1 引言
PROFIBUS-PA是尊從IEC61158國際標準的工業現場總線。PROFIBUS-PA廣泛用于制造業、流程工業、物流管理、樓宇自動化等眾多領域的開放式現場工業總線,并符合。PROFIBUS-PA從本質上講它是一種計算機局域網絡，只是由于它用在工業環境中，從使用器件的可靠性和對現場數據傳輸的要求上才與辦公局域網有所不同。
2 PROFIBUS-PA原理簡述
PROFIBUS-PA是一種用于分散式自控系統和現場設備之間的通信系統。PROFIBUS-PA是在PROFIBUS-DP的基礎上通過優化、擴展而來，增加了PA行規以及相應的傳輸技術，使PROFIBUS能更好地滿足各種過程控制的要求，主要用于化工等對安全性要求高的場合，通信采用擴展的PROFIBUS-DP協議。傳輸技術改用IEC11582（稱為H1），可確保本質安全性并使現場設備通過總線供電，通過分段耦合器，能方便地和PROFIBUSDP,PROFIBUSFMS相連。
PROFIBUS-PA使用PROFIBUS-DP的基本功能傳送測量值和狀態，并用擴展的PROFIBUS-DP功能制定現場設備的參數和進行設備操作。另外它使用了描述現場設備行為的PA行規，根據IEC1158-2的標準，這種傳輸技術可確保其本質安全性并使現場設備通過總線供電。
PROFIBUS-PA是PROFIBUS過程自動化的解決方案，是PROFIBUS-DP向現場的延伸，用DP可以將若干PA連接在一個自動化系統中。它具有本質安全的特性，專門的傳輸技術符合國際標準IEC1158-2，適用于本征安全要求較高場合和總線供電的站點。PROFIBUS-PA通信速率為31.25Kbps，最大距離為≤1.9km，其每一段上可連接的儀表臺數≤32臺，但決定于所接入總線儀表設備的耗電量和應用的最大總線電流，只要饋入總線的電流不超過規定的最大電壓值和電流值，就可以保證在危險區域中運行的本質安全。
PROFIBUS-PA 不僅可用于冶金、造紙、煙草、污水處理、建材生產等一般工業領域，也可用于帶有本安防護要求的石化化工爆炸危險區。非本安和本安型總線系統方案遵循同樣的規則。現場設備可按照不同的拓撲結構進行連接并由總線供電。在危險區運行時這些設備可進行帶電操作和插拔。耗電量較大的設備如四線制設備可通過單獨的現場電源供電。
3 FISCO模型（現場總線本安型概念）
3.1 本安有源保護
對于需要小電流的電源和電路，采用本安保護有許多優點。除了眾所周知的以外，需要強調的是在危險區帶電運行時可以進行測量和校正，并且開發和制造本安型設備是經濟的（也就是說在一臺標準型設備上開發時增加的開銷低于其它保護類型設備的開銷），本安型防護是唯一的包括設備外部電纜防護在內的保護類型。
制定了一些較復雜的規則和限制條件用于連接危險區內有源和無源設備，并限制本安電路中傳輸的電流。通過僅由一臺有源設備和一臺無源設備組成的本安系統可以描述有關的技術細節。另一方面，由于有大量的設備連在一起，本安型現場總線對安全提出了較高的要求。
3.2 傳感器/執行器總線限制
傳感器/執行器安裝在生產現場，而耦合器和控制器等設備則安裝在控制室內。即使所有總線上的設備不在危險現場也必須通過適當的結構保證它們的本安特性。IEC61158-2指出儀表總線上最多能連接32臺現場設備。但由于現場安裝施工中存在的種種問題，實際上這個數目僅僅是理論值。實際應用中可以連接大約28臺設備。在某些項目中也使用了一些不通過現場總線供電的設備。這些設備必須使用附加電源。
當需要附加電源單獨給測量變送器供電時本安型總線只用于數據的傳輸，由PTB與著名的制造商聯合完成的FISCO（Fieldbus Intrinsically Safe Concept，現場總線本安型概念）模型/1/2/型保證了“i”型現場總線可用于危險區。由PTB（Physikalisch-TechnischeBoundesanstalt,德國聯邦物理技術學院）開發的FISCO模型，把它用于潛在易爆領域中的現場總線的運行，這已被國際廣泛接受。同時，在計劃、安裝和擴展PROFIBUSPA網絡時，它能大量地節省時間。
3.3 國家授權
FISCO模型是以網絡其本質安全的前提為基礎的，如果四個相關的總線元件（現場設備，電纜，段耦合器和總線終端）在預先定義的有關電壓、電流、輸出、電感和電容的限制內，就不要任何獨立的本征安全性計算。通過把元件拿到不同國家的授權辦公室如PTB，BVS，UL或FM進行檢驗，可以得到正確的證實。如果使用已證實的FISCO設備，那么它不僅通過一個相位(phase)可運行更多的設備，而且這些設備還可以在運行期間由其他廠商生產的設備所代替。所有這些，都不需要耗時的計算和系統驗證：這就是在潛在易爆領域中的即插即用。
3.4 FISCO模型主要特點
FISCO模型的主要特點是只有一臺供電設備與現場總線相連。其它設備均為耗電設備。這樣不僅可以減少發生故障的概率，同時也增加了接于總線上設備和儀表的數量。由于只有一臺總線電源供電，因此只有這臺設備需要配備限電/限壓安全回路。在使用FISCO模型的限制參數時，還有以下幾點基本要求：
? （1）本質安全（與EN50020/S7/相一致的‘ib’或‘ia’）。
? （2）只有一臺本安供電設備，當一個站發送數據時無需供電。
? （3）每個站消耗的基本電流經過短暫的波動后應保持穩定。
（4）PA總線上的從站如變送器等作為一種無源耗電設備存在。
（5）站內部的有效電感和電容對于本安的影響可以不考慮。
? （6）可以使用不同類型的電纜（A、B、C、D型）。
? （7）主干線在兩端必須有終端電阻。
按照EN50020這個電阻值必須精確可靠到目前為止，通過以上的介紹已經能夠建起一條基本的儀表型現場總線。為總線供電的電源和連接過程設備的總線耦合器通常安裝在安全區的控制室內。供電電源中包括限制總線電流和電壓的器件。
3.5 PROFIBUS-PA位同步協議
在國際標準中描述的PROFIBUS-DP不能滿足FISCO模型的技術要求。與根據EIA標準的RS485/S6/使用UART協議傳輸數據的PROFIBUS-DP不同的是，PROFIBUS-PA使用位同步協議和電壓模式以及速率為31.25Kbit/s的直流信號傳輸方式。該標準可滿足過程領域的特殊要求，并符合上述的FISCO模型。
對于電流調制來說，假定每臺總線設備消耗的基本電流大于10mA，耦合器通過在基本電流之上對±9mA進行調制就可以產生通訊信號。根據國際標準，對PROFIBUSPA總線的訪問方法有令牌協議（有源主站）或PROFIBUSDP輪詢方式（無源從站）兩種，現場設備通常作為從站存在。根據IEC61158-2/S3/的規定，標準傳輸層的主要特性如下：
? （1）數字化位同步的數據傳輸。
? （2）數據傳輸速度為31.25kbit/sec。
? （3）曼徹斯特編碼。
? （4）前同步編碼。
? （5）防錯的起止界定符。
? （6）信號電壓為0.75Vss～1Vss。
? （7）在單根雙絞線（屏蔽／非屏蔽）上進行信號傳輸。
? （8）可以通過信號電纜進行總線供電。
? （9）可以進行本安操作。
? （10）總線和樹形拓撲結構。
? （11）每段最多可連接32個站。
? （12）最多可用4個中繼器進行擴展。
3 PROFIBUS-PA的特性
3.1 PROFIBUS-PA特性
PROFIBUS-PA覆蓋過程自動化的整個過程，同時，它的傳輸技術也符合國際標準規定的過程控制的特殊需求。PA將自動化系統和過程控制系統與壓力、溫度和液位變送器等現場設備連接起來，并解決它們之間的通信任務。PA可用來替代4～20mA的模擬技術。PROFIBUS-PA具有如下特性：
（1）適合過程自動化應用的行規使不同廠家生產的現場設備之間的互操作能力和互換性。
（2）增加和去除總線站點，即使在本征安全地區也不會影響到其它站。
（3）在過程自動化的PROFIBUS-PA段與制造業自動化的PROFIBUS-DP總線段之間通過藕合器連接，并使可實現兩段間的透明通信。PROFIBUS-PA使用DP-V1來實現各站之間的通信。它定義了以下設備類型：主站設備或主站決定總線上的數字通信。不需外部請求能夠獲得總線訪問授權并且隨后發送信息。1類主站（控制設備如PLC或PC）用循環數據通信，而2類主站（工程設計和操作設備）一般使用非循環數據通信。從站設備或從站沒有總線訪問授權，只在主站要求的情況下通信。
（4）使用與IEC1158-2技術相同的雙絞線完成遠程供電和數據傳送，僅使用兩根導線同時實現傳輸數據以及對PA總線上的設備、儀表進行供電，PROFIBUS-PA現場總線通過轉換器件可連到電氣的RS485或使用光纖傳輸的PROFIBUSDP系統中。
（5）符合IEC61158-2的本安型PROFIBUS-PA可用于危險區，在潛在的爆炸危險區可使用防爆型“本征安全”或“非本征安全”。
3.2 IEC1157-2傳輸技術
ROFIBUS-PA采用IEC1157-2傳輸技術，可用于有爆炸危險的環境中。PROFUBUS-PA對過程自動化進行了明確的說明。PROFIBUS-PA專為過程自動化設計，可使傳感器和執行機構聯在一根總線上，并具有本征安全，可以提供總線供電和本質安全；它滿足了化學工業的下列要求：
（1）使用在易爆領域中。
（2）使用可通過總線供電和通信的領域中。
（3）可以使用標準化的應用行規。
（4）即使在潛在易爆領域中，設備可即插即用。
4 結束語
從網絡層次上看，PROFIBUS-PA在整個系統中處于最底層，直接鋪設在生產現場，串行連接位于生產過程監測最前沿的各類設備和儀表，如閥門定位器、壓力/差壓、溫度變送器、分析儀、流量計、液位計、I/O模塊等，其上層是高速的PROFIBUS-DP總線。通過這樣的雙層總線結構，就可以完整實現數據的采集、傳輸以及對設備的控制和管理。
任何一種網絡技術的信號傳輸都需要遵循一定的規范，使用某類物理介質或導線進行串行或并行通信，并對通信信號進行編碼，以便接收方按事先約定的協議規范識別信號的具體含義。PROFIBUS-PA也是一樣，信號的傳送遵循PROFIBUS-DLL協議，采用符合MBP-iS的物理介質進行串行通信，并使用曼徹斯特編碼的位同步數據傳輸，8位/字符，防錯的起止界定符，信號電壓為0.75Vss～1Vss，并能夠實現本安工作。網絡拓撲結構為總線和樹形結構，每網段最多可連接32個站（儀表或執行器），當總線長度不夠時最多可用4個中繼器進行擴展。