技术贴 | PROFIBUS PA网络设计规则注意事项——鼎实科技

PROFIBUS PA主要用于过程自动化，其物理层使用了曼彻斯特编码和总线供电技术，通信协议支持PROFIBUS DP-V1版本和应用行规“PA设备行规”。即PROFIBUS PA与PROFIBUS DP在应用层上采用相同的协议，差别在于不同的物理层。用户在PROFIBUS PA网络设计过程中，需注意以下几方面规则。

PROFIBUS PA

⑴、PA网络总负载电流应小于PA链路器的最大输出值

用户首先应统计连接到PA链路器的所有设备（device）的电流值，包括PA从站、网络部件（如分线器）、诊断工具等，注意关注设备的故障电流。应确保这些设备的消耗电流的综合不超过PA链路器所能提供的最大电流值，同时根据现场要求，留有一定余量。

电流计算公式为：

电流计算公式

公式中Id指的是单个设备（device）的电流值，n表示设备个数（包括PA从站、分线器及其它消耗电流的设备），Imax表示PA链路器输出最大电流值。

图1-1、电流计算示意图

例如：鼎实的DPPA链路器PA口通过鼎实PA分线器引出3个分支，分别连接3个PA从站，如上图1-1所示。DPPA链路器输出最大电流Imax=500mA，分线器消耗电流I1=12mA，假设三个PA从站消耗电流I2~I4=20mA，结果符合设计要求

⑵、PA设备工作电压值不能低于设备允许值

用户在PA网络设计中，应保证距离链路器最远端的PA设备供电电压应不低于设备的允许工作电压（按照PA规范，不低于9V）。PA耦合器输出电压到PA设备后降低主要因素是传输线路的分压。线路分压大小与以下几个因素成正比：

①、所用电缆回路电阻

②、电缆长度

③、经过电缆的电流值

用户需根据现场链路器的输出电压、电缆的回路电阻、线缆的长度、各个分支（PA从站、网络部件等）的电流值等信息，计算出PA从站的输入电压，保证最远端的PA设备供电不能设备的允许工作电压（9V）。

最远端PA设备输入电压计算公式：

最远端PA设备输入电压计算公式

公式中Ud指的是最远端设备的输入电压，n表示设备个数（包括PA从站、分线器及其它消耗电流的设备），Id表示该设备所消耗的电流值，Rc表示设备所用PA电缆的回路电阻（常用的A类电缆为44Ω/Km），Ln表示设备所在主干节点距离PA链路器的长度。

下面举例进行说明。

某PA网络系统：链路器输出电压28V，现场使用的A类电缆（回路阻抗44Ω/Km），主干距离分线器1000米，分线器连接５个PA分支，分线器到最远端设备200米。分线器功耗12ｍＡ，分线器每个分支所连的设备消耗电流20mA，最远端仪表消耗20mA电流。如下图1-2所示

图1-2、某PA系统示意图

在计算设备供电电压时，上图1-2的系统可等效成如下1-3所示的电路。

图1-3、上图中的等效电路图

上图1-3中：

Uo＝28V（链路器输出电压值），PA网络中消耗电流的设备一共有7个，I1为分线器消耗电流值12mA，I2~I6为PA仪表消耗电流值20mA，I7为最远端仪表消耗的电流值20mA，L1~L6为分线器所在主干节点距离PA链路器的长度1000米，L7为最远端PA设备所在主干节点距离PA链路器的长度1200米（1000+200米），Rc回路阻抗44Ω/Km。

将上述变量点入公式

通过以上计算，得出最远端设备供电电压大约22V，符合设备供电要求。

⑶、PA电缆总长度不能超过规定值

在非本安系统中，现场在使用标准的A类电缆条件下，总长度不应超过1900米。其中包括主干长度加上所有的分支长度总和。关于A类电缆的技术指标，可以查看PROFIBUS PA安装规范中的要求。

⑷、PA网络分支数量及长度规则

分支数量与长度呈负相关的关系，即分支越多，单个分支的最大长度越短。下表1-2列出了分支数量与最大分支长度的关系。

*)符合FISCO的预备值(短截线<1 m 可以认为是接头)

注意：现场使用分线器的情况下，分支长度为分线器到主干的长度加上设备到分线器的长度。举例：某PA网络有16个分支，按标准，最长分支为60米，如果分线器到主干线路距离为10米，则设备到分线器之间的最大长度不能超过50米。

图1-4、分支长度举例

⑸、PA网络终端安装规则

PROFIBUS PA网络终端由１个100Ω电阻串联一个1μF电容构成。其中，电容起到耦合PA网络信号和滤波的作用，电阻起到稳定信号电压和减少反射波的作用。一个PA网络需要在总线的两侧各安装一个终端。终端的规格和安装位置，对PA信号传输起着非常关键的作用。

图1-5、PA网络终端规格

通过鼎实PA设备可以组建线型、树型或混合型拓扑。针对这些拓扑结构，终端的安装投入大致有以下几种情况：

线型拓扑：链路器的终端拨到on，总线的末端需额外配置终端模块。

图1-6、线型拓扑的终端安装

树形拓扑：链路器和分线器的终端拨到on。

图1-7、树型拓扑的终端安装

混合型拓扑：系统如如果既有线性又有树型的拓扑结构称为混合型拓扑。终端需要安装在总线的末端，如果末端是分线器则安装在分线器上，如果是仪表则安装在仪表旁边，现场可能有以下几种情况。

①、分线器位于终端位置

图1-8、混合型拓扑-分线器位于终端

②、PA仪表位于终端位置

图1-9、混合型拓扑-仪表位于终端

⑹、现场接地规则

为保证通信的可靠性和安全性，PROFIBUSPA安装规范中要求多点接地，即现场所有的PA节点（包括网络部件）屏蔽层的都应接到一个等电位上。

图1-10、理想的接地方式

有些用户由于现场环境的特殊性（如距离远、跨建筑物等），不能做到多点接地，而是采用了单一接地的方案，在这种情况下，应该注意，所有符合IEC801标准的EMC测试，都假定在电缆屏蔽与接近被测设备（如，现场设备）的大地之间是直接连接的。因此，在单一接地的情况下，与测试环境相比EMC水平可能会降低。

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审核编辑黄宇