www.gkbpx.1仪表型现场总线的基本概念1.1目的和用途PROFIBUS-PA是一种用于分散式自控系统和现场设备之间的通讯系统。它以符合国际标准1EC61158的PROFIBUS-DP为基础，增加了PA行规以及相应的传输技术，使PROFIBUS能更好地满足各种过程控制的要求。在石化、化工、制药、电力、冶金、造纸、水处理等工业领域中，根据EC标准的阐述，在过程控制中应用现场总线技术的关键在于引进新的能够满足某些特殊要求的技术。例如通过总线供电以及符合本安要求的介质传输技术等。1.2过程控制领域的特殊要求PROFIBUS-PA以PROFIBUS-DP为基础，覆盖过程自动化的整个过程。同时，它的传输技术也符合国际标准规定的过程控制的特殊需求。其主要特点如下：·过程自动化领域需要统一的应用行规和不同种类的现场设备之间的互操作能力·PROFIBUS-PA现场总线通过转换器件可连到电气的RS45或使用光纤传输的PROFIBUS DP系统中·仅使用两根导线同时实现传输数据以及对PA总线上的设备、仪表进行供电·符合IEC611582的本安型PROFIBUS-P可用牛危险区·在一般场合可使用普通型PROFIBUS总线技术·使用段耦合器进行PROFIBUS DR和PA的转换PROFIBUS-PA不仅可用治金造纸、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江爆炸危险区。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。ProductionGeneralProcessAutomationAutomationAutomationPROFIBUS DPPROFIBUS FMSPROFIBUS PAHigh-speedGeneral-purposeSector-orientatedEN 50170+DIN E 19245,part 4图1一1 PROFIBUS总览1-1www.gkbpx.仪表型现场总线的基本概念1.3 PROFIBUS PA的基本原理对于需要小电流的电源和电路，采用本安保护有许多优点。除了众所周知的以外，需要强调的是在危险区带电运行时可以进行测量和校正，并且开发和制造本安型设备是经济的（也就是说在一台标准型设备上开发时增加的开销低于其它保护类型设备的开销)，本安型防护是唯一的包括设备外部电缆防护在内的保护类型。本书中制定了一些较复杂的规则和限制条件用于连接危险区内有源和无源设备，并限制本安电路中传输的电流。通过仅由一台有源设备和一台无源设备组成的本安系统可以描述有关的技术细节。另一方面，由于有大量的设备连在一起，本安型现场总线对安全提出了较高的要求。控制室现场ExiControllerCouplerT(Exi)PS(Exi)Exi:本安型F:现场设备长沙工Coupler耦器T:终端电阻图1一2典型的现场总线结构图1一2显示了一种典型的总线结构。低功耗的现场设备（如压力和温度变送器）由两线制总线供电。数字信号也在同一条总线上传输。传感器/执行器安装在生产现场，而耦合器和控制器等设备则安装在控制室内。即使所有总线上的设备不在危险现场也必须通过适当的结构保证它们的本安特性。1EC611582指出仪表总线上最多能连接32台现场设备。但由于现场安装施工中存在的种种间题，实际上这个数目仅仅是理论值。实际应用中可以连接大约28台设备。在某些项目中也使用了一些不通过现场总线供电的设备。这些设备必须使用附加电源。当需要附加电源单独给测量变送器供电时本安型总线只用于数据的传输，见图1一3。1-2www.gkbpx.仪表型现场总线的基本概念CONTROL ROOMFIELDExiCouplerController(Exi)PS(Exi)例：Exd230VController:控制器Exi:本安型Coupler:耦合器PS:电源图1一3现场设备需要辅助电源供鱼的现场总线由PTB与著名的制造商联合完成的FISCO现场总线本安型概念)模型/1/2/型保证了“”型现场总线可用于危险区。这种模型的要特点是只有一台供电设备与现场总线相连。其它设备均为耗电设备。这样不仅可以减发生故障的概率，同时也增加了接于总线上设备和仪表的数量。由于只有一台总线电源供角因此只有这台设备需要配备限电/限压安全回路。表1一1和表1一2给出X在EEx ibΠC加B或EEx iaΠC区使用FISC0模型时的限制参数。此外还有以下几原基本要求：·只有一台本安供电设备，当一个站发送数据时无需供电·每个站消耗的基本电流经过短暂的波动后应保持稳定·PA总线上的从站如变送器等作为一种无源耗电设备存在·站内部的有效电感和电容对于本安的影响可以不考虑·可以使用不同类型的电缆(A、B、C、D型)·主干线在两端必须有终端电阻1-3www.gkbpx.仪表型现场总线的基本概念电源：有接近于平方形式的输出特性曲线Us=14~24V(最大安全值)(=与PTB报告W-39一致的短路电流例如：在Us=15V时最大可达128mA(IC组)在Us=15V时最大可达280mA(IB组)总线（数值km):R'-15~1502(回路电阻)L'=0.4-1mHC'=80-200F(如果有屏蔽，总线电路为浮地时C'=C导线/导线十0.5×C导线/屏蔽，屏蔽线与电源的一个插针相连时C'=C‘导线划导线十C导线屏蔽)电缆长度为5000m以内时没有安全限制总线终端：RC部件规格：R=90-100QC=0-2.2μF按照EN50020这个电阻值必须精输靠1.4电源：梯形输出特性曲线Us=14-~20V(最大安全值)Uo>=2*Us(见第2章)人=与PTB报告W-39相一致的短路电流例：在Us=15V时最大可达215mA(I1C组)线路（数值/km):R'=15~150Q(回路电阻)L'=0.4-1mHC'=80~200F(如果有屏蔽，总线电路为浮地时C-C导线/导线十0.5×C导线/屏蔽，屏蔽线与电源的一个插针相连时C'=C导线/得线十C导线屏蔽)电缆长度为1000m以内时没有安全限制总线终端：1-4www.gkbpx.仪表型现场总线的基本概念RC部件规格：R=90-1002C=0-2.2μF在每条总线的终端必须有一个终端电阻。按照EN50020这个电阻值必须精确可靠到目前为止，通过以上的介绍已经能够建起一条基本的仪表型现场总线，如图1-4所示。为总线供电的电源和连接过程设备的总线耦合器通常安装在安全区的控制室内。供电电源中包括限制总线电流和电压的器件。在国际标准中描述的PROFIBUS-DP不能满足FISCO模型的技术要求。与根据EIA标准的RS485S6/使用UART协议传输数据的PROFIBUS-DP不同的是，PROFIBUS-PA使用位同步协议和电压模式以及速率为3125Kb/s的直流信号传输方式。该标准可满足过程领域的特殊要求，并符合上述的FISCO模型。对于电流调制来说，假定每台总线设备消耗的基本电流大于10A,耦合器通过在基本电流之上对+/一9mA进行调制就可以产生通讯信号。如图1一5所示。ControlFieldRoomLineBus power supply deviceHand长沙Signalcoupler withponentsnear theprocess图1一4仪表型现场总线模型Bits:1 Bit图1一5电流调制（曼彻斯特Ⅱ编码）1-5www.gkbpx.仪表型现场总线的基本概念根据国际标准，对PROFIBUS PA总线的访间方法有令牌协议（有源主站）或PROFIBUS DP轮询方式（无源从站）两种，现场设备通常作为从站存在。根据1EC611582/S3的规定，标准传输层的主要特性如下：·数字化位同步的数据传输·数据传输速度为31.25kbit/sec·曼彻斯特编码·前同步编码·防错的起止界定符·信号电压为0.75Vss1Vss·在单根双绞线（屏蔽/非屏蔽）上进行信号传输·可以通过信号电缆进行总线供电·可以进行本安操作·总线和树形拓扑结构·每段最多可连接32个站长沙工控帮教育科技有限公司·最多可用4个中继器进行扩展1-6www.gkbpx.2设计现场总线时的注意事项本章将提供与物理层有关的资料给总线设备开发人员。需要说明的是，这只是对应用标准的解释说明，它本身并不是标准。对于本安的有关问题也是如此。2.1供电电源连接于总线上的现场设备和仪表需要一个供电电源。供电电压的大小取决于应用的需要。本安型总线的电源可以是带本安输出的电源或带有隔离器的非本安电源。为避免干扰，所有电源必须遵守国际标准及表2一1中规定的电气特性。电源的输出端子必须有清晰的“十”和“一”标志。尽管标准中没有特别规定电源对地的绝缘要求，但不允许不对称接地。也就是说必须保持两路输出对地的对称性，详见3.5节。必须遵照NAMUR的“抗干扰要求”确保电磁兼容性。非本安型本安型，P<1.8WD本安型，P<1.2W2直流供电电压32V≤17.5V波动，噪声输出阻抗)刀不对称阻尼≥50dB≥50dB5)61)与FISC0一致，电源输出特性为二次方曲线或稀形曲线2)电源供电或有线性特性曲线的电池3)频率范围为7.8~39kHz.否则参见Eg6115824)带集成终端电阻：1002士2建议给每个电源提供一个终端电阻。5)如需要应含有电池）标准中没有绑定的技说明，但需要此项功能7)在准备这些技术说明时》EC61158-2标准的附加部分同时指明了输出阻抗的限制值。2一1电源的电气特性为危险区设备供电的电源必须有相关的本安认证非本安型电源本安型电源a本安型电源bEN50020标准的相关资源XX1EC61158-2标准的电源XFSCO模型标准的电源X供电电压（耐压输出）限制电压(Uz)X最大供电电流短路电流XXX本身的电压降（特性曲线）最大输出功率X绝缘等级X供电电压XXEMC等级允许的环境温度XXX外壳的防护额定值X2一2PA电源的设计参数2-1www.gkbpx.设计现场总线时的注意事项2.1.1非本安电源非本安电源必须符合表2一1所示的技术特性。AC/恒压DC电总线电源图2一1现场总线电源的电路图2.1.2本安型电源给危险区的设备供电，可以把一个本安输出电源连接到总线上代替非本安型电源加隔离器的方式。该设备通常安装在安全区的控制室内。根据欧洲EN50020标准称为相关电器，尽管其本身不能防爆，但它能生成一条进入危险区的本安型电路。除了EC61158-2标准的要求外，本安型电源也必须满足德国国家标准中关于安全的规定。如果电源安装在危险区，必须另外提供标准类型的防爆等级保护。例如：安装在防爆等级为“密封防爆d”的外壳内。本安型电源可以集成在现场总线器件中。安全所要求的电压/电流取决于电源的保护类型（即“a”或“b”）。根据欧洲标准总线电源作为天相关源”必须有认证，且必须指明电源符合F1SC0模型。除了常用的技术数据（如空载电函，短路电流，功率及特性曲线）外，认证还须包含配置现场总线的主要技术规范。2.1.3b”型供电电源控帮教既然供电电源的输出电流回路对于直流应为低内阻，就应考虑使用带电压调节器和有源电流控制的供电电源。例如：使用频率负反馈法实现在信号频率范围内（表2-1）使内阻大于等于4002。这种电源的理想输出特性（即电流/电压特性）曲线为平方曲线（如图2-2和2-3）。当输出电流增加时，输出电压在电流达到一个规定值前保持不变。AC/DC木母线电源电源图2-2“b”型本安型现场总线电源装置的块电路图当供电电压非常低时，就必须考虑总线上的电压降和现场设备能够运行的最小电压。13.5V是一个实用的折中方案。因为要考虑所有的裕度和0.5V的信号幅值，一个电源的最大安全值也总是大于额定输出值。既然这里必须考虑限压元件至少有1V的裕度和假设500V的信号电压值，为实现本安需要选择15V作为Uz值。根据现有的防爆曲线或试验结果对于特定的防爆等级可计算出允许的电流值。PTB的报告W-39说明k-128mA对于ⅡC组是可行的（氢作为校验气体）。2-2www.gkbpx.设计现场总线时的注意事项Us-运行电压Uz=最大电源电压k=最大短路电流UzUs图23 EEx ib型电源平输出特性曲线在PTB研究PA总线期间，首先假定13,5/为输袖电压。因为较高的电压将限电源的选择。带低。2.1.4“ia”型电源有二次方输出特性曲线电源的爆炸限制曲缘表明了当电压升高时允许的仪表耗电功率将显著降对限流电源必须根据EN5O020标准的“b”对其进行认证。不过由于除了德国外其它欧洲国家如意大利和英国等都愿意使用“ia”作为本安电路的标准，因此FISCO模型也描述了一种相应的电源装置。它不仅满足本安型“a”的要求，同时也使用固定阻值+稳压二极管的电路替代限流回路以满足内部最小电阻的需要。参见图2-4。AC/DC电源电源图2-4“a”型本安现场总线电源块电路图.2-3