1 引言
PROFIBUS-PA是尊从IEC61158国际标准的工业现场总线。PROFIBUS-PA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工业总线,并符合。PROFIBUS-PA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。
2 PROFIBUS-PA原理简述
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是在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IEC11582（称为H1），可确保本质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PROFIBUSDP,PROFIBUSFMS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PROFIBUS-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IEC1158-2的标准，这种传输技术可确保其本质安全性并使现场设备通过总线供电。
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。它具有本质安全的特性，专门的传输技术符合国际标准IEC1158-2，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31.25Kbps，最大距离为≤1.9km，其每一段上可连接的仪表台数≤32台，但决定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质安全。
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。
3 FISCO模型（现场总线本安型概念）
3.1 本安有源保护
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。
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。
3.2 传感器/执行器总线限制
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。IEC61158-2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，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，由PTB与著名的制造商联合完成的FISCO（Fieldbus Intrinsically Safe Concept，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。由PTB（Physikalisch-TechnischeBoundesanstalt,德国联邦物理技术学院）开发的FISCO模型，把它用于潜在易爆领域中的现场总线的运行，这已被国际广泛接受。同时，在计划、安装和扩展PROFIBUSPA网络时，它能大量地节省时间。
3.3 国家授权
FISCO模型是以网络其本质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。
3.4 FISCO模型主要特点
FISCO模型的主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）本质安全（与EN50020/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。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。
3.5 PROFIBUS-PA位同步协议
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RS485/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讯信号。根据国际标准，对PROFIBUSPA总线的访问方法有令牌协议（有源主站）或PROFIBUSDP轮询方式（无源从站）两种，现场设备通常作为从站存在。根据IEC61158-2/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/sec。
• （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0.75Vss～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。
3 PROFIBUS-PA的特性
3.1 PROFIBUS-PA特性
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。PROFIBUS-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的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它站。
（3）在过程自动化的PROFIBUS-PA段与制造业自动化的PROFIBUS-DP总线段之间通过藕合器连接，并使可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。它定义了以下设备类型：主站设备或主站决定总线上的数字通信。不需外部请求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IEC1158-2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电气的RS485或使用光纤传输的PROFIBUSDP系统中。
（5）符合IEC61158-2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”。
3.2 IEC1157-2传输技术
ROFIBUS-PA采用IEC1157-2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的说明。PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并具有本征安全，可以提供总线供电和本质安全；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。
4 结束语
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/差压、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，8位/字符，防错的起止界定符，信号电压为0.75Vss～1Vss，并能够实现本安工作。网络拓扑结构为总线和树形结构，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。