PROFIBUS-PA特性及规范详解

1.PROFIBUS-PA的基本原理

PROFIBUS-PA是一种广泛用于制造业、流程工业、物流管理、楼宇自动化等众多领域的开放式现场总线，并符合国际标准IEC 61158。从本质上讲它是一种计算机局域网络，只是由于它用在工业环境中，从使用器件的可靠性和对现场数据传输的要求上才与办公局域网有所不同。

对于需要小电流的电源和电路，采用本安保护有许多优点。除了众所周知的原因以外，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他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。

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。

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。IEC 61158-2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问题，因此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，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“i”型现场总线可用于危险区。这种模型的主要特点是只有一台供电设备与现场总线相连，其他设备均为耗电设备。这样不仅可以减少发生故障的概率，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电，因此，只有这台设备需要配备限电/限压安全回路。在使用FISCO模型的限制参数时，还有以下几点基本要求：

1）本征安全（与EN 50020/S7相一致的“ib”或“ia”）。

2）只有一台本安供电设备，当一个站发送数据时无需供电。

3）每个站消耗的基本电流经过短暂的波动后应保持稳定。

4）PA总线上的从站如变送器等作为一种无源耗电设备存在。

5）站内部的有效电感和电容对于本安的影响可以不考虑。

6）可以使用不同类型的电缆（A、B、C、D型）。

7）主干线在两端必须有终端电阻，按照EN 50020，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。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RS-485/S6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31.25kbit/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10mA，耦合器通过在基本电流之上对±9mA进行调制就可以产生通信信号。根据国际标准，对PROFIBUS-PA总线的访问方法有令牌协议（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IEC 61158-2/S3的规定，标准传输层的主要特性如下：

1）数字化位同步的数据传输。

2）数据传输速度为31.25kbit/s。

3）曼彻斯特编码。

4）前同步编码。

5）防错的起止界定符。

6）信号电压为0.75～1Vss。

7）在单根双绞线（屏蔽/非屏蔽）上进行信号传输。

8）可以通过信号电缆进行总线供电。

9）可以进行本安操作。

10）总线和树形拓扑结构。

11）每段最多可连接32个站。

12）最多可用4个中继器进行扩展。

2.PROFIBUS-PA的特性

PROFIBUS-PA是一种用于分散式自控系统和现场设备之间的通信系统。PROFIBUS-PA在PROFIBUS-DP的基础上通过优化、扩展而来，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，主要用于化工等对安全性要求高的场合，通信采用扩展的PROFIBUS-DP协议。传输技术改用IEC 1158-2（称为H1），可确保本征安全性并使现场设备通过总线供电，通过分段耦合器，能方便地和PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS相连。

PROFIBUS-PA使用PROFIBUS-DP的基本功能传送测量值和状态，并用扩展的PROFI-BUS-DP功能制定现场设备的参数和进行设备操作。另外它使用了描述现场设备行为的PA行规，根据IEC 1158-2的标准，这种传输技术可确保其本征安全性并使现场设备通过总线供电。

PROFIBUS-PA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。PA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，并解决它们之间的通信任务。PA可用来替代4～20mA的模拟技术。PRO-FIBUS-PA具有如下特性：

1）适合过程自动化应用的行规，使不同厂家生产的现场设备之间拥有互操作能力和互换性。

2）增加和去除总线站点，即使在本征安全地区也不会影响到其他站。

3）在过程自动化的PROFIBUS-PA段与制造业自动化的PROFIBUS-DP总线段之间通过耦合器连接，并使其实现两段间的透明通信。PROFIBUS-PA使用DP-V1来实现各站之间的通信。它定义了主站设备类型或主站决定总线上的数字通信设备类型。不需外部请求就能够获得总线访问授权并且随后发送信息。1类主站（控制设备如PLC或PC）用循环数据通信，而2类主站（工程设计和操作设备）一般使用非循环数据通信。从站设备或从站没有总线访问授权，只在主站要求的情况下通信。

4）使用与IEC 1158-2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送，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，PROFIBUS-PA现场总线通过转换器件可连到具有RS-485接口或使用光纤传输的PROFIBUS-DP系统中。

5）符合IEC 61158-2的本安型PROFIBUS-PA可用于危险区，在潜在的爆炸危险区可使用防爆型“本征安全”或“非本征安全”。

PROFIBUS-PA是PROFIBUS过程自动化的解决方案，是PROFIBUS-DP向现场的延伸，用DP可以将若干PA连接在一个自动化系统中。它具有本征安全的特性，专门的传输技术符合国际标准IEC 1158-2，适用于本征安全要求较高场合和总线供电的站点。PROFIBUS-PA通信速率为31.25kbit/s，最大距离为≤1.9km，其每一段上可连接的仪表台数≤32台，但取决于所接入总线仪表设备的耗电量和应用的最大总线电流，只要馈入总线的电流不超过规定的最大电压值和电流值，就可以保证在危险区域中运行的本征安全。

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。

将由德国联邦物理技术学院（Physikalisch Technische Boundesanstalt，PTB）开发的FIS-CO模型（现场总线本征安全概念）用于潜在易爆领域中已被国际广泛接受，同时，在计划、安装和扩展PROFIBUS-PA网络时，它能大量地节省时间。这一模型是以网络其本征安全的前提为基础的，如果四个相关的总线元件（现场设备、电缆、段耦合器和总线终端）在预先定义的有关电压、电流、输出、电感和电容的限制内，就不需要任何独立的本征安全性计算。通过把元件拿到不同国家的授权办公室，如PTB、BVS、UL或FM进行检验，可以得到正确的证实。如果使用已证实的FISCO设备，那么它不仅通过一个相位（phase）可运行更多的设备，而且这些设备还可以在运行期间由其他厂商生产的设备所代替。所有这些，都不需要耗时的计算和系统验证，这就是在潜在易爆领域中的即插即用。

PROFIBUS-PA采用IEC 1157-2传输技术，可用于有爆炸危险的环境中。PROFUBUS-PA对过程自动化进行了明确说明。PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并具有本征安全，可以提供总线供电和本征安全；它满足了化学工业的下列要求：

1）使用在易爆领域中。

2）使用可通过总线供电和通信的领域中。

3）可以使用标准化的应用行规。

4）即使在潜在易爆领域中，设备可即插即用。

从网络层次上看，PROFIBUS-PA在整个系统中处于最底层，直接铺设在生产现场，串行连接位于生产过程监测最前沿的各类设备和仪表，如阀门定位器、压力/压差、温度变送器、分析仪、流量计、液位计、I/O模块等，其上层是高速的PROFIBUS-DP总线。通过这样的双层总线结构，就可以完整实现数据的采集、传输以及对设备的控制和管理。

任何一种网络技术的信号传输都需要遵循一定的规范，使用某类物理介质或导线进行串行或并行通信，并对通信信号进行编码，以便接收方按事先约定的协议规范识别信号的具体含义。PROFIBUS-PA也是一样，信号的传送遵循PROFIBUS-DLL协议，采用符合MBP-IS的物理介质进行串行通信，并使用曼彻斯特编码的位同步数据传输，8bit/字符，防错的起止界定符，信号电压为0.75～1Vss，并能够实现本安工作。网络拓扑结构为总线型和树形结构，每网段最多可连接32个站（仪表或执行器），当总线长度不够时最多可用4个中继器进行扩展。

3.PROFIBUS-PA的特点

基于PROFIBUS-PA可使传感器和执行器安装在一根共用的总线上，甚至在本征安全领域也可接上。根据IEC 1158-2标准，PROFIBUS-PA用双线进行总线供电和数据通信。PRO-FIBUS-PA主要是为过程控制的特殊要求而设计的，它是PROFIBUS-DP的延伸和扩展。PROFIBUS-PA的数据传输和电源共用一根电缆，它也可以用于对本征安全有要求或一般过程控制的场合。PROFIBUS-PA适用于安全性要求较高的场合，PROFIBUS-PA具有本征安全特性，其实现了IEC 1158-2（物理层）规定的通信规程。在PROFIBUS-PA的过程自动化解决方案中，PROFIBUS-PA将自动化系统和过程控制系统与现场设备（压力，温度和液位变送器等）连接起来，代替了4～20mA模拟信号传输技术，节约成本，并大大提高了系统功能和安全可靠性，因此，PROFIBUS-PA尤其适用于化工、石油、冶金等行业的过程自动化控制系统。PROFIBUS-PA的特点有：

1）PROFIBUS-PA根据IEC 61158可使用同步传输技术、异步传输技术（RS-485）以及光纤传输技术。

2）适用于代替传统的4～20mA传输技术。

3）PROFIBUS-PA通过由总线供电的设备可以应用于潜在易爆领域中，仅用一根双绞线进行数据通信和供电。

4）通过串行总线连接仪器仪表与控制系统。

5）PROFIBUS-PA使用FISCO模型，这样无需耗时的计算就能扩展本征安全的网络。适用于本征安全的EEx应用区域。

6）可靠的串行数字传输。

7）通过一根双绞线进行控制、调节和监视。

8）对所有设备只需一个工程工具。

9）由PROFIBUS-PA行规保证了互操作性和互换性。

10）仪器仪表的维护和诊断信息。

PROFIBUS-PA具有现场总线技术所有的优点，如开放性、互换性、互操作、全数字双向通信等。多台设备由总线直接供电，不仅节约了I/O模块、电源箱、配电柜、供电线，与传统的4～20mA仪表点对点连接方式相比，还节约了大量的电缆线、汇线槽、接线柜、端子箱等。此外，由于耦合器本身集成了隔离栅和终端器，因此不再需要传统的隔离栅/隔离电路和单独分立的匹配电阻。

尤其值得一提的是PROFIBUS-PA总线具有的“即插即用”功能。不仅大大方便了工程组态、现场调试和维护，减少停机时间，而且还增加了设备的利用率，进而提高生产效率。PROFIBUS-PA在工厂生命周期中的优点有

1）在计划和建设、安装和布线、服务和维护、本征安全性下降低成本。

2）通过标准化，认证设备，独立于任何生产商，可保护投资。

3）通过在线诊断，大量的多种产品，设备可互换性可提高可利用性。

4）通过提高可利用性，降低存储成本。

PROFIBUS-PA采用了扩展的PROFIBUS-DP协议，另外还使用了描述现场设备行为的PA规约。根据IEC 1158-2标准，这种传输技术可确保其本征的安全性并通过总线给现场设备供电。使用分段式耦合器，PROFIBUS-PA设备能很方便地集成到PROFIBUS-DP网络上。PROFIBUS-PA采用PROFIBUS-DP的基本功能来传送测量值和状态。并用扩展的PROFIBUS-DP功能来制订现场设备的参数和进行设备操作。PROFIBUS-PA第1层采用IEC 1158-2技术，第2层和第1层之间的接口在DIN 19245系列标准的第四部分做出了规定。

4.PROFIBUS-PA设备行规

PROFIBUS-PA按照ISO/OSI网络模型，含有第1、2、7层和一个附加的用户层（第8层）；其中物理层和数据链路层定义的是传输介质和访问总线的协议。在第7、8层定义的就是PA的应用规范和设备行规。

设备行规以PROFIBUS-DP为基础，对PROFIBUS-PA总线设备、仪表的功能块（物理块、变送器块和模拟输入块等）以及功能块参数等进行了标准化规定。当前已定义了行规的设备包括变送器、分析仪器、执行器、数字输入、数字输出。全世界所有生产仪表的厂商只要按照PROFIBUS-PA的行规生产制造产品，在通过相应测试机构的检验和认证，其设备均可连于该总线上，目前全球各个厂商生产的PA设备已超过260多种，在污水处理、冶金、建材、电力生产、造纸、烟草、石化、化工、制药、蔬菜生产等众多领域中广泛使用，充分体现了PA总线良好的开放特性。

PROFIBUS-PA行规保证了不同厂商所生产的现场设备间的互换性和互操作性，PA行规的任务是选用各种类型现场设备真正需要通信的功能，并提供这些设备功能和设备行为的一切必要规格。

目前，PA行规已对所有通用的测量变送器和其他选择的一些设备类型做出了具体规定，对于过程自动化中的现场设备来说，PROFIBUS-PA行规3.0版本可供使用。

5.耦合器与连接器

由于PROFIBUS-PA的开放性，用户在使用现场总线时无论是对其核心部件，如耦合器和连接器，还是仪表、导线、连接头等都有很大的选择自由。在当今世界上已安装的近16万个PA节点中，绝大部分产品来自于众多的PA支持厂商，如西门子、ABB、WNK、P＋F、E＋H、Fisher-Rosmount、Wago、Krohne等，这充分体现了PA总线开放性和国际化的特点。

RS-485/FO（光纤）和IEC 1158-2传输技术之间可以通过DP/PA耦合器（Coupler）或PA连接器（Link）相连接，从而使PROFIBUS网络很容易地延伸到有爆炸危险的应用区域。耦合器、连接器的主要任务是将异步数据格式转换为同步数据格式，并将传输速率转换为31.25kbit/s向现场设备供电，并限制电流（适用于防爆）。

耦合器与连接器的区别是：耦合器与“一根导线”的作用相同，不是系统组态的对象，从总线的角度看，它是不可识别的；连接器应用于对循环时间要求很高和现场设备（仪表）数量很大的场合。每个连接器可连三个耦合器。连接器对上位主站而言是从站，对下面连接的现场设备而言它又是主站。

PROFIBUS-PA与AS-i（传感器/执行器接口）、HART和传统仪表可以混合使用。这为最终用户改造传统的应用系统提供了很大的方便和灵活性，也为设备仪表的生产厂商提供了广泛的选择余地。

PROFIBUS-PA便于标准化的设备管理和工厂范围的设备工程设计（GSD、EDDL、FDT/DTM），FDT/DTM智能地利用来自现场设备的信息。信息技术现在支配着自动化技术直到用现场总线连接的智能现场设备层中，其优势在于布线低成本和用于设备工程设计的更多可能性。

具有设备类型管理程序（DTM）的现场设备工具允许延伸集成的可能性，其与工程设计、诊断、服务和资产管理有关，独立于现场总线，且与自动化系统的特殊工程设计环境无关。并使一种特殊有效的对设备预先/主动（Predictive/Proactive）的维护成为可能。

除了通过PROFIBUS电缆进行实际数据的传输之外，对厂商专用的用户软件的接口提高了标准化水平。通过FDT/DTM接口可把软件模块（DTM）集成为更高等级的用户软件。大量的现场设备被作为单个工程设计系统的标准化对象来安装。在此过程中，DTM在微软环境下充当设备的打印驱动器。

耦合器或中继器用于连接两个PROFIBUS-PA段或与PROFIBUS-DP连接。除了信号强度外，IEC 61158-2标准没有描述耦合器应遵守的规定。在设计耦合器时必须保证符合网络配置原则。最大信号延时和对信号零点的最大偏差（信号抖动）这两项技术要求是非常重要的。可以使用的中继器和耦合器的类型为PROFIBUS-PA中继器和DP/PA耦合器。

（1）PROFIBUS-PA中继器

PROFIBUS-PA中继器连接两段PROFIBUS-PA，所含部件如图1-9所示。为了符合IEC61158-2标准，对于两端的现场总线接口，必须遵守表1-2所示的电气特性。

在本安型总线段使用的中继器必须经过本安认证。该认证必须说明设备符合FISCO模型。对于电隔离还必须考虑EN 50020/S7的技术要求。为了能够确定是否符合IEC 61158-2标准中网络配置的要求，在系统设计中需要了解由于中继器导致的信号延迟和由于信号抖动导致的最大偏差。

（2）PROFIBUS-DP/PA耦合器

PROFIBUS-DP/PA耦合器连接PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA段。其内部结构如图1-10所示。为了确保与IEC 61158-2标准相兼容，对于PROFI-BUS-PA接口，必须符合表1-2所示的电气特性。

连接本安型总线段的DP/PA耦合器必须有本安认证。该认证必须说明设备符合FISCO模型标准。对于电隔离还必须考虑EN 50020/S7的技术要求。

6.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1-2中规定的电气特性。电源的输出端子必须有清晰的“＋”和“－”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。必须遵照NAMUR的抗干扰要求确保电磁兼容性。

图1-9 中继器的原理图

表1-2 电源的电气特性

（1）非本安电源

非本安电源必须符合表1-2所示的技术特性。

（2）本安型电源

给危险区的设备供电，可以采取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EN 50020标准，将其称为相关电器，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IEC 61158-2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ia或ib）。根据欧洲标准总线电源作为“相关源”必须有认证，且必须指明电源符合FISCO模型。除了常用的技术数据（如空载电压、短路电流、功率及特性曲线）外，认证还必须包含配置现场总线的主要技术规范。

1）ib型供电电源。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使内阻大于等于400Ω（表1-2）。这种电源的理想输出特性（即电流/电压特性）曲线为二次方曲线，如图1-11和图1-12所示。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。

图1-10 DP/PA耦合原理图

图1-11 ib型本安现场总线电源装置的块电路图

图1-12 Eexib型电源二次方输出特性曲线

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500mV的信号电压值，为实现本安需要选择15V作为U_Z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I_K＝128mA对于ⅡC组是可行的（氢作为校验气体）。

在PTB研究PROFIBUS-PA总线期间，首先假定13.5V为输出电压，因为较高的电压会限制电源的选择。带有二次方输出特性曲线电源的爆炸限制曲线表明了当电压升高时允许的仪表耗电功率将显著降低。

2）ia型供电电源。对限流电源，必须根据EN 50020标准的ib对其进行认证。不过由于除了德国外的其他欧洲国家，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ia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，如图1-13所示。

图1-13 ia型本安现场总线电源块电路图

一个符合ia的电源应包括下列与安全有关的开关元件：U_O＝34V的电压源，R＝158Ω的固定电阻以及U_ZD＝15V（最大值）的稳压二极管。这样的电路有梯形输出特性曲线，如图1-14所示。电源的大致运行值为U＝13.5V；I＝120mA；P＝1.7W。这些运行值与带限流的ib型电源类似，使用两个电阻串联会有帮助，但需要注意以下两点：

①串联电阻要求较高的负荷容量；(www.xing528.com)

②串联电阻运行时增加的功率损耗。

图1-14 Exia型电源输出特性曲线

输出短路时

取1.5的安全系数，电阻上的功耗为11W。

出于安全因素，稳压二极管应预留2.7W的最大功率损耗。可以采用两个二极管串联的方法。

通信设备可以部分或全部从总线上获取电能。当包括本安设备时，总线接口需要由总线供电。当使用辅助电源给设备供电时，相对于总线远程供电可以被称为现场本地供电。

7.绝缘

IEC 61158-2标准要求所有现场总线上运行的设备必须对地绝缘。对于本安型设备，标准的5.7节要求本安电路与接地部分的有效绝缘电压必须是本安电路电压的两倍，至少为500V。对于某些特殊设备，为了满足抗干扰要求可将所有的现场设备和仪表进行绝缘，这里需要注意的是IEC 61158-2标准要求的总线两端与地之间的电容差应小于250pF。如果设备运行时某一部分有接地要求，那么这部分与现场总线之间就需要电隔离。可以由仪表专工决定绝缘的位置。由于靠近总线作绝缘时电容差非常小，所以在总线接口和曼彻斯特编码器/解码器之间进行绝缘相当有效。

当使用总线供电设备时，电隔离必须同时覆盖信号发生源（如电容、电感或光纤）和现场设备的电源。现场本地供电的设备不需要DC/DC转换器。这种情况下只有仪表的连接端需由总线供电而其他部分可由第二条电路供电。如果该电路符合本安要求，则直流500V的绝缘电压可满足绝缘要求。

非本安型电路的绝缘电压必须大于1500V，此外，还必须满足EN 50020（导电部分的绝缘）标准中的要求。如果本安电路对地有接地电容（即在总线上有电容干扰抑制过滤器），则必须符合通过专门认证的电容绝缘的相关指南。

除了每段一个供电设备外，即使在总线发生短路时FISCO模型也不允许本安型总线设备对总线进行反向供电。通过在输入电路中连接两组（对EExib型来说）或三组（对EExia型来说）硅或肖特基二极管可实现此要求。

当这些二极管的漏电电流小于50μA时（在允许温度范围内达到最大反向电压），现场设备仍符合FISCO模型标准。通常应提供二极管制造说明书用作附加的安全保障。然而，对这些测量的最终结论应由检测机构进行安全测试并对特殊现场设备进行认证后得出。

8.现场总线接口的一般特性

为了确保与IEC 61158-2标准兼容，对于所有的现场总线接口，都必须遵照表1-3所示的电气特性。

表1-3现场总线接口的电气特性

①根据IEC 61158-2标准N＋和N－为非数据标志。

②在1～100kHz的频率范围内。

③在7.8～39kHz的频率范围内。

④运行电压范围，对于本安型设备能将其限制在9～17.5V或9～24V之间。

⑤在39kHz与一个250pF电容的不平衡性相对应。

⑥只适用于本安型。

表1-3只给出了一些主要的要求。详细要求见标准。如果接线端子正负接反，设备将不能正常运行。因此通信设备的输入端子必须明确标明“＋”和“－”。对于能自动分辨极性的设备，这项要求不需要强制遵守。

重要的是要保证两个对地输出电压的对称性。当使用高阻抗的套管式电容器从接线柜给电气设备供电时，这一点尤其重要。必须满足NAMUR的“抗干扰要求”以保证电磁兼容性。

在危险区使用的设备必须有本安认证，该认证必须说明这些设备符合FISCO模型。其他的技术要求还必须包括允许的最大运行电压、最大运行电流、最大漏电电流，故障时（例如安装故障限流器或故障拆除电路）消耗的最大电流以及对应的电源的最大允许功率。由于最大允许工作电压可以根据对应电源的最大允许功率计算出来，因此一个通信设备既可以使用一个符合FISCO模型的电源（最大输出电压为17.5V，允许的最大输出功率为1.8W），也可以使用一个总线隔离器加分立电源（最大输出电压为24V，允许的最大输出功率为1.2W）。

如果设备为现场本地供电，该认证必须包含与总线接口电气隔离的说明。表1-4介绍了主要设备参数的规范。

9.现场设备，连接端子和部件

与PROFIBUS-PA连接的现场设备和便携终端应包括如图1-15所示的单元。通过使用集成电路芯片可简单实现与现场总线的连接，它不仅可用于数字单元（如通信控制器和曼彻斯特编码器/解码器），也可用于模拟单元。

表1-4 对于PROFIBUS-PA设备建议采用的规范

注：1.如果有必要的话增加其他的防爆等级。现场总线电路应始终为本安型。

2.只适用于本安型。

10.PROFIBUS-PA的拓扑结构

PROFIBUS-PA的一个基本特征是很容易集成到PROFIBUSDP中，从而在现场构成一个完整的总线网络结构。PROFIBUS-PA既可以通过连接器也可以通过耦合器连接到系统中。PROFIBUS-PA接口采用的是符合IEC 61158-2传输技术的现场总线接口，在段耦合器中集成了信号转换器、供电设备和终端电阻（手动开关）。

总线树形结构如图1-16所示。树形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。采用树形结构，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。

线形结构如图1-17所示，线形结构的总线提供了与供电电路安装类似的沿现场总线电缆的连接点，现场总线电缆可通过所连接的现场设备组成回路，除主干线外的分支线也可用于连接一个或多个现场设备。

组合型现场总线结构如图1-18所示。组合型使用树形与线形结构将会优化现场总线的长度，但这样做将会导致现场总线站间信号存在阻尼，以及总线电缆上站点过于集中导致的信号失真。

图1-15 带有现场总线接口的现场设备原理图

图1-16 树形结构总线

图1-17 线形结构的总线

现场总线上可连接的设备数量取决于供电电压、现场设备的耗电量以及现场总线的长度。为增加可靠性，可设计冗余的现场总线段，但这样就使简单的总线站（如变送器、执行器、励磁器、电磁阀等）之间的连接变得复杂（例如双线路、双供电、本安性，增加了输入流程工作等）。

11.PA设备

现代的过程设备是内在智能的，它们在自动化系统中可以执行部分信息处理，甚至所有功能。PA设备行规定义不同类别过程设备的所有功能和参数，它们是典型的用于从过程传感器信号直到在控制系统中与测量值状态一起被读出的预处理过程值的信号流。图1-19指出了信息处理（信号链）的各种步骤以及形成过程的状态。PA设备行规包含通用要求部分和设备数据单两个文本，在通用要求部分包括所有设备类型的现行有效的技术规范，在设备数据单中包括一些特殊设备类别的已认可的技术规范。现在可提供PA设备行规版本3，它包含以下的设备数据单：

1）压力和差压；

2）液位、温度和流速；

3）模拟和数字的输入和输出；

4）阀门和执行机构；

5）分析仪器。

（1）块模型

在过程工程设计中，常常使用块来描述某个控制点上的一个或多个测量点的特性和功能，并且通过这些类型的块的组合来表达一个自动化应用。PA设备的技术规范使用这种功能块模型来表示功能序列，如图1-20所示。

通常使用以下三种类型的块：

1）物理块（PB）。PB包含设备的特征数据，例如设备名称，制造厂商，版本和系列号等，每一个设备中只能有一个物理块。

2）变送块（TB）。由传感器传送过来的无条件的（unconditioned）信号经过处理后传递到功能块中，变送块包含处理所需要的所有数据，如果系统中不需要这样的处理，那么可以取消TB。带有两个或更多传感器的多功能设备具有相应数量的TB。

图1-18 组合型现场总线结构

图1-19 PA设备行规中的信号链

图1-20 现场设备（具有多功能）的块结构

3）功能块（FB）。在传送到控制系统之前对测量值进行最终处理，所需要的所有数据都被包含在FB中，或在设定过程前对设定进行处理所需要的所有数据也包含在这一模块中。有以下一些功能块可供使用：

①模拟输入模块（AI）将测量值从传感器或者TB传送到控制系统；

②模拟输出模块（AO）为设备提供由控制系统指定的值；

③数字输入（DI）为控制系统提供来自设备的数字值；

④数字输出（DO）为设备提供由控制系统指定的值。

这些模块是由制造厂商通过软件在现场设备上实现的，并从总体上体现了设备的功能。作为一个规则，在一个应用中有若干个模块共同工作，图1-20显示了一个多功能现场设备的简化模块结构。

（2）信号链

配置相应于信号链上所划分的两个子过程：

1）第一个子过程“测量/执行原理”（图1-20的校准、线性化、定标换算）的功能在变送块中。

2）第二个子过程“预处理测量值/后处理设置”（图1-20的筛选、限定值控制、故障安全行为、运行模式选择）的功能在功能块中。

PA设备行规对于图1-19中所描述的信号链每一步的功能和参数都给出了详细的定义。作为一个例子，图1-21和表1-5提供了“校准（Calibration）”步骤的详细情况，而图1-22给出了“限值检查（Limit-valuecheck）”这一步骤。

图1-21 校准功能的规范

表1-5 校准功能参数

图1-22 限值功能的规范

1）寻址参数。经由块内部的相关索引，使用这些块的起始地址和参数来确定这些块。作为一个规则，这些可以由设备制造商自由选择。为了存取这些参数（例如使用操作员工具），设备专用的块结构被存储在设备字典中。

2）批参数集。为了实现现场设备的批处理，行规允许存储若干个参数集，即使在投运期间也可以。然后，在运行时间内当前的批过程被切换到指定的参数集。

3）模块化设备。在PROFIBUS中，区分紧凑型设备和模块化设备，一个功能块为一个模块。为此目的，PA设备行规提供了功能块的选择，具有组态模块的设备被描述为多变量设备。带有若干个过程变量的过程设备提供多个过程变量，例如通过若干传感器或者以导出变量的方式（Derived Variables）。在行规的变送块中通过区分主要值（PV）和次要值（SV）来考虑这一点。

4）限值检查。传送到设备的部分信息处理是限值检查。为了实现这个目的，PA设备提供了相应的机制，在超过或低于警告/报警极限时，就会发出信号，如图1-22所示。

5）值状态。值状态信息项被附加到测量值上，这些信息说明了测量值的质量。分为不好（Bad）、不确定（Uncertain）和好（Good）三个等级，在指定给每个质量等级的子状态上还提供附加信息。

6）故障安全特性。PA设备行规还提供故障安全特性。如果在测量链中出现了错误，则将设备的输出设置为用户可定义的值。用户可以在三种不同的故障安全特性类型中进行选择。

（3）用于PA设备的远程I/O

由于PA设备的高度模块化设计，很难使远程I/O设备与理想的PA设备模型相一致。由于这个原因，它们在分布式过程自动化中有一种特殊的位置。此外，经济性也强烈地影响着所选设备的配置（模块、块）、资源（存储器、记录）和功能（例如非循环存取）。为此，已经定义了一种简化的设备模型并限制了数量框架（The Quantity Framework Restrict-ed）。目的是在循环交换数据格式的基础上提供最大的支持。

（4）PROFIBUS-PA配置方式

PROFIBUS-PA配置方式两种：一种是通过Coupler直接接PA-仪表，但这种方式通信速率较低，使得PROFIBUS-DP总线回路速率只有45.45kbit/s；另一种采用Link＋Coupler的方式配置系统，适用于规模较大系统，每个站的仪表超过20台，而PROFIBUS-DP所挂接的设备要求具有较高的通信速率，故而，通过PCS7组态网络时利用Link作为PROFIBUS-DP从站占据一个DP地址，所有温度变送器、压力变送器等智能仪表作为Link的从属独立于PROFIBUS-DP单独进行编址。通过电流消耗决定一条PROFIBUS-PA总线连接的仪表数量，如下式：

式中I_SEG——回路总电流；

I_Bn——总线设备基本电流消耗；

I_FDE——总线故障电流；

I_S——耦合器供电电流；

m——总线设备数量；

n——起始数。

例1 SIRANSTFPA型温度变送器，若消耗基本电流I_Bn＝11mA，最大故障电流I_FDE≤3mA，则在6ES7157-0AC81-0XA0耦合器后面，最多连接温度变送器台数为（400mA_－3mA）/11mA＝36台。

例2若SITRANSP压力变送器消耗基本电流I_Bn＝12.5mA，最大故障电流I_FDE＝15.5mA，则在6ES7157-0AC81-0XA0耦合器后面，最多连接压力变送器台数为（400mA－15.5mA）/12.5mA＝30台。

但是，PROFIBUS行规协议规定，每段仅连接31台智能仪表。PROFIBUS-PA电缆长度为：安全区域为560m；危险区域为680m。确保最后一台仪表的工作电压大于9V，即U_Bn＞9.0V。U_Bn按下式计算：

式中 U_Bn——最后设备电压；

U_S——耦合器的电压；

R——单位长度导线阻抗；

L_GES——总长度；

I_SEG——回路总电流。

在实际工作中应根据实际情况进行配置，充分考虑每个从站的响应时间、通信周期、通信速率等要求。所以在PA仪表网络配置中，充分考虑以上因素，可优化了网络配置，使得生产处于良好的运行状态。