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。[page]

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)为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段;

    8)为了调制的目的，每个总线站至少需用10mA基本电流才能使设备启动。

    2.3 Profibus-PA总线存取协议

    3种Profibus(DP，FMS，PA)均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型的第2层来实现的。它也包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。

    在Profibus中，第2层称为现场总线数据链路层(FDL)。介质访问控制(MAC)具体控制数据传输的程序。MAC必须确保在任何一个时刻只能有一个站点发送数据。Profibus协议的设计旨在满足介质存取控制的两个基本要求:1)在复杂的自动化系统(主站)间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。2)在复杂的程序控制器和简单的I/O设备(从站)间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。  2.4 Profibus-PA行规

    Profibus-PA行规保证了不同厂商所生产的现场设备的互换性和互操作性，从Profibus用户组织订购，订单编号为3.042。Profibus-PA行规的任务是选用各种类型现场设备真正需要的通信功能，并提供这些设备功能和设备行为的一切必要规范，也包括适用于各种类型设备的组态信息的设备数据单。对所有通用的测量变送器和其他被选类型的设备作了具体规定，这些设备如:压力、液位、温度和流量用的测量变送器;数字量输入和输出;模拟量输入和输出;阀门;定位器等。每台设备将提供Profibus-PA行规定的各项参数。

    2.5 Profibus-PA接口技术

    Profibus协议是开放的，与制造商无关，没有知识产权的标准。世界上任何人都可以获得这个标准并开发设计出自己的软、硬件解决方案。原则上，Profibus协议在任何微处理器上都可以实现。在微处理器内部或外部安装异步串行通信接口即可完成。但当数据传输速率超过500Kbit/s，或需要使用IEC1158-2传输技术时，一般建议使用协议专用芯片。

    2.5.1 Profibus协议专用ASICs芯片)))SPC4芯片

    ASICs芯片SPC4是一种用于从站的智能通信芯片，由于该芯片具有低功耗管理系统，因此特别适合用于本质安全场合，适合用作Profibus-PA协议的开发。Profibus-PA是用于过程自动化的Profibus。物理层传输技术符合IEC1158-2，而链路层以上与Profibus-DP相同。SPC4用于Prof-ibus-DP从站连接时使用带隔离的RS-485驱动。

    SPC4还提供了SIM1的同步接口，SIM1芯片用于Profibus-PA单元，数据传输符合IEC1158-2;同时该芯片具有1.5Kbyte的信息报文存储器。

    SPC4可处理报文，地址码及备份数据序列，可完全按照协议，完成Profibus-DP网络上的数据通信，加快了协议的处理过程，现场设备及接口模块中微处理器的工作可以减轻。总线存取采用硬件驱动。Profibus-PA的参数和诊断功能均可由固态程序完成。SPC4需要与微处理器及其他固态程序一起工作。

    2.5.2 PB-B-RS-232接口模块

    PB-B-RS-232接口模块是Profibus总线bridge(桥)系列中的产品，通过该模块可以将具有RS-232接口的现场设备连接到Profibus总线上，使设备成为Profibus总线上的一个从站。应用总线桥将RS-232或RS-485接口设备连接到Prof-ibus总线上，凡具有RS-232接口、用户能够得到接口通信协议的现场设备，都可以使用本产品实现现场设备与Profibus的互连。如:变频器、智能现场测量设备及仪表等。

    2.5.3 Profibus-PA开发包

    开发包可以帮助建立满足协议标准的Prof-ibus从站:如Profibus-DPV1(RS-485)、Profibus-PA(IEC1158-2)、基于光缆的Profibus等，开发环境说明了ASICSIM1如何作为介质附属单元而使系统按照IEC1158-2的要求适合Profibus-PA技术。

    Profibus-PA设备必须通过提供PDM软件进行组态。Coupler的目的是将DP技术转换PA技术，并且只要正确连接电缆便能与主系统实现通讯。[page]

3 Profibus-PA总线的工程实例

    从市场上看，自1998年Profibus-PA在国内首次安装后，其应用领域已扩大到多种行业，并正以每年超过100%的增长率快速进入更多的行业。

    自控系统的主要供应商Siemens，ABB，Honeywell，AB，Fisher-Rosemount等均已在其系统中集成了该总线。可以预见，在未来几年，总线仪表将会逐步代替传统4~20mA模拟仪表且实现国产化。

    3.1 Rofibus-PA在Wacker化工厂的应用

    Wacker化工厂是在1914年10月由德国Dr.AlexanderWacker建立的。1992年，该化工厂员工人数达到113万人，实现32亿德国马克的营业额，主要生产硅和胶制品。Wacker化工厂从1997年1月开始实施Rofibus-PA项目，在该项目中仪器仪表和控制设备的总价值达500万马克，总共使用了1000个Rofibus-PA的传感器和执行器，如图3所示。由于Profibus-PA的使用，使新的生产线的设计、安装费用节省约2百万马克。

图3 Profibus-PA在Wacker化工厂的应用

    3.2 Profibus-PA在Bitburger啤酒厂的应用

    250kt/aBitburger啤酒厂是欧洲最大的啤酒生产基地。由于Profibus-PA容易安装，节省成本;集中组态，系统建立简单;提高准确性，使有更高安全性和有效性;减少维护，节省成本;开放的国际标准，使投资安全等众多特点，该厂选择了该总线技术，如图4所示。

图4 Profibus-PA在Bitburger啤酒厂的应用

4 结束语

    到目前为止，国内还没有企业自己能够开发Profibus-PA总线产品，现有国内市场上的Prof-ibus-PA总线接口产品都是由国外引进的，价格昂贵。本文对Profibus-PA的研究具有较大的市场潜力，对自动化控制领域技术进步和缩小与国外技术水平的差距具有一定的意义。