Profibus-PA現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)研究和應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)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(tǒng)結(jié)構(gòu)的深刻變革?，F(xiàn)場(chǎng)總線概念最早在20世紀(jì)80年代中期由歐洲提出。隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，德國(guó)Siemens等13家工業(yè)企業(yè)和5家科研機(jī)構(gòu)于1987年開(kāi)始按照ISO/OSI參考模型研究制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)并同時(shí)研制Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)10多年的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用，Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線已形成系列產(chǎn)品，在世界市場(chǎng)上已被普遍接受，市場(chǎng)份額占?xì)W洲首位，年增長(zhǎng)率25%。

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

1 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概述

目前支持Profibus標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品超過(guò)1500多種，分別來(lái)自國(guó)際上250多個(gè)生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)己安裝運(yùn)行的Profibus設(shè)備已超過(guò)200萬(wàn)臺(tái)，到1998年5月，適用于過(guò)程自動(dòng)化的Prof-ibus-PA儀表設(shè)備在19個(gè)國(guó)家的40個(gè)用戶廠家投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。近年來(lái)，Profibus在中國(guó)取得了令人矚目的成績(jī)，在眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線中占居首位，Profibus總線控制系統(tǒng)為制造業(yè)，樓宇和過(guò)程控制自動(dòng)化提供了統(tǒng)一的解決方案。

Profibus既適合于自動(dòng)化系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(dòng)裝置和其他現(xiàn)場(chǎng)儀表及設(shè)備，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集和監(jiān)控，并且用一對(duì)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(fèi)用，也相應(yīng)節(jié)省了施工調(diào)試以及系統(tǒng)投運(yùn)后的維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用Profibus可以使工程總造價(jià)降低20%~40%。

Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(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)，適用于工廠內(nèi)車間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的設(shè)備間數(shù)字化的數(shù)據(jù)交換和通信，以實(shí)現(xiàn)工廠現(xiàn)場(chǎng)底層到車間級(jí)分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)化，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案?，F(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)

2 Profibus-PA現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)

Profibus-PA是一種用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)儀表、執(zhí)行器間的串行通信系統(tǒng)。它以符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的Profibus-DP為基礎(chǔ)，增加了Profibus-PA總線應(yīng)用行規(guī)以及相應(yīng)的傳輸技術(shù)，使Prof-ibus總線不僅能用于離散制造業(yè)，還能滿足各種過(guò)程工業(yè)對(duì)控制的要求。Profibus-PA總線不僅可用于造紙、污水處理等一般領(lǐng)域，也可用于有本安防護(hù)要求的石化、化工等有爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境。

2.1 Profibus-PA協(xié)議結(jié)構(gòu)

Profibus協(xié)議是以ISO7498OSI參考模型為基礎(chǔ)，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(shù)據(jù)鏈路層)和第7層(應(yīng)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(kuò)展的Profibus-DP協(xié)議。另外，還使用了描述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的PA行規(guī)。根據(jù)IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)，這種傳輸技術(shù)可確保其本質(zhì)的安全性并通過(guò)總線給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電，使用段耦合器，Profibus-PA設(shè)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(xiàn)場(chǎng)級(jí)的通信擴(kuò)展，它采用的總線機(jī)制(數(shù)據(jù)傳輸技術(shù))能夠滿足過(guò)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(xiǎn)環(huán)境中的變送器和執(zhí)行器與中央自動(dòng)化系統(tǒng)的通信。

Profibus-PA是為過(guò)程自動(dòng)化特別設(shè)計(jì)的，它將自動(dòng)化系統(tǒng)和過(guò)程控制系統(tǒng)與壓力、溫度和液位變送器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(tǒng)方法與使用Prof-ibus-PA的比較如圖2所示。從現(xiàn)場(chǎng)到現(xiàn)場(chǎng)多路開(kāi)關(guān)基本一致。使用傳統(tǒng)布線方法，每一個(gè)信號(hào)都需獨(dú)立引線至過(guò)程控制系統(tǒng)的I/O模板;每個(gè)設(shè)備都需單獨(dú)電源。相反，使用Profibus-PA，只需一對(duì)電纜就可以傳輸所有信息并向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電;不僅節(jié)省電纜費(fèi)用，同時(shí)減少了系統(tǒng)I/O模板數(shù)量。