現(xiàn)場總線及Profibus應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上現(xiàn)場總線及Profibus應(yīng)用1 引言隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，因特網(wǎng)正在把全世界的計算機(jī)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)逐漸集成起來，形成信息高速公路，從而形成一個公用的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。以計算機(jī)(Computer)、通信(Communication)和控制(Control)為代表的“3C”技術(shù)迅速發(fā)展，使得網(wǎng)絡(luò)集成信息自動化正在迅速應(yīng)用到現(xiàn)場設(shè)備、控制、管理和市場的各個層次，并迅速進(jìn)入工業(yè)制造、工業(yè)流程、環(huán)境工程、民用工程等應(yīng)用領(lǐng)域。1而現(xiàn)場總線(Fieldbus)作為當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制領(lǐng)域又一個新時代的開始，并將對該領(lǐng)

2、域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。2 現(xiàn)場總線2.1 現(xiàn)場總線的產(chǎn)生背景隨著控制、計算機(jī)、通訊、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理的各個層次、覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的深刻變革，現(xiàn)場總線就是在這種形式下發(fā)展起來的新技術(shù)。120世紀(jì)50年代至今，工業(yè)過程控制儀表一只采用420mA的標(biāo)準(zhǔn)信號。20世紀(jì)60年代，測控系統(tǒng)一般采用直接數(shù)字式控制系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代，數(shù)字式計算機(jī)被映入到測控系統(tǒng)中，此時的計算機(jī)提供的是集中式控制處理。20 世紀(jì)80 年代，微處理器被嵌入到各種儀器設(shè)備中，而形成了分布式控制系

3、統(tǒng)(DCS)，這種分布式控制系統(tǒng)經(jīng)歷了若干發(fā)展階段，從集散控制系統(tǒng)(DCS)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)( FCS) 到智能控制、維護(hù)、管理集成系統(tǒng)(ICMMS)，控制單元日益智能化，控制的方式日益走向多智能控制單元的協(xié)同工作模式2。由于各種現(xiàn)場總線技術(shù)的相繼出現(xiàn)，人們對傳統(tǒng)的模擬儀表和控制系統(tǒng)要求變革的呼聲越來越高，現(xiàn)場總線為引入智能現(xiàn)場儀表提供了一個開放平臺?；诂F(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System, FCS)是在傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System, DCS)的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，順應(yīng)了自動控制系統(tǒng)發(fā)展的潮流。2.2 現(xiàn)場總

4、線的基本概念按照國際電工委員會IEC61158的標(biāo)準(zhǔn)定義，現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動空盒子裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線1。它的本質(zhì)含義主要表現(xiàn)在以下三個方面：現(xiàn)場總線是一種低帶寬的計算機(jī)局域網(wǎng)；現(xiàn)場總線是一種數(shù)字通信協(xié)議；現(xiàn)場總線是開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。圖1為DCS與FCS的對比。圖1 DCS與FCS的對比2.3 現(xiàn)場總線的特點(diǎn)現(xiàn)場總線的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個方面：一是在體系結(jié)構(gòu)上成功地實(shí)現(xiàn)了串行連接，克服了并行連接的諸多不足；二是在技術(shù)上成功地解決了開放競爭和設(shè)備兼容兩大難題，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備的高度智能化、互換性和控制功能的徹底分散化2

5、。現(xiàn)場總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：現(xiàn)場總線是以ISO的OSI 模型為基本框架的，并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行簡化了的體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和用戶層。它具有一對N 結(jié)構(gòu)、互換性、互操作性、控制功能分散、互連網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，另還有以下特點(diǎn)：(1) 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)簡單。模型有4 層，具有設(shè)計靈活，執(zhí)行直觀，價格低廉，性能良好等優(yōu)點(diǎn)，還能保證通信的速度；(2) 綜合自動化功能把現(xiàn)場智能設(shè)備分別作為一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過現(xiàn)場總線來實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與管理層之間的信息傳遞與溝通，易于實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的綜合自動化功能；(3) 容錯能力強(qiáng)?，F(xiàn)場總線通過使用檢錯、自校驗(yàn)、監(jiān)督定時、屏蔽邏輯等故障檢測方法

6、，大大提高了系統(tǒng)的容錯能力；(4) 抗干擾能力強(qiáng)，測控精度高?，F(xiàn)場智能設(shè)備可以就近處理信號，并采用數(shù)字通信方式與主控系統(tǒng)交換信息，不僅具有較強(qiáng)的抗干擾能力，且其精度和可靠性也得到了提高。3現(xiàn)場總線系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：(1) 系統(tǒng)的開放性開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開, 各不同廠家的設(shè)備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現(xiàn)信息交換，建 立起統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致、公開性, 強(qiáng)調(diào)對標(biāo)準(zhǔn) 的共識與遵從。一個開放系統(tǒng), 它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備或系統(tǒng)相連。 一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的, 開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不

7、同 供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。(2) 一對N結(jié)構(gòu)一對傳輸線，N臺儀表，雙向傳輸多個信號，這使得接線簡單，工程期短，安裝費(fèi)用低。 若增加現(xiàn)場控制設(shè)備或現(xiàn)場儀表，只需并行掛接到電纜上，無須架設(shè)新的電纜。(3) 互可操作性與互用性這里的互可操作性 ，是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、 系統(tǒng)間的信息傳送與溝通, 可實(shí)行點(diǎn)對點(diǎn), 一點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)字通信。而互用性則意味著用戶可自由選擇不同制造商提供的現(xiàn)場控制設(shè)備或現(xiàn)場儀表，并將它們通過總線互連，進(jìn)行統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需的控制回路，即使某臺儀表出現(xiàn)故障，換上其他品牌的同類儀表也可照常工作。42.4 現(xiàn)場總線的優(yōu)越性現(xiàn)場總線使工業(yè)過程控制發(fā)生了很大變化，優(yōu)越性不容忽視：

8、(l) 使得智能變送器中安裝的微處理器能夠直接與數(shù)字控制系統(tǒng)通信；取代每個傳感器到控制器的單獨(dú)布線，節(jié)約了費(fèi)用。(2) 現(xiàn)場總線提高了控制精度，提供了控制裝置與傳感器、執(zhí)行器之間的雙向通道，方便了操作員與被控設(shè)備之間的交互。(3) 現(xiàn)場總線的開放性將使用戶有對設(shè)備儀表產(chǎn)品的選擇變多。52.5 現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀由于各個國家各公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術(shù)委員會/國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(IEC/ISA) 就開始著手制定現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)，但至今統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)仍未完成。很多公司也推出其各自的現(xiàn)場總線技術(shù)，但彼此的開放性和互操作性還難以統(tǒng)一。目前現(xiàn)場總線市場的特點(diǎn)：(l) 各種現(xiàn)場總線都有其應(yīng)用的領(lǐng)域；(

9、2) 每種現(xiàn)場總線都有國際組織支持的背景；(3) 多種總線成為國家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)；(4) 設(shè)備制造商參與多個現(xiàn)場總線組織；(5) 各個現(xiàn)場總線彼此協(xié)調(diào)共存。而國際上各種各樣的現(xiàn)場總線有幾百種之多，統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立。已開發(fā)出的現(xiàn)場總線有40 多種，較著名的有基金會現(xiàn)場總線(FF)、Profibus、HART、CAN、Lonworks、Modbus、Interbus 等。近年來，現(xiàn)場總線技術(shù)一直是國內(nèi)工業(yè)自動化領(lǐng)域的熱點(diǎn)，一些業(yè)內(nèi)的企業(yè)和科研單位已經(jīng)由最初對現(xiàn)場總線技術(shù)研究、公關(guān)、示范，轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w應(yīng)用和產(chǎn)品開發(fā)。62.6 現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢由于采用了不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，現(xiàn)場總線技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，它與

10、IEC(國際電工委員會) 于1984年開始制訂現(xiàn)場總線時的初衷是相違背的。因此，現(xiàn)場總線今后的發(fā)展將呈以下趨勢。(l) 多種總線并存現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158中采用的8種類型，以及其他一些現(xiàn)場總線，如Lonworks等，將在今后一段時間內(nèi)共同發(fā)展，并相互競爭相互取長補(bǔ)短。此外；國際跨國公司除了從事他們所支持的現(xiàn)場總線技術(shù)的研究與開發(fā)，還兼顧其他總線的應(yīng)用。(2) 每種現(xiàn)場總線將形成其特定的應(yīng)用領(lǐng)域目前全球用于連接分散的I/O產(chǎn)品和控制器的總線和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品多種多樣，但未來將有越來越多的市場份額集中在越來越少的總線和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品上，隨之會產(chǎn)生新的市場領(lǐng)導(dǎo)者。隨著時間的推移，占有市場 80左右的總線

11、將只有六七種，而且其應(yīng)用領(lǐng)域比較明確。(3) 以大網(wǎng)的引入成為新的熱點(diǎn)以太網(wǎng)在沒有任何標(biāo)準(zhǔn)化組織的支持，但它是目前通訊技術(shù)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，正在工業(yè)自動化和過程控制市場上迅速增長。TCP(傳輸控制協(xié)議) 已成為以太網(wǎng)事實(shí)上的網(wǎng)絡(luò)層、傳送層的通信規(guī)約；以太網(wǎng)已變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奈ㄒ贿x擇。Ethernet技術(shù)滲透到工業(yè)控制中，出現(xiàn)了現(xiàn)場總線型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與以太網(wǎng)因特網(wǎng)開放型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自然結(jié)合，以太網(wǎng)不僅可以成為工業(yè)高層網(wǎng)絡(luò)上的信息系統(tǒng)，也可以上下貫通直接與現(xiàn)場設(shè)備相連。有專家預(yù)言，Ethernet是高性能現(xiàn)場總線極好的選擇。3 Profibus現(xiàn)場總線由于現(xiàn)場總線的類型很多，總的來講現(xiàn)場總線的應(yīng)用還沒有達(dá)到全

12、面推廣的局面，絕大多數(shù)處于試點(diǎn)或在小規(guī)模系統(tǒng)上的應(yīng)用。在工廠自動化(FA) 方面，PROFIBUS的DP所占的份額較大，目前已達(dá)1500萬個節(jié)點(diǎn)，在世界上處于領(lǐng)先地位，可以它作為代表。3.1 Profibus現(xiàn)場總線概述Profibus是德國20世紀(jì)90年代制定的國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括加工制造、過程控制和建筑自動化等等，如今已成為國際化的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，即EN50170歐洲標(biāo)準(zhǔn)。它是唯一的全集成H1(過程) 和H2(工廠自動化) 的現(xiàn)場總線解決方案，用于將分散的過程控制設(shè)備與集中控制系統(tǒng)在底層進(jìn)行連接1。3.2 Profibus的分類Profibus系統(tǒng)以ISO7498為

13、基礎(chǔ)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)(OSI) 作為參考模型，針對不同的應(yīng)用場合，分為3個系列：(1) ProfibusDP是一種高速和便宜的通信連接，它專門為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散的I/O之間進(jìn)行通信使用設(shè)計。使用ProfibusDP模塊可取代24V、420mA的串聯(lián)式信號傳輸。其特點(diǎn)是快速、即插即用、效率高、成本低，最高傳輸速率可達(dá)12Mbps。(2) ProfibusPA是專門為過程自動化設(shè)計的，可用于爆炸危險區(qū)域，其特點(diǎn)是面向過程控制，總線供電，本征安全。(3) ProfibusFMS是用來解決車間級通用性通信任務(wù)的?？捎糜诖蠓秶蛷?fù)雜的通信系統(tǒng)。其特點(diǎn)是通用、大范圍應(yīng)用、多主通信。但是現(xiàn)場總線

14、控制系統(tǒng)對現(xiàn)場自動化設(shè)備的要求較高，而現(xiàn)間段由系列智能節(jié)點(diǎn)(控制器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等) 構(gòu)成的統(tǒng)一的現(xiàn)場總線系統(tǒng)價格昂貴且難以實(shí)現(xiàn)，所以由PLC、PC和現(xiàn)場總線組成與DCS相兼容的系統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)合理的選擇。7這三個協(xié)議既有共性，又有個性，在應(yīng)用方面各有側(cè)重。3.3 Profibus的傳輸技術(shù)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的應(yīng)用在很大程度上取決于選用的傳輸技術(shù)，既要考慮一些總的要求，如傳輸可靠、傳輸距離和高速，又要考慮到簡便經(jīng)濟(jì)等因素。由于單一的傳輸技術(shù)不可能滿足所有的要求，因此Profibus提供三種類型的傳輸技術(shù)： (1) DP和FMS采用RS485傳輸。采用屏蔽雙絞銅線，傳輸速率為9.6K bit/s12

15、M bit/s，每分段32個站(不帶中繼) ，可多到127個站(帶中繼) 。 (2) PA采用IEC1158-2傳輸。支持本征安全和總線供電，傳送數(shù)據(jù)以31.25K bit/s調(diào)制供電電壓，采用藕合器將IEC1158-2與RS-485連接。 (3) 光纖FO。在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用，采用專用總線插頭轉(zhuǎn)換RS-485信號和光纖導(dǎo)體信號。3.4 Profibus的協(xié)議結(jié)構(gòu)Profibus的協(xié)議結(jié)構(gòu)以150/051為參考模型，所以它的協(xié)議結(jié)構(gòu)符合開放性和標(biāo)準(zhǔn)化要求，其協(xié)議結(jié)構(gòu)表1所示：表1 Profibus的協(xié)議結(jié)構(gòu)FMSDPPA系統(tǒng)管理用戶層FMS行規(guī)DP行規(guī)PA行規(guī)OSI模型應(yīng)用層現(xiàn)場總線信

16、息規(guī)范(FMS) DP基于DPV0DP擴(kuò)展DPV1, DPV2表示層繪畫層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路(FDL) MBP接口物理層RS485/光纖MBP(1) 物理層PROFIBUS通信協(xié)議中的物理層規(guī)定了編碼類型和傳輸標(biāo)準(zhǔn)。在發(fā)送端，物理層從數(shù)據(jù)鏈路層接收數(shù)據(jù)，對它們進(jìn)行編碼，添加通信成幀信息，將所形成的物理信號傳輸?shù)轿锢斫橘|(zhì)上。在接收端，物理層先對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，去掉通信成幀信息，然后再把它們傳輸給數(shù)據(jù)鏈路層。 (2) 在Fieldbus中，第二層稱之為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層(Fieldbus Data Link-FDL) 。介質(zhì)存取控制(Medium Access Co

17、ntrol-MAC) 具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，MAC必須確保在任何一個時刻只有一個站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。(3) 應(yīng)用層現(xiàn)場總線應(yīng)用層(FAL，F(xiàn)ieldbus Application Layer)是一種應(yīng)用層通信標(biāo)準(zhǔn)，它為用戶程序提供訪問現(xiàn)場總線通信環(huán)境的手段。Fieldbus的應(yīng)用層規(guī)定了詳細(xì)的數(shù)據(jù)傳遞報文規(guī)范和數(shù)據(jù)格式。3. 5 Profibus控制系統(tǒng)的應(yīng)用Profibus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍十分廣泛，其主要應(yīng)用領(lǐng)域有以下幾個：(1) 制造業(yè)自動化。汽車制造(機(jī)器人、裝配線、沖壓線等)、造紙、紡織等領(lǐng)域。(2) 過程控制自動化。石化、制藥、水泥、食品等領(lǐng)域。(3) 電力。發(fā)電、輸配電。(4) 樓宇?？照{(diào)、風(fēng)機(jī)、照明等的控制。(5) 鐵路交通。信號系統(tǒng)。Profibus的典型應(yīng)用如圖2所示。圖2 Profibus現(xiàn)場總線連接圖4 結(jié)束語現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是在分布式控制系統(tǒng)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，他順應(yīng)了自動控制系統(tǒng)發(fā)展的潮流，替代分布式控制系統(tǒng)是必然的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)場總線的發(fā)展使控制系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向上向前邁進(jìn)了一大步，同時，控制系統(tǒng)不斷提高的網(wǎng)絡(luò)化要求，也必定會促進(jìn)現(xiàn)場總線技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。這樣的大環(huán)境為我國的工業(yè)控制領(lǐng)域提供了難得的發(fā)展機(jī)會，我們應(yīng)抓住機(jī)會，根據(jù)自己的科研優(yōu)勢積極投身現(xiàn)場總線產(chǎn)品