Profibus2PA现场仪表接口开发与应用

目前,可用于本质安全区域的现场总线设备协议有HART、FF和Profibus2PA。其中,HART总线只包括物理层协议; FF是一种高成本的现场总线; Profibus2PA总线系统将过程控制系统与现场设备(如压力、温度和液位变送器等)连接起来,代替了4~20mA模拟信号传输技术,应用于过程控制的PA仪表是现场总线控制系统中的关键设备,有着很大的市场需求。

1　PA产品开发的关键技术

1.1　采用IEC61158-2传输技术

物理层协议是网络中最低层协议,为链路层透明位流传输提供所必须遵循的规则,即物理接口。Profi2bus2PA所执行的IEC61158-2标准的传输技术是一种位同步协议,其传输技术原理是:每段只有一个电源和供电装置,站发送信息时不向总线供电,每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流,现场设备的作用如同无源的电流吸收装置。通信信号采用曼彻斯特编码,它是通过对基本电流在±9mA范围内进行适当的调制而获得的。在Profibus2PA系统中,总线上电压范围为9~32V,电流范围为4~40mA,波物率固定为31.25 kbps。在实际系统中所测量的未经调制的发送信号TXD曼彻斯特编码波形如图1中通道2所示。

为实现PA设备的总线供电,曼彻斯特编码与一个18.4V左右的直流电压经调制后在总线上的波形如图1中通道1所示。

1.2　DP扩展功能

Profibus自问世以来,一直在不断地发展与完善。对于主站和从站间的循环数据交换通过DP基本功能(版本DP-V0)来规定。依据各种应用领域的特殊需求,这些DP基本功能已经逐步地进行了扩展,所以现在有3种版本:DP-V0提供DP基本功能,包括主站与从站间循环的数据交换,以及站诊断、模块诊断和特定通道的诊断;DP-V1包含依据过程自动化的需求而增加的功能,特别是用于参数赋值、操作、智能现场设备的可视化和报警处理等非循环的数据通信,从而允许用工程工具在线访问从站;DP-V2主要包括根据驱动技术的需求而增加的其它功能,解决了从站之间的通信与时间同步等一系列重大的问题。

DPV1的优越性主要是增加了非循环服务和扩大了同二类主站的通信。PA产品的开发作为现场智能仪表至少应实现到DPV1的基本功能,使总线系统能够利用循环服务周期地从现场PA仪表接收测量值和状态信息,利用非循环服务对所连接的PA仪表的所有参数和功能进行访问。在一个循环周期内,交换现场仪表和一类主站动态信息,多数信息只传输一个动态值,即每台仪表每次循环交换5 Byte有效数据。PA段的循环时间直接与连接仪表的数量和被传输值的数量有关,对于比较复杂的仪表,循环时间相应地延长。在执行非循环服务时,每次循环要为传输各种参数数据提供一个时间窗口,这要在网络组态时确定。

1.3　Profibus2PA设备行规

PA行规是专为过程自动化制定的行规,采用国际公认的功能块模型来描述设备功能和参数,支持不同制造商生产的PA现场设备的可互换性和可互操作性。依据功能块技术,包括对所有类型现场设备都有效的一般定义和设备数据单(如温度、压力、液位、流量变送器和定位器等),另外还包括个别设备类型专用信息的设备数据单。既适用于只有一个被测变量(单变量)的设备描述,也适用于有若干个被测变量(多变量)的多功能设备描述。

一个应用包含若干个功能块,这些功能块由设备制造商集成到现场设备中。除了应用专用的功能块外,还有物理块(physical block)和转换块( transducerblock)两个功能块供设备专用特性使用。

2　可能的实现方案

目前支持PA协议的Profibus从站智能协议芯片,有西门子的SPC4和DPC31。它们都具有低功耗管理系统,因此特别适用于本质安全场合,都具有曼彻斯特编码解码器,可以通过3线(TXS, RXS, TXE)或2线(TXSD,RXS)方式与调制解调器SIM1相连,使传输符合IEC61158-2标准,并通过SIM1分离传输信号和为整个设备供电的3.3V/5V电源实现总线供电。

2.1　SPC4+SIM1+uP

SPC4协议芯片支持DP、DPV1和PA协议,既可用于DP也可用于PA从站设备中。它可以处理profibus国际标准EN50170所规定的1~2层协议,但必须通过8位并行数据总线与一个微处理器结合才能进行工作。由于SPC4仅集成了部分的从站状态机,只有数据交换和一些输入缓冲区(如Read Input,Read Out2put,Diag, Get Config)的处理被集成,而其它报文(如Set Prm,Check Cfg)则要由软件进行处理,因此需要非常复杂协议处理软件。所有数据的处理都是采用轮询列表的方式由软件实现,并要完全遵照协议要求,其缓冲区需要动态分配。为了与报文处理同步, SPC4还必需有一个确定的最小速率。

2.2　DPC31+SIM1+uP

DPC31协议芯片主要由SPC3加上更多的RAM和一个集成的8031内核组成,支持DP、DPV1和PA协议。如果将DPC31用于DP从站的设计,