibn=12.5mA。最大故障电流Ifde=15.5mA,则在6ES7157-0AC81-0XA0耦合器后面,最多链接压变台数:

400mA-15.5mA/12.5mA=30

但是,PROFIBUS行规协议规定,每段仅链接31台智能仪表。PA电缆长度为:安全区域为560m;危险区域为680m确保最后一台仪表的工作电压大于9V,即UBn>9.0VUBn按下式计算:

UBn=US-ISEG(R×Lges)  

式中:Ubn:最后设备电压;Us:耦合器的电压;Is:耦合器的电流;R:单位长度导线阻抗;Lges:总长度;Iseg:回路总电流。


4 结束语


在实际工作中根据实际情况进行配置,充分考虑每个从站的响应时间、通信周期、通信速率等要求。所以在PA仪表网络配置中,充分考虑以上因素,优化了网络配置,使得生产处于良好的运行状态。

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