Profibus-PA現場總線技術研究和應用

隨著計算機及其網絡技術的不斷發展，引起了工業自動化系統結構的深刻變革。現場總線概念最早在20世紀80年代中期由歐洲提出。隨著數位技術的不斷發展，德國Siemens等13家工業企業和5家科研機構於1987年開始按照ISO/OSI參考模型研究制定現場總線標準並同時研製Profibus現場總線產品。經過10多年的開發、生產和應用，Profibus現場總線已形成系列產品，在世界市場上已被普遍接受，市場份額佔歐洲首位，年增長率25%。

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ProfibusInternational目前在世界各地相繼組建了20個地區性的用戶組織，企業會員近1000家，並於1997年7月建立Profibus中國用戶協會CPO。

1 Profibus現場總線技術概述

目前支持Profibus標準的產品超過1500多種，分別來自國際上250多個生產廠家。在世界範圍內己安裝運行的Profibus設備已超過200萬臺，到1998年5月，適用於過程自動化的Prof-ibus-PA儀表設備在19個國家的40個用戶廠家投入現場運行。近年來，Profibus在中國取得了令人矚目的成績，在眾多的現場總線中佔居首位，Profibus總線控制系統為製造業，樓宇和過程控制自動化提供了統一的解決方案。

Profibus既適合於自動化系統與現場信號單元的通訊，也可直接連接帶有接口的變送器、執行器、傳動裝置和其他現場儀表及設備，對現場信號進行採集和監控，並且用一對雙絞線替代了傳統的大量的傳輸電纜，大大節省了電纜的費用，也相應節省了施工調試以及系統投運後的維護時間和費用。根據統計，使用Profibus可以使工程總造價降低20%~40%。

Profibus現場總線是世界上應用最廣泛的現場總線技術之一，主要由3個兼容部分組成，即Profibus-DP(Decentralized Periphery)，Profibus-PA(Process Automation)，Profibus-FMS(FieldbusMessage Specification)，適用於工廠內車間級和現場級的設備間數位化的數據交換和通信，以實現工廠現場底層到車間級分散式數字控制和現場通信網絡化，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。現場總線結構如圖1所示。

圖1 Profibus現場總線結構

2 Profibus-PA現場總線設計

Profibus-PA是一種用於自動化控制系統和現場儀表、執行器間的串行通信系統。它以符合國際標準的Profibus-DP為基礎，增加了Profibus-PA總線應用行規以及相應的傳輸技術，使Prof-ibus總線不僅能用於離散製造業，還能滿足各種過程工業對控制的要求。Profibus-PA總線不僅可用於造紙、汙水處理等一般領域，也可用於有本安防護要求的石化、化工等有爆炸危險的環境。

2.1 Profibus-PA協議結構

Profibus協議是以ISO7498OSI參考模型為基礎，將通信任務劃分為7層，採用了該模型中的第1層(物理層)、第2層(數據鏈路層)和第7層(應用層)，增加了用戶接口層。Profibus-PA使用了第1層、第2層和用戶接口層。

Profibus-PA採用擴展的Profibus-DP協議。另外，還使用了描述現場設備行為的PA行規。根據IEC1158-2標準，這種傳輸技術可確保其本質的安全性並通過總線給現場設備供電，使用段耦合器，Profibus-PA設備能很方便地連接到Profibus-DP網絡中。

2.2 Profibus-PA傳輸協議和傳輸技術

2.2.1 傳輸協議

本質上說，Profibus-PA是Profibus-DP在現場級的通信擴展，它採用的總線機制(數據傳輸技術)能夠滿足過程工業本質安全以及系統和產品互操作性的要求，保證處於危險環境中的變送器和執行器與中央自動化系統的通信。

Profibus-PA是為過程自動化特別設計的，它將自動化系統和過程控制系統與壓力、溫度和液位變送器等現場設備連接起來。它可用來替代4~20mA的模擬技術。使用傳統方法與使用Prof-ibus-PA的比較如圖2所示。從現場到現場多路開關基本一致。使用傳統布線方法，每一個信號都需獨立引線至過程控制系統的I/O模板;每個設備都需單獨電源。相反，使用Profibus-PA，只需一對電纜就可以傳輸所有信息並向現場設備供電;不僅節省電纜費用，同時減少了系統I/O模板數量。