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[摘要]Profibus-PA以ProfibusDP為基礎,增加了PA總線應用行規以及相應的傳輸技術,使現場總線Profibus能夠滿足各種過程工業對控制的要求。與傳統信號輸出方式相比較,Profibus-PA現場總線具有較高的性能價格比、可靠的數據傳輸、快速的數據響應以及強大的抗干擾能力。結合工程設計實例，探討了在工程設計中使用Profibus-PA現場總線需注意的事項和基本設計原則。

[關鍵詞]Profibus-PA；現場總線；網絡鏈路設計；數據傳輸

傳統的4~20mA輸出儀表通過變送器把物理量轉換為穩定輸出的電流信號,通過電纜傳輸到PLC或DCS的I/O通道；通過在4~20mA電流上疊加Hart信號還能為控制室的操作員提供儀表診斷信息。它的局限性在于每一個變送器輸出回路的4~20mA電流必須用獨自的2芯信號電纜傳輸,隨著信號輸出回路的增加,信號電纜的芯數也隨之增加。Hart信號的原理是在低頻的4～20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數字信號進行雙向數字通訊,數據傳輸率僅為1.2kbps。隨著現代信息化、數字化工廠的過程自動化設計越來越復雜,龐大數量的傳統儀表勢必帶來巨大的電纜安裝敷設工作量，儀表維護也會更加困難。因此，在綜合考慮安裝、維護成本的情況下,使用物理連接更簡便、傳遞速率更高的信號采集方式勢必成為趨勢。

1現場總線

現場總線是應用在過程控制場合實現雙向串行多節點數字通訊的系統,也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。由于傳統的模擬信號的傳遞需要一對一的物理連接,信號變化緩慢,提高計算速度與精度的開銷難度較大,信號傳輸的抗干擾能力也較差,人們開始尋求用數字信號取代模擬信號,于是出現了數字直接控制。新型的現場總線控制系統把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標準化的解決方案,可以把來自不同廠商而遵守同一協議規范的自動化設備通過現場總線網絡組成系統,實現自動化的各種綜合功能。

2Profibus-PA在種類繁多的現場

總線協議中，Profibus-PA（ProcessAutomation）是專門用于自動化控制系統和現場儀表、執行器之間的串行通訊系統。它以符合國際標準的ProfibusDP為基礎，增加了PA總線應用行規以及相應的傳輸技術，使現場總線Profibus能夠滿足各種過程工業對控制的要求。Profibus-PA專為過程控制應用程序而設計，它取代了過程控制中傳統的4~20mA標準信號，傳統信號路徑與Prpfibus-PA信號傳輸路徑的比對如圖1所示。由于Profibus-PA是Profibus-DP的延伸和擴展，所以Profibus-PA的通信協議也稱為DP-V1，通過信號耦合器，Profibus-PA（DP-V1）和Profibus-DP(DP-V0)可以同時存在于一個系統中。物理傳輸使用MBP方式(IEC61158-2)，使用兩線制技術實現遠程供電和通信(防爆、非防爆)，并且集成了極性反接保護功能，其固定的波特率為31.25kBit/s[1]。

3工程應用優勢

Profibus-PA通過建立生產過程領域的基本控制設備（即現場級設備）之間以及更高層次自動控制領域的自動化控制設備(即車間級設備)之間的聯系。與傳統的PLC點對點的控制方法相比，現場總線控制系統具有如下優勢：1）Profibus-PA具有較高的性能價格比。伴隨導線數量的減少，接線端子、電纜橋架等附件減少，降低設計、安裝、調試、維護的費用,縮短了維護和改造的停工時間。原來繁瑣的原理圖、布線圖設計變得簡單易行，標準接插件快速、簡便的安裝，使人力、物力大量的減少，強大的故障診斷能力，使系統的調試和維護變得輕松和愉快[3]。2）Profibus-PA具有可靠的數據傳輸、快速的數據響應功能，以及強大的抗干擾能力。Profibus-PA通訊協議在通訊介質、信息檢驗、信息糾錯、重復地址檢測等方面都有嚴格的規定,從而確保總線通訊快速響應、穩定可靠的運行。它能夠自動診斷、顯示故障位置,診斷包括總線節點的通訊故障、電源故障,以及現場裝置和連接件的斷路、短路故障,從而迅速地發現系統的各種故障位置和狀態。采用數字信號通訊,有效提高系統的測量和控制精度。各種開關量、模擬量信號就近轉變為數字信號,避免了信號的衰減和變形。許多總線節點具有IP67的防護等級,具有防水、防塵、抗振動的特性,可以直接安裝在工業設備上,大大減少了現場接線箱的數量。

4Profibus-PA在工程設計中的應用

4.1網絡鏈路的組成

典型的Profibus-PA網絡鏈路硬件包括：1)低能耗的現場設備。主要包括壓力變送器、溫度變送器、閥門定位器等可以通過二線制供電的終端；如果是電磁流量計等功率更大的設備，除總線信號回路外,還需要設計額外的電源回路。2）耦合器。耦合器安裝在控制系統機柜內，用于轉換DP和PA的信號。通常，1個耦合器下的PA節點屬于1個網段，IEC61158-2指出：1個儀表總線網段上最多可連接32臺現場設備，由于現場安裝、施工中存在的種種問題，實際應用中連接約28臺設備。連接儀表的具體數量由不同廠家生產的總線儀表的耗電量決定。PA總線通過使用耦合器可連到電氣的或使用光纖傳輸的DP總線系統中，大大擴展了總線系統的覆蓋范圍。3）總線分配器。通過分配器將現場設備以主干線—分支的拓撲結構連接到系統,分配器具有四通道和八通道兩種選型。分配器儀表安裝在現場儀表附近，以縮短分支總線電纜的長度。一般的總線分配器內置自動總線終端，可以通過LED狀態指示能快速診斷主線、支線的短路狀態；有些型號還具有電流限制的功能，可任意分支通道出現大電流時自動隔離故障分支,以防止其影響整個網段的工作。

4.2Profibus-PA電纜

選擇不同的電纜所允許的網段長度不同，在危險場合使用時，網絡長度則較短。在通常的工程設計應用中，A類電纜使用較廣泛。

4.3常用的網絡鏈路設計

每個網段最多32個設備(EEx-iaIIC應用最多10個設備)；電纜最長1900m(EEx應用最長1000m)。常用的網絡鏈路設計有樹形、線類、樹形+線類、線類+樹類+繼電器。

4.4屏蔽與接地

與其他的信號傳輸方式一樣，Profibus-PA網絡中的屏蔽和接地非常重要。在理想情況下，電纜的屏蔽層要和設備的金屬保護外殼或外罩可靠地連接在一起，它們之間的連接，以及網段之間電纜屏蔽層的連接都必須保證是低阻抗連接。通常的做法是：主干線的屏蔽層在系統側接到PLC/DCS的工作接地排，現場側接到總線分配器（接線盒）的工作接地接線柱上(有的是通過格蘭頭與外殼導通）；接線盒如果是金屬外殼則應配有接地螺栓，接地螺栓在現場做保護接地。支線電纜的屏蔽層在總線分配器側接到工作接地的接線柱上，現場側與現場設備內的接地排連接。現場設備通過設備、管道、結構可靠接地。

5Profibus-PA網絡設計

計算Profibus-PA網絡設計過程包括：選擇網絡電纜、耦合器、分配接線盒（JB），計算網段總消耗電流、每個總線設備或裝置的供電電壓，其原則是網段總消耗電流要小于耦合器所能提供的額定電流，每個設備上的供電電壓要大于設備正常工作所要求的額定值。

5.1電流計算網段的總消耗

電流的計算方法如下：首先測定每個設備從PA電纜上消耗的基本電流（該電流可從設備的基本參數中獲得）；再測定有關設備可能的最大故障電流，總的消耗電流等于所有設備的基本電流總和加上最大故障電流。

5.2電壓計算設備

供電電壓的計算方法是運用歐姆定律推算出每段電纜上的電壓降，求出網段上每個配線盒處的電壓，用耦合器的供電電壓減去相應的電壓降即可求得加在該設備上的供電電壓。一般的PA現場總線設備的額定電壓值是9V，只要在網段上最遠端的設備上的供電電壓大于額定電壓值,該網段設計的供電電壓可行。

5.3計算工具

西門子公司的SIMATICFIELDBUSCACULATOR可以比較直觀地通過輸入耦合器下網段Profibus-PA總線有源分配器的型號、通道數量、電纜長度、儀表消耗電流得出整個網段的電壓、電流結果，可免去了人工計算。

6結束語

Prfibus-PA現場總線技術具備現場總線的數字化、信息化的技術特征，區別于Profibus-DP,Moudbus、工業以太網等面向設備通信的協議，其數據鏈路，規約更符合現場儀表的應用需求；Profibus-PA在各大知名儀表生產商的產品線中普及度高，基本上各品牌、各產品門類都有支持Profibus-PA總線通訊的變送器或通信模塊，使得工程設計者在設計階段有足夠的時間和空間考量項目上的通信布局，結合專業的計算軟件，很多現場施工安裝問題能夠在設計的過程中得到解決、規避。隨著技術的不斷革新，就像模擬向數字轉變一樣，現場總線也不再局限于數據通信的技術范疇。各種控制功能塊，控制網格的網絡管理、系統管理內容的不斷擴充，將使現場總線逐漸成為網絡系統與自動化系統的結合體，形成先進的控制網絡技術。

參考文獻

[1]惠敦炎.Profibus-PA網絡概述[J].測控技術,2001,20（3）：8-14.

[2]陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[3]徐春玲,凌志浩.本安現場總線系統Profibus-PA及其應用[J].自動化儀表,2006,27(7):42-45.

作者：黃仍杰 單位：中國瑞林工程技術有限公司