Profibus-PA现场总线技术研究和应用

随着计算机及其网络技术的不断发展，引起了工业自动化系统结构的深刻变革。现场总线概念最早在20世纪80年代中期由欧洲提出。随着数字技术的不断发展，德国Siemens等13家工业企业和5家科研机构于1987年开始按照ISO/OSI参考模型研究制定现场总线标准并同时研制Profibus现场总线产品。经过10多年的开发、生产和应用，Profibus现场总线已形成系列产品，在世界市场上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率25%。

ProfibusInternational目前在世界各地相继组建了20个地区性的用户组织，企业会员近1000家，并于1997年7月建立Profibus中国用户协会CPO。

1 Profibus现场总线技术概述

目前支持Profibus标准的产品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。在世界范围内己安装运行的Profibus设备已超过200万台，到1998年5月，适用于过程自动化的Prof-ibus-PA仪表设备在19个国家的40个用户厂家投入现场运行。近年来，Profibus在中国取得了令人瞩目的成绩，在众多的现场总线中占居首位，Profibus总线控制系统为制造业，楼宇和过程控制自动化提供了统一的解决方案。

Profibus既适合于自动化系统与现场信号单元的通讯，也可直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其他现场仪表及设备，对现场信号进行采集和监控，并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆，大大节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用。根据统计，使用Profibus可以使工程总造价降低20%~40%。

Profibus现场总线是世界上应用最广泛的现场总线技术之一，主要由3个兼容部分组成，即Profibus-DP(Decentralized Periphery)，Profibus-PA(Process Automation)，Profibus-FMS(FieldbusMessage Specification)，适用于工厂内车间级和现场级的设备间数字化的数据交换和通信，以实现工厂现场底层到车间级分散式数字控制和现场通信网络化，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。现场总线结构如图1所示。

图1 Profibus现场总线结构

2 Profibus-PA现场总线设计

Profibus-PA是一种用于自动化控制系统和现场仪表、执行器间的串行通信系统。它以符合国际标准的Profibus-DP为基础，增加了Profibus-PA总线应用行规以及相应的传输技术，使Prof-ibus总线不仅能用于离散制造业，还能满足各种过程工业对控制的要求。Profibus-PA总线不仅可用于造纸、污水处理等一般领域，也可用于有本安防护要求的石化、化工等有爆炸危险的环境。

2.1 Profibus-PA协议结构

Profibus协议是以ISO7498OSI参考模型为基础，将通信任务划分为7层，采用了该模型中的第1层(物理层)、第2层(数据链路层)和第7层(应用层)，增加了用户接口层。Profibus-PA使用了第1层、第2层和用户接口层。

Profibus-PA采用扩展的Profibus-DP协议。另外，还使用了描述现场设备行为的PA行规。根据IEC1158-2标准，这种传输技术可确保其本质的安全性并通过总线给现场设备供电，使用段耦合器，Profibus-PA设备能很方便地连接到Profibus-DP网络中。

2.2 Profibus-PA传输协议和传输技术

2.2.1 传输协议

本质上说，Profibus-PA是Profibus-DP在现场级的通信扩展，它采用的总线机制(数据传输技术)能够满足过程工业本质安全以及系统和产品互操作性的要求，保证处于危险环境中的变送器和执行器与中央自动化系统的通信。

Profibus-PA是为过程自动化特别设计的，它将自动化系统和过程控制系统与压力、温度和液位变送器等现场设备连接起来。它可用来替代4~20mA的模拟技术。使用传统方法与使用Prof-ibus-PA的比较如图2所示。从现场到现场多路开关基本一致。使用传统布线方法，每一个信号都需独立引线至过程控制系统的I/O模板;每个设备都需单独电源。相反，使用Profibus-PA，只需一对电缆就可以传输所有信息并向现场设备供电;不仅节省电缆费用，同时减少了系统I/O模板数量。

图2 传统方法与使用Profibus-PA的比较

2.2.2 传输技术

Profibus-PA传输技术采用IEC1158-2技术，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本身安全性，并通过总线对现场设备供电。IEC1158-2是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1。IEC1158-2技术用于Profibus-PA，其传输以下列原理为依据:

1)每段只有1个电源作为供电装置;

2)当站收发信息时，不向总线供电;

3)每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流;

4)现场设备的作用如同无源的电流吸收装置;

5)主总线两端起无源终端线作用;

6)允许使用线性、树型和星型网络;

7)为提高可