第四章 profibus-PA

PROFIBUS-PA总线系统结构及其接口模块设计徐春玲1,2凌志浩1（华东理工大学自动化系1，上海 200237；上海新侨职业技术学院2，上海 200237）摘要：分析了PROFIBUS-PA的系统结构，讨论了支持PROFIBUS-PA的接口模块设计的合适方案，介绍了变送器的PROFIBUS-PA接口电路设计、SPC4芯片的应用、双口RAM的应用以及对数据存取须注意事项，叙述了PROFIBUS-PA接口的通信过程和相关软件的设计方法。

关键词：本质安全接口模块协议芯片0 引言在石油化工等生产过程中，生产现场及周围环境往往有各种各样的易燃易爆物质，当各种类型的电动仪表处于这种应用场合时，必须考虑安全防爆问题，因此产生了本质安全的概念，其本质是限制到达危险区域的电能和热能的程度，使那些导致爆炸发生的能量因素(如温升、火花、电弧)不会产生，因而起到防护作用，这也顺应了减少能耗、降低成本的要求，尤其适合于仪表与自控设备，在使用中可以进行带电维护和接线。

本文通过对PROFIBUS-PA 总体结构的分析，给出运用嵌入式系统和专用协议芯片来设计PROFIBUS-PA接口模块的方法，介绍有关芯片选择及具体实现过程，探讨其中的软、硬件设计问题和需要注意的问题。

1 PROFIBUS-PA总体结构PROFIBUS-PA访问方式有令牌协议（有源主站）、轮询方式（无源从站）两种。

非本安与本安总线系统方案遵循同样规则；现场设备可按总线型（如图1）、树型或混合型等拓扑结构进行连接。

在危险区设备可进行带电操作（测量和校正）和拔插；耗电量较大设备（四线制）可通过单独现场电源供电；低功耗的现场设备（压力或温度变送器）由两线制总线供电，并传送数字信号。

Controller：控制器 Exi：本安型Coupler：耦合器F：现场设备PS：电源Ｔ：终端电阻图1 PROFIBUS—PA总线结构（本安型）本安型总线的电源PS可以是带本安输出的电源或带有隔离器的非本安电源。

1 引言 1.1 关于PROFIBUS-PA
PROFIBUS-PA适用于过程自动化的总线类型，服从 IEC1158-2标准。主要用于面向过程自动化系统中单元级 和现场级通信。PA将自动化系统和过程控制系统与压力、 湿度和液位变送器等现场设备连接起来，PA可用来替代 4-20mA的模拟技术。
PROFIBUS-PA不仅可用于冶金、造纸、烟草、污水处 理、建材生产等一般工业领域，也可用于带有本安防护要 求的石化化工爆炸危险区。非本安和本安型总线系统方案 遵循同样的规则。现场设备可按照不同的拓扑结构进行连 接并由总线供电。在危险区运行时这些设备可进行带电操 作和插拔。耗电量较大的设备如四线制设备可通过单独的 现场电源供电。
2 PROFIBUS-PA的网络拓扑结构
PROFIBUS-PA的网络拓扑结构可以有多种形式，可以 实现树形、线型或组合结构。 2.1 树形拓扑
树型结构如图1所示。树型结构总线是典型的现场安装 技术，用双芯电缆代替多芯电缆。现场分配器负责连接现 场设备与主干总线。采用树型结构，所有连接在现场总线 上的设备通过现场分配器进行并行切换。
68 │PROCESS MANUFACTURING│流程制造
浅析PROFIBUS-PA网络拓扑结构及配置方式
Analysis of PROFIBUS-PA Network Topology and Configuration
• 山东钢铁集团莱芜分公司能源动力厂 周志敏 Zhou Zhimin
摘 要：本文在简介了PROFIBUS-PA特性的基础上，重点阐述了PROFIBUS-PA的网络拓扑结构 及PROFIBUS-PA配置方式等内容。 关键词：特性 结构 配置 Abstract: On the basis of introducing the characteristics of PROFIBUS-PA, this paper focuses on the network topology and configuration of PROFIBUS-PA. Key words: Characteristic Structure Configuration 【中图分类号】TG385.2+2 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2019）05-0068-03

• 一，具有较高的性能价格比。系统综合成本及时性安装费用减少40%。 导线、连接附件的大幅度的减少。由原来的几百根，甚至几千根控制 电缆减少到一根总线电缆，从而也使接线端子、电缆桥架等附件大幅 度的减少。 设计、安装、调试、维护的费用大幅度地减少，维护和改 造的停工时间减少60%。原来繁琐的原理图、布线图设计变得简单易 行；标准接插件快速、简便的安装，使人力、物力大量的减少；强大 的故障诊断能力，使系统的调试和维护变得轻松和愉快。
PROFIBUS是世界范围的标准，取得了很大的成功：至 少1，000，000套设备投入运行，超过600家成员公司，超 过1100种PROFIBUS产品。
• 2.DeviceNet总线 • DeviceNet（设备网）是一种低价位的总线，它可连接自动
化生产系统中广泛的工业设备。在制造业领域，设备网遍 及全球，尤其是北美和日本。最初是由AB公司设计，现在 已经民展成为一种开放式的现场总线的协议，其管理组织 ODVA由全球多家公司组成，提供设备网的产品，支持设 备网规范的进一步开发。DeviceNet能够降低设备的安装费 用和时间。控制系统中的接近开关、光电开关和阀门等到 可通过电缆、插件、站等产品进行宽距离通讯。相对于 PROFIBUS-DP，DeviceNet具有更强大的通讯功能，支持除 了主-从方式之外的，多种通讯方式，可以更灵活地应用 于控制系统中。
• 5.AS-i总线
• AS-i 代表着执行器、传感器接口。使用两线为设置与输入 传送数据及电源。线圈输出等需使用附加的两芯电缆供电。 AS-i区别于其它工业总线，使用扁平电缆通讯，将连接齿 嵌入电缆。也可使用传统的IP67/、NEMA6 eurofast 连接件。 AS-i系统包括一个主站接口，供电电源，最多31个子站。 整个系统长度不能超过100米，但可以自由分布，没有分 支规则和终端。AS-i适合于不需要昂贵总线的小型网络。 当需要简单的主-从总线连接分散的信息和I/O装置，并且

避免使用红区中的速率，因为使用这 些速率时信号易受干扰
过程工业 9.6 19.2 45.45 93.75 187.5 500 1500 3000 6000 12000
kbps 并不是所有设备都支持这10个传输速率 (GSD文件中定义 了所支持的速率) PROFIBUS DP 段的最大电缆长度和传输速率有关
© ABB Group March 6, 2020 | Slide 10
PROFIBUS
PROFIBUS 概述 PROFIBUS DP PROFIBUS PA
© ABB Group March 6, 2020 | Slide 11
PROFIBUS 总线每段的最大长度取决于传输速率
!
PA 段的最大长度 (主干 + ∑分支长度) 最多允许4个中继器 -> 最长可扩展到
9500 m.
1900m
1000m
Type A 屏蔽双绞线
段的长度受下面的因素影响：
…电压降 …受限制的电流 …电缆的直径 …PA从设备的数量
1200m
Type B 多芯屏蔽双绞线
PROFIBUS
PROFIBUS 概述 PROFIBUS DP PROFIBUS PA
PROFIBUS 通讯
操作站
工程师站
Ethernet/TCP-IP
控制器
1&2 类主站
RReeqquueesstt
22->->1570
2
主站 / 从站 周期性通讯
Engineer
设置参数 2 类主站 0
TB; Nr. 18; 20.6 0->10
PS
EIA-485 / 光纤 PROFIBUS DP
PS