Profibus-PA現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)研究和應用

隨著(zhù)計算機及其網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展，引起了工業(yè)自動(dòng)化系統結構的深刻變革?，F場(chǎng)總線(xiàn)概念最早在20世紀80年代中期由歐洲提出。隨著(zhù)數字技術(shù)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(kāi)始按照ISO/OSI參考模型研究制定現場(chǎng)總線(xiàn)標準并同時(shí)研制Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)10多年的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應用，Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)已形成系列產(chǎn)品，在世界市場(chǎng)上已被普遍接受，市場(chǎng)份額占歐洲首位，年增長(cháng)率25%。

ProfibusInternational目前在世界各地相繼組建了20個(gè)地區性的用戶(hù)組織，企業(yè)會(huì )員近1000家，并于1997年7月建立Profibus中國用戶(hù)協(xié)會(huì )CPO。

1 Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)概述

目前支持Profibus標準的產(chǎn)品超過(guò)1500多種，分別來(lái)自國際上250多個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家。在世界范圍內己安裝運行的Profibus設備已超過(guò)200萬(wàn)臺，到1998年5月，適用于過(guò)程自動(dòng)化的Prof-ibus-PA儀表設備在19個(gè)國家的40個(gè)用戶(hù)廠(chǎng)家投入現場(chǎng)運行。近年來(lái)，Profibus在中國取得了令人矚目的成績(jì)，在眾多的現場(chǎng)總線(xiàn)中占居首位，Profibus總線(xiàn)控制系統為制造業(yè)，樓宇和過(guò)程控制自動(dòng)化提供了統一的解決方案。

Profibus既適合于自動(dòng)化系統與現場(chǎng)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(dòng)裝置和其他現場(chǎng)儀表及設備，對現場(chǎng)信號進(jìn)行采集和監控，并且用一對雙絞線(xiàn)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后的維護時(shí)間和費用。根據統計，使用Profibus可以使工程總造價(jià)降低20%~40%。

Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)是世界上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)之一，主要由3個(gè)兼容部分組成，即Profibus-DP(Decentralized Periphery)，Profibus-PA(Process Automation)，Profibus-FMS(FieldbusMessage Specification)，適用于工廠(chǎng)內車(chē)間級和現場(chǎng)級的設備間數字化的數據交換和通信，以實(shí)現工廠(chǎng)現場(chǎng)底層到車(chē)間級分散式數字控制和現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )化，從而為實(shí)現工廠(chǎng)綜合自動(dòng)化和現場(chǎng)設備智能化提供了可行的解決方案?，F場(chǎng)總線(xiàn)結構如圖1所示。

圖1 Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)結構

2 Profibus-PA現場(chǎng)總線(xiàn)設計

Profibus-PA是一種用于自動(dòng)化控制系統和現場(chǎng)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(xiàn)應用行規以及相應的傳輸技術(shù)，使Prof-ibus總線(xiàn)不僅能用于離散制造業(yè)，還能滿(mǎn)足各種過(guò)程工業(yè)對控制的要求。Profibus-PA總線(xiàn)不僅可用于造紙、污水處理等一般領(lǐng)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(wù)劃分為7層，采用了該模型中的第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(hù)接口層。Profibus-PA使用了第1層、第2層和用戶(hù)接口層。

Profibus-PA采用擴展的Profibus-DP協(xié)議。另外，還使用了描述現場(chǎng)設備行為的PA行規。根據IEC1158-2標準，這種傳輸技術(shù)可確保其本質(zhì)的安全性并通過(guò)總線(xiàn)給現場(chǎng)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(luò )中。

2.2 Profibus-PA傳輸協(xié)議和傳輸技術(shù)

2.2.1 傳輸協(xié)議

本質(zhì)上說(shuō)，Profibus-PA是Profibus-DP在現場(chǎng)級的通信擴展，它采用的總線(xiàn)機制(數據傳輸技術(shù))能夠滿(mǎn)足過(guò)程工業(yè)本質(zhì)安全以及系統和產(chǎn)品互操作性的要求，保證處于危險環(huán)境中的變送器和執行器與中央自動(dòng)化系統的通信。

Profibus-PA是為過(guò)程自動(dòng)化特別設計的，它將自動(dòng)化系統和過(guò)程控制系統與壓力、溫度和液位變送器等現場(chǎng)設備連接起來(lái)。它可用來(lái)替代4~20mA的模擬技術(shù)。使用傳統方法與使用Prof-ibus-PA的比較如圖2所示。從現場(chǎng)到現場(chǎng)多路開(kāi)關(guān)基本一致。使用傳統布線(xiàn)方法，每一個(gè)信號都需獨立引線(xiàn)至過(guò)程控制系統的I/O模板;每個(gè)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場(chǎng)設備供電;不僅節省電纜費用，同時(shí)減少了系統I/O模板數量。