Profibus-PA現(xiàn)場總線技術研究和應用

隨著計算機及其網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，引起了工業(yè)自動化系統(tǒng)結構的深刻變革?，F(xiàn)場總線概念最早在20世紀80年代中期由歐洲提出。隨著數(shù)字技術的不斷發(fā)展，德國Siemens等13家工業(yè)企業(yè)和5家科研機構于1987年開始按照ISO/OSI參考模型研究制定現(xiàn)場總線標準并同時研制Profibus現(xiàn)場總線產(chǎn)品。經(jīng)過10多年的開發(fā)、生產(chǎn)和應用，Profibus現(xiàn)場總線已形成系列產(chǎn)品，在世界市場上已被普遍接受，市場份額占歐洲首位，年增長率25%。

ProfibusInternational目前在世界各地相繼組建了20個地區(qū)性的用戶組織，企業(yè)會員近1000家，并于1997年7月建立Profibus中國用戶協(xié)會CPO。

1 Profibus現(xiàn)場總線技術概述

目前支持Profibus標準的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自國際上250多個生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)己安裝運行的Profibus設備已超過200萬臺，到1998年5月，適用于過程自動化的Prof-ibus-PA儀表設備在19個國家的40個用戶廠家投入現(xiàn)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(xiàn)場總線中占居首位，Profibus總線控制系統(tǒng)為制造業(yè)，樓宇和過程控制自動化提供了統(tǒng)一的解決方案。

Profibus既適合于自動化系統(tǒng)與現(xiàn)場信號單元的通訊，也可直接連接帶有接口的變送器、執(zhí)行器、傳動裝置和其他現(xiàn)場儀表及設備，對現(xiàn)場信號進行采集和監(jiān)控，并且用一對雙絞線替代了傳統(tǒng)的大量的傳輸電纜，大大節(jié)省了電纜的費用，也相應節(jié)省了施工調(diào)試以及系統(tǒng)投運后的維護時間和費用。根據(jù)統(tǒng)計，使用Profibus可以使工程總造價降低20%~40%。

Profibus現(xiàn)場總線是世界上應用最廣泛的現(xiàn)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)，適用于工廠內(nèi)車間級和現(xiàn)場級的設備間數(shù)字化的數(shù)據(jù)交換和通信，以實現(xiàn)工廠現(xiàn)場底層到車間級分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡化，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設備智能化提供了可行的解決方案?，F(xiàn)場總線結構如圖1所示。

圖1 Profibus現(xiàn)場總線結構

2 Profibus-PA現(xiàn)場總線設計

Profibus-PA是一種用于自動化控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表、執(zhí)行器間的串行通信系統(tǒng)。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(guī)以及相應的傳輸技術，使Prof-ibus總線不僅能用于離散制造業(yè)，還能滿足各種過程工業(yè)對控制的要求。Profibus-PA總線不僅可用于造紙、污水處理等一般領域，也可用于有本安防護要求的石化、化工等有爆炸危險的環(huán)境。

2.1 Profibus-PA協(xié)議結構

Profibus協(xié)議是以ISO7498OSI參考模型為基礎，將通信任務劃分為7層，采用了該模型中的第1層(物理層)、第2層(數(shù)據(jù)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采用擴展的Profibus-DP協(xié)議。另外，還使用了描述現(xiàn)場設備行為的PA行規(guī)。根據(jù)IEC1158-2標準，這種傳輸技術可確保其本質(zhì)的安全性并通過總線給現(xiàn)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(wǎng)絡中。

2.2 Profibus-PA傳輸協(xié)議和傳輸技術

2.2.1 傳輸協(xié)議

本質(zhì)上說，Profibus-PA是Profibus-DP在現(xiàn)場級的通信擴展，它采用的總線機制(數(shù)據(jù)傳輸技術)能夠滿足過程工業(yè)本質(zhì)安全以及系統(tǒng)和產(chǎn)品互操作性的要求，保證處于危險環(huán)境中的變送器和執(zhí)行器與中央自動化系統(tǒng)的通信。

Profibus-PA是為過程自動化特別設計的，它將自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與壓力、溫度和液位變送器等現(xiàn)場設備連接起來。它可用來替代4~20mA的模擬技術。使用傳統(tǒng)方法與使用Prof-ibus-PA的比較如圖2所示。從現(xiàn)場到現(xiàn)場多路開關基本一致。使用傳統(tǒng)布線方法，每一個信號都需獨立引線至過程控制系統(tǒng)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并向現(xiàn)場設備供電;不僅節(jié)省電纜費用，同時減少了系統(tǒng)I/O模板數(shù)量。