第八章 PROFIBUS-PA及DP-V1

1第八章PROFIBUS-PA及DP-V18.1PROFIBUS-PA概述8.1.1PA概述我们知道工业控制领域的控制对象千差万别，这样对控制系统的具体要求也不一样，每种现场总线都有它最适用的控制场合，这也就是今天许多现场总线并存的一个重要原因。PROFIBUS-DP在世界范围的现场总线应用中占有重要的地位，它主要应用于制造业领域（开关量为主）。过程控制是工业自动控制中的最主要的分支之一。在石油化工行业里，过程控制占主导地位。为了适应市场需要，PI在公布DP的标准后不久，又推出了PA标准。PROFIBUS-PA在2000年底和PROFINET一起被补充到了IEC61158中。PROFIBUS-PA专为过程控制应用程序而设计，通俗地理解就是它取代了过程控制中传统的4~20mA标准信号。它是PROFIBUS-DP的延伸和扩展，所以PA的通信协议也称为DP-V1，它和DP-V0可以同时存在于一个系统中。过程控制的主要特点是以模拟量控制为主，各种控制参数、报警参数较多，系统对安全性要求较高。在PA中，从它的通信模型、通信协议和行规里都体现出了适合于过程控制要求的特点。各种变送器、阀和执行器等都可以做成符合PA要求的从站，连接到PA网络中。在PROFIBUS-PA中，采用现场设备工具/设备类型管理器（FDT/DTM）技术后，可以使高水平的工厂资源管理和优化得以实现。另外，在PROFIBUS-PA中使用了总线供电方式，引入了现场总线本质安全概念（FISCO），使其可以方便地应用于存在爆炸危险的场合。PROFIBUS-PA完全符合要求最严格的化学工业过程控制的需要，同时也在污水处理、石化、电力等所有过程控制的行业得到了广泛的应用。自从PA出现后，它的设备安装总数每年都在以翻番甚至更快的速度增长。8.1.2PA的技术特点PROFIBUS-PA之所以在过程控制中得到了广泛的应用，是由它独特的技术来保证的。其主要技术特点是：1）PA使用DP-V1通信协议进行通信。DP-V1是DP-V0的扩展，它不仅有循环数据通信，而且还有非循环数据通信。循环数据通信完成一般的数据测量值和设备的实时状态等数据的交换，保证了控制的快速性；非循环数据交换主要用于过程数据的上下限范围设定值、报警范围设定值，以及制造商的一些特殊数据的通信。2）PA在从站设备的行规中定义了应具有的特性，从而保证了不同设备制造商产品的互操作性和互换性。从站设备的行规对设备的公共参数和基本功能，以及参数的测量值、附加特征、工程单位都做了详细规定，而且还对设备的工程维护、诊断功能、识别功能等复杂的应用功能做了详细的规定，从而保证了不同制造商产品之间的可互换性。3）PA使用IEC61158-2中规定的同步传送技术，通过总线供电模式，PA可以在有爆炸危险的场合使用。曼彻斯特总线供电（MBP）技术允许数字信号和设备电源通过同一电缆传送，符合在危险场合设备使用的规定，所以可以在防爆区域使用。4）PA使用FISCO模式，使得本质安全网络得以延伸。FISCO是一种新的本质安全应用的更有效的方法，它的根本特点就是充分利用了危险场合所允许的最大负载电流的规定，所以扩大了本质安全设备的使用数量和范围。5）在PA的从站设备中，引入了电子设备描述语言（EDDL）、FDT/DTM的概念，提高了设备的管理水平，同时也打下了优化资产管理的基础。28.1.3过程控制使用PA的优点过程控制使用PROFIBUS-PA可以带来一系列的好处，这主要体现在：1）减少了各种费用项目设计、建设费用降低，大大节省了安装和电缆费用，维修费用降低，本质安全部分的费用降低。2）投资可以得到保护统一的标准，认证的设备，不依赖于任何制造商的产品。3）高品质的服务完善的在线诊断手段，大量可供选择的产品，具有互换性的设备。4）优化资产管理高品质的工厂，减少库存，新旧产品的兼容性。8.2PROFIBUS-PA的通信协议在第6章中，已讨论过PROFIBUS的协议结构，这里再回忆一下有关PA的部分。PA的协议结构由四层组成，即物理层、数据链路层、应用层和它本身的行规。物理层采用IEC61158-2技术。8.2.1IEC61158-2的特点基于IEC61158-2的同步传送技术的特点主要有：数据传送其方式为数字式、位同步、电压模式，固定的波特率为31.25kbit/s，曼彻斯特编码。数据可靠性采用前同步信号和起、止界定符来避免差错。电缆使用双绞线屏蔽电缆。爆炸场合的保护本质安全（Exia/ib）。远程供电通过信号电缆实现。网络拓扑可以是线形、树形、星形或混合形。站点数量总的站点数量可达126个，每段可达32个，但这个数目会随着本质安全的需要而大幅度地减少，具体数量要根据系统总的电流损耗量而定。电缆长度最长可达1900m；在危险区域最长可达1000m。中继器最多可扩展至4台，使用中继器可使电缆距离延伸到10km。8.2.2DP-V1通信协议的特点DP-V1通信协议的特点主要有：1.总线存取主站之间采用令牌传递方式，主站和从站之间采用轮询方式。2.通信单一传送和广播服务；一般数据交换采用循环通信方式；报警、诊断和参数设定采用非循环通信方式。3.实现功能主站和从站之间实时数据进行循环交换；动态激活和解除从站；分析从站组态；通过总线实现从站的地址设定；每个从站的输入和输出数据可多达244字节。4.系统安全保证所有信息的海明距离（HD）为4；从站的响应检测可识别主站的异常；3从站的I/O存取保护可阻止非授权主站进入；看门狗定时器的设置。8.2.3DP-V1的组成DP-V1是DP-V0的扩展版本。PI对PROFIBUS所有的扩展最基本的要求就是必须保证新版本向下的兼容性，所以当具有更强的扩展功能的PROFIBUS设备工作在基本的DP系统中时，不会发生任何问题。为了能使用DP的扩展功能，要求DP主站和相应的从站必须支持DP-V1功能。DP-V1包括循环数据（I/O数据）交换和专为过程控制而设计的非循环数据（变量和参数）交换，非循环数据主要指过程参数的上下限和报警范围，以及制造商的一些特殊数据。非循环数据的交换对实时性的要求不是很高，所以其中某个数据的交换不一定在同一个总线循环周期内完成。典型的DP-V1的总线循环周期如图8-1所示。从第6章对PROFIBUS应用层的讲解中可以知道，在非循环数据交换中，1类主站和从站之间的通信属于MS1通信；2类主站和从站之间的通信属于MS2通信。所以DP-V1的通信由循环通信MS0和非循环通信MS1、MS2组成。8.3PROFIBUS-PA的系统结构在PROFIBUS系统网络中，PA的设备必须由DP段的主站控制。DP和PA的物理层不同，DP一边是RS485、异步非归零（NRZ）编码、波特率可变，PA一边是IEC61158-2、同步Manchester编码、波特率固定为31.25kbit/s。所以它们之间必须通过一个转换设备连接，这个转换设备就是耦合器或连接模块，它在PA网络中非常重要。PA段设备的拓扑形式可以是线形、树形，或它们的混合形式。线形连接时，各个从站设备直接挂接在PA总线上；树形连接时，数个从站设备可以从一个分配器上连接，该分配器连接在PA总线上。每一个PA段的从站设备数量最多为32个，但受消耗电流总量的限制和适用场合的影响，一般要少于这个数目。图8-2为一个典型的PROFIBUS系统，其中的PA拓扑为线形连接。图8-1典型的DP-V1的总线循环周期图8-2典型的PROFIBUS系统4下面简单地介绍耦合器和连接模块，有关详细的使用请参考其说明书。耦合器和连接模块都可以起到连接DP和PA的作用，所以其原理基本上是一样的，但在使用时有一些区别。使用耦合器时，DP段的波特率不能太高，一般为45.45kbit/s（使用SIEMENS公司耦合器）或93.75kbit/s(使用Pepperl+Fuchs公司非模块型耦合器)。现在Pepperl+Fuchs公司的另一种KL系列模块型耦合器允许DP段的波特率最高可达12Mbit/s。耦合器不占用设备地址，PA段的从站设备的地址和DP段的设备一起统一编排，它们之间的地址不能重叠。使用耦合器时，主站的参数设置必须正确，即按规定的数据设置。图8-3所示为使用耦合器的PROFIBUS网络。使用连接模块时，该连接模块要占用一个DP网络中的从站地址，它和连接在其下面的PA设备一起就像一个DP从站一样，但它对PA从站来说又是一个主站。PA部分的设备地址可以和DP部分的设备地址重叠。使用连接模块时，DP可以在各种允许的波特率下运行。一个连接模块中通常集成多个即插式耦合器去驱动几个PA网段。但PA部分从站设备的组态比使用耦合器要复杂一些。一般情况下，使用耦合器比使用连接模块要多。使用连接模块的PROFIBUS网络如图8-4所示。8.4PROFIBUS-PA行规8.4.1概述在PROFIBUS的标准里定义了主站和从站之间进行通信的最基本的要求，在其行规中图8-3使用耦合器的PROFIBUS网络图8-4使用连接模块的PROFIBUS网络5清楚地定义了智能装置的参数规范、I/O数据排列、操作方式和性能。行规是独立于任何制造商的，它用来保证现场总线设备之间的互换性和互操作性。PA设备的行规定义了不同类别的过程控制设备的所有功能和参数，它们包括典型的从过程传感器信号到在过程控制系统中与测量值一起被读出的预处理过程值的信号流，甚至智能传感器中的测量值的质量状态、智能执行器和阀中的预维护信息都在行规中定义。PA设备行规包括通用要求和设备数据单两个文本。通用要求部分包括所有设备类型的现行有效的技术规范；设备数据单包括一些特殊设备类型的已认可的技术规范。在PA行规中定义了所有通用的过程控制装置行规。主要的设备数据单有：压力和差压；液位、温度和流量；模拟量和数字量的输入和输出；阀门和执行机构；分析仪器；控制器。PROFIBUS装置必须符合PROFIBUS通信协议和行规的要求。8.4.2PA装置中的块模型在过程控制设计中，人们常用块来描述某个控制点上的一个测量点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。这些块的使用保证了设备的互换性和开放性。PA装置中块的类型有：1）物理块（PB）包含设备（硬件）的特征数据，例如设备名称、制造厂商、软硬件版本号、设备序列号，以及制造商的一些特殊诊断信息等。物理块所包含的信息都是独立于测量和执行过程的，这样就保证了功能块、变送块和设备的硬件无关。每个设备中只能有一个物理块。物理块的主要作用有：复位设备到出厂时的设定值，记录应用过程、安装信息等等。2）变送块（TB）由传感器传送过来的信号经过处理后传递到功能块中，或由功能块过来的数据结果还原后送到执行器去，控制执行器的动作。变送块提供了一个把传感器、执行器和功能块隔离的独立接口，变送块中的数据反映的是正在采集到的现场数据或是即将输出给执行器的控制数据。变送块中包含处理所需要的全部数据，如果系统中不需要这些处理，那么可以不要TB。3）功能块（FB）对传感测量设备来说，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包含在FB中；对执行器来说，在控制系统对其进行控制之前，对其进行控制所需要的所有数据也包含在FB中。它的主要功能是对这些数据进行一些智能化的处理。4）设备管理器（DM）PA设备中还包含一个设备管理器，它用来描述设备的结构和组织；另外它还包含着数据字典或数据一览表。设备中块和块中的数据存放位置、每个块中有多少项目等等都是由设备管理器告诉我们的。一个测量传感仪表的快模型如图8-5a所示，一个阀执行器的块模型如图8-5b所示。一个PA设备可以是单通道的，比如一些简单的过程控制智能设备只包含一个模块，模块中只有一个测量值；一个PA设备也可能是多通道的，所以它有可能包含多个TB和FB，一般来说复杂的装置可能包含多个模块，可以提供多个测量值供用户使用。例如智能质量流量计，它就可以提供瞬时流量测量值，也可以提供流体的实时温度测量值，还可以告诉该流体的密度