PROFIBUS現(xiàn)場總線6600字

1、PROFIBUS現(xiàn)場總線6600字 摘要： PROFIBUS是一種國際化的、開放的、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)廠商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等領(lǐng)域自動(dòng)化。本文主要就PROFIBUS的國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)、技術(shù)特性、在控制領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用前景進(jìn)行了討論。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；開放控制系統(tǒng)；PROFIBUS；PROFIBUS-DP；PROFIBUS-PA；PROFIBUS-FMS；IEC61158；EN50170標(biāo)準(zhǔn)；RS-485；中圖分類號：TU976+.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：Abstract: PROFIBUS is an international,

2、open and equipment vendor independent standard for field bus communication. It is widely used in manufacturing automation, process industrial automation and buildings, transportation, electricity and other areas of automation. This article focuses on domestic and international developments in PROFIB

3、US, its technical characteristics, its technical advantages and prospects in automation control area.Keyword: field bus, open control system, PROFIBUS；PROFIBUS-DP；PROFIBUS-PA；PROFIBUS-FMS；IEC61158；EN50170 standard；RS-485一概述 隨著計(jì)算機(jī)、控制、通信和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)場總線在20世紀(jì)80年代中期逐漸發(fā)展起來。現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場測量與控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通

4、信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多節(jié)點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS是過程現(xiàn)場總線（ProcessField Bus）的縮寫。德國科學(xué)技術(shù)部總結(jié)了20世紀(jì)80年代德國工業(yè)界自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，為了適應(yīng)分散控制系統(tǒng)的發(fā)展要求，對各公司自己定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議加以規(guī)范化、公開化，使得不同廠家生產(chǎn)的自動(dòng)控制設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)通信級互相兼容、遵守同一協(xié)議，以利于提高工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化水平，于1987年列為德國國家項(xiàng)目，由13家大公司（如SIEMENS、ABB、AEG等）及5家研究所經(jīng)過2年多的時(shí)間完成。1991年，PROFIBUS成為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245,1996年6月成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170,1

5、999年加入IEC 61158協(xié)議。 1985年組建了PROFIBUS國際支持中心；*年12月建立了PROFIBUS用戶組織（PNO）。目前在世界各地相繼組建了20個(gè)地區(qū)性的用戶組織，企業(yè)會(huì)員近650家。1997年7月組建了中國現(xiàn)場總線（PROFIBUS）專業(yè)委員會(huì)，并籌建現(xiàn)場總線PROFIBUS產(chǎn)品演示及認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室。 PROFIBUS已成為國際化的開放現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，得到了眾多生產(chǎn)廠家的支持，PROFIBUS產(chǎn)品在世界市場上已被普遍接受，市場份額占?xì)W洲首位，年增長率25%。目前支持PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自國際上250多個(gè)生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運(yùn)行的PROFI

6、BUS設(shè)備已超過200萬臺(tái)，到1998年5月，適用于過程自動(dòng)化的PROFIBUS-PA儀表設(shè)備在19個(gè)國家的40個(gè)用戶廠家投入現(xiàn)場運(yùn)行。 90年代初，PROFIBUS由西門子引入中國，開始被國內(nèi)所接受。由于得到中德兩國政府有關(guān)部門的支持及西門子的大力推廣，PROFIBUS在中國發(fā)展勢頭良好，目前，PROFIBUS在我國已擁有眾多用戶。 PROFIBUS已成為應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線之一，廣泛應(yīng)用于加工制造、過程和樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。PROFIBUS主要應(yīng)用領(lǐng)域有：制造業(yè)自動(dòng)化：汽車制造（機(jī)器人、裝配線、沖壓線等）、造紙、紡織。過程控制自動(dòng)化：石化、制藥、水泥、食品、啤酒。電力：發(fā)電、

7、輸配電。樓宇：空調(diào)、風(fēng)機(jī)、照明。鐵路交通：信號系統(tǒng)二技術(shù)規(guī)范 PROFIBUS遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三層構(gòu)成：第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。PROFIBUS由三部分組成，PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification,現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范)、PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery,散型外圍設(shè)備)、PROFIBUS-PA(Process Automation,過程自動(dòng)化)。1PROFIBUS-FMS 此部分是完成控制器與現(xiàn)場器件之間的通信及控制器之間的信息交換。它提供了大量的通信服務(wù)，如現(xiàn)場信息傳送

8、、數(shù)據(jù)庫處理、參數(shù)設(shè)定、下載程序、從機(jī)控制和報(bào)警等，適用完成以中等傳輸速度進(jìn)行較大數(shù)據(jù)交換的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)。由于它是完成控制器與智能現(xiàn)場設(shè)備之間的通信以及控制器間的信息交換，因此它主要考慮系統(tǒng)的功能，而不是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。FMS提供了叫多種類的通信服務(wù)，應(yīng)用靈活，可用于大范圍和復(fù)雜的通信系統(tǒng)。 PROFIBUS-FMS定義了第一、二、七層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場總線信息規(guī)范（Fieldbus Message Specification-FMS）和低層接口（Lower Layer Interface-LLI）。FMS包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強(qiáng)有力的通信服務(wù)。LLI協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系

9、并提供不依賴設(shè)備的第二層訪問接口。 PROFIBUS-FMS在使用RS-485時(shí)，其通信速率為9.6Kbps-500 Kbps，距離1.6Km-4.8Km，最多可接122個(gè)節(jié)點(diǎn)，使用FSK(頻移鏈控)時(shí)，最多32個(gè)節(jié)點(diǎn)，距離可達(dá)5Km，介質(zhì)可為雙絞線或光纜。2PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP是一種優(yōu)化的通信模塊，旨意在解決設(shè)備一級的高速數(shù)據(jù)通信。在這一級，中央控制器(如PLC/PC)通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備(I/O驅(qū)動(dòng)器、閥門等)進(jìn)行通信，傳輸速率可達(dá)12Mbit/s。一般情況下，DP構(gòu)成主站系統(tǒng)，主站和從站循環(huán)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;另外，DP的擴(kuò)展功能也能提供了非循環(huán)數(shù)據(jù)傳

10、輸?shù)哪芰Α?PROFIBUS-DP定義了第一、二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為。 PROFIBUS-DP:RS-485雙絞線或光纜通信速率為9.6kbps-12Mbps;最大距離12Mbps時(shí)為100m，1.5Mbps時(shí)為200m，可用中繼器加大距離，最多站數(shù)126個(gè)。3 PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA是PROFIBUS過程自動(dòng)化的解決方案，是PROFIBUS-DP向現(xiàn)場的延伸，用DP可以將若干PA連接在一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中。它具有本質(zhì)安全的特性，適用于本征安全要求較高

11、場合和總線供電的站點(diǎn)。 PROFIBUS-PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的PROFIBUS-DP協(xié)議。另外，PA還描述了現(xiàn)場設(shè)備行為的PA行規(guī)。根據(jù)IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)，PA的傳輸技術(shù)可確保其本征安全性，而且可通過總線給現(xiàn)場設(shè)備供電。使用連接器可在DP上擴(kuò)展PA網(wǎng)絡(luò)。 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(tái)數(shù)32臺(tái)，但決定于所接入總線儀表設(shè)備的耗電量和應(yīng)用的最大總線電流，只要進(jìn)入總線的電流不超過規(guī)定的最大電壓值和電流值，就可以保證在危險(xiǎn)區(qū)域中運(yùn)行的本質(zhì)安全。三PROFIBUS在控制領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢1總線存取協(xié)議實(shí)時(shí)性 PROFIBUS主站之間

12、采用令牌傳遞方式，主站和從站之間采用主從方式。令牌傳遞程序保證每個(gè)主站在確定的時(shí)間片內(nèi)得到總線訪問權(quán)限，主站得到令牌以后，根據(jù)主從關(guān)系表向從站發(fā)送和索取數(shù)據(jù)信息。這種介質(zhì)存取方式確?？刂葡到y(tǒng)需要的實(shí)時(shí)性。例如，主頻200 MHz的CPU，300個(gè)I/O點(diǎn)的掃描周期小于50 ms。2系統(tǒng)配置靈活 可根據(jù)應(yīng)用對象的控制要求，靈活選擇純主從系統(tǒng)、純主主系統(tǒng)或多主多從的混合系統(tǒng)。3種系列的PROFIBUS容易集成在一起，DP和FMS使用了同樣的傳輸技術(shù)和總線存取協(xié)議，因而這2套系統(tǒng)可在一根雙絞線上同時(shí)操作；PA和DP之間使用分段耦合器能方便地集成在一起。3PROFIBUS-PA本質(zhì)安全特性 PROFI

13、BUS-PA支持總線供電。在一條雙絞線上即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和向現(xiàn)場設(shè)備供電?？偩€的操作電源來自單一供電裝置，不再需要絕緣裝置和隔離裝置，即使在潛在的爆炸區(qū)維修、斷開、接通現(xiàn)場設(shè)備也不會(huì)影響總線上的其它節(jié)點(diǎn)。4PROFIBUS協(xié)議硬件實(shí)現(xiàn)方便 理論上，PROFIBUS協(xié)議可在任何帶有通用異步收發(fā)器UART的微處理器上實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)傳輸速率高于500Kbit/s時(shí)，最好采用專門的PROFIBUS協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)，提供PROFIBUS協(xié)議芯片的廠家有IAM、Motorola、SIEMENS、Delta、SMAR等。四PROFIBUS的應(yīng)用實(shí)例 以我所在的利港電廠生產(chǎn)過程為例，生產(chǎn)已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)

14、控，運(yùn)行人員在控制室內(nèi)可對現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，并且以此來對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。 現(xiàn)在廠里所用的控制系統(tǒng)主要是兩種：DCS（Distributed Control System）分散控制系統(tǒng)和PLC（ProgramLogic Control）可編程邏輯控制系統(tǒng)。由PROFIBUS構(gòu)成的開放控制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如下圖所示。1現(xiàn)場信號處理層通過PROFIBUS-DP連接生產(chǎn)現(xiàn)場的變送器、執(zhí)行器、閥門和各種I/O處理模塊。各個(gè)I/O處理模塊既可以與中央處理單元、電源等安裝在機(jī)柜內(nèi)，也可以分散安裝在現(xiàn)場的信號箱內(nèi)以便節(jié)省信號電纜、減少施工費(fèi)用。現(xiàn)場信號處理層完成與現(xiàn)場信號的連接，對輸入信號進(jìn)行采

15、集與轉(zhuǎn)換、對輸出信號進(jìn)行限幅等?，F(xiàn)場智能模塊具有看門狗定時(shí)、多級隔離、自動(dòng)診斷、輸出反饋以及系統(tǒng)故障時(shí)輸出切換到安全狀態(tài)等功能。2控制層 系統(tǒng)控制層由多臺(tái)現(xiàn)場控制站組成?？刂普居芍醒胩幚韱卧?、電源系統(tǒng)和現(xiàn)場總線連接的現(xiàn)場處理單元組成。系統(tǒng)控制層主要完成各種信號的綜合處理（物理轉(zhuǎn)換、報(bào)警檢查等）、回路的計(jì)算和處理、邏輯回路的處理、先進(jìn)控制算法的執(zhí)行等。我們廠主要使用的控制器有ABB公司的N90系統(tǒng)，Westing House廠家生產(chǎn)的Ovation DCD控制系統(tǒng)和GEFanuc，西門子，三菱等公司生產(chǎn)的PLC控制系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)備類型及控制要求的不同，采用不同的控制系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視控制。

16、所有的控制器和電源及通信線路都采取雙路冗余控制，可以隨時(shí)切換。3系統(tǒng)操作層系統(tǒng)操作層通過100 Mbit/s的冗余以太網(wǎng)連接工程師站，操作員站和冗余服務(wù)器。工程師站主要完成數(shù)據(jù)庫、圖形、控制算法、報(bào)表的組態(tài)和事故追憶、變量定義等參數(shù)配置組態(tài)及組態(tài)數(shù)據(jù)的下載，并完成在線運(yùn)行監(jiān)視和管理等功能。操作員站主要完成操作和監(jiān)視功能，包括接受來自操作員的鍵盤、鼠標(biāo)輸入，進(jìn)行畫面顯示切換，修改系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的人工干預(yù)，如在線參數(shù)修改、控制調(diào)節(jié)等。服務(wù)器是系統(tǒng)處理的中心，它完成數(shù)據(jù)的采集和管理，如數(shù)據(jù)庫的管理和維護(hù)，操作員站的數(shù)據(jù)申請和傳送，系統(tǒng)級設(shè)備的管理，打印任務(wù)的管理和打印機(jī)切換，報(bào)警、日志等

17、各種表格的管理。4.企業(yè)管理層系統(tǒng)操作層通過網(wǎng)關(guān)連接到企業(yè)管理層。企業(yè)管理層通過大型Client/Server結(jié)構(gòu)的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與目前流行的ERP企業(yè)資源計(jì)劃軟件可構(gòu)成資源供應(yīng)、計(jì)劃生產(chǎn)和產(chǎn)品銷售綜合管理系統(tǒng)?，F(xiàn)在公司內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)上任一臺(tái)計(jì)算機(jī)都可訪問到現(xiàn)場運(yùn)行的主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，但是他們沒有控制現(xiàn)場設(shè)備的權(quán)限，既保證了所有職工可以隨時(shí)查詢現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況，又保護(hù)了現(xiàn)場設(shè)備不會(huì)被除運(yùn)行操作人員以外的其他人誤操作，實(shí)現(xiàn)了信息的公開化和生產(chǎn)安全化的完美結(jié)合。五PROFIBUS現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢 現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的交叉與集成，幾乎涵蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域，如過程自動(dòng)化、

18、制造加工自動(dòng)化、樓半自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等等。它的出現(xiàn)和快速發(fā)展體現(xiàn)了控制領(lǐng)域?qū)档统杀?、提高可靠性、增?qiáng)可維護(hù)性和提高數(shù)據(jù)采集的智能化的要求?，F(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)為兩個(gè)方面：一個(gè)是低速現(xiàn)場總線領(lǐng)域的不斷發(fā)展和完善；另一個(gè)是高速現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。而目前現(xiàn)場總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品，應(yīng)用于運(yùn)行速率較低的領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從實(shí)際應(yīng)用狀況看，大多數(shù)現(xiàn)場總線，都能較好地實(shí)現(xiàn)速率要求較低的過程控制。與其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩(wěn)定的國際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性。目前已應(yīng)用的領(lǐng)域包括加工制造、過程控制和樓宇自動(dòng)化等。PROFIBUS開放性和不依賴于廠商的通信的設(shè)想，已在10多萬成功應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)。市場調(diào)查確認(rèn)，在歐洲市場中PROFIBUS占開放性工業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的市場份額超過40%。 PROFIBUS有國際著名自動(dòng)化技術(shù)裝備的生產(chǎn)廠商支持，它們都具有各自的技術(shù)優(yōu)勢并能提供廣泛的優(yōu)質(zhì)新產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。 工業(yè)以太網(wǎng)是作為辦公室自動(dòng)化領(lǐng)域衍生的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，按習(xí)慣主要指IEEE 802.3協(xié)議，如果進(jìn)一步采用TCP/IP協(xié)議族，則采用“以太網(wǎng)+TCP/IP”來表示，其技術(shù)特點(diǎn)主要適合信息管理、信息處理系統(tǒng)，并在IT業(yè)得到了巨大的成功。在工廠管理級、車間