1、精選優質文檔-傾情為你奉上現場總線及Profibus應用1 引言隨著網絡技術的不斷發展，因特網正在把全世界的計算機系統、通信系統逐漸集成起來，形成信息高速公路，從而形成一個公用的數據網絡。以計算機(Computer)、通信(Communication)和控制(Control)為代表的“3C”技術迅速發展，使得網絡集成信息自動化正在迅速應用到現場設備、控制、管理和市場的各個層次，并迅速進入工業制造、工業流程、環境工程、民用工程等應用領域。1而現場總線(Fieldbus)作為當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現，標志著工業控制領域又一個新時代的開始，并將對該領

2、域的發展產生重要影響。2 現場總線2.1 現場總線的產生背景隨著控制、計算機、通訊、網絡等技術的發展，信息交換溝通的領域正在迅速覆蓋從工廠的現場設備層到控制、管理的各個層次、覆蓋從工段、車間、工廠、企業乃至世界各地的市場。信息技術的飛速發展，引起了自動化系統結構的深刻變革，現場總線就是在這種形式下發展起來的新技術。120世紀50年代至今，工業過程控制儀表一只采用420mA的標準信號。20世紀60年代，測控系統一般采用直接數字式控制系統。20世紀70年代，數字式計算機被映入到測控系統中，此時的計算機提供的是集中式控制處理。20 世紀80 年代，微處理器被嵌入到各種儀器設備中，而形成了分布式控制系

3、統(DCS)，這種分布式控制系統經歷了若干發展階段，從集散控制系統(DCS)、現場總線控制系統( FCS) 到智能控制、維護、管理集成系統(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同工作模式2。由于各種現場總線技術的相繼出現，人們對傳統的模擬儀表和控制系統要求變革的呼聲越來越高，現場總線為引入智能現場儀表提供了一個開放平臺。基于現場總線的分布式控制系統(Fieldbus Control System, FCS)是在傳統的分布式控制系統(Distributed Control System, DCS)的基礎之上發展起來的，順應了自動控制系統發展的潮流。2.2 現場總

4、線的基本概念按照國際電工委員會IEC61158的標準定義，現場總線是安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動空盒子裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線1。它的本質含義主要表現在以下三個方面：現場總線是一種低帶寬的計算機局域網；現場總線是一種數字通信協議；現場總線是開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。圖1為DCS與FCS的對比。圖1 DCS與FCS的對比2.3 現場總線的特點現場總線的特點主要體現在兩個方面：一是在體系結構上成功地實現了串行連接，克服了并行連接的諸多不足；二是在技術上成功地解決了開放競爭和設備兼容兩大難題，實現了現場設備的高度智能化、互換性和控制功能的徹底分散化2

5、。現場總線系統體系結構特點：現場總線是以ISO的OSI 模型為基本框架的，并根據實際需要進行簡化了的體系結構系統，主要包括物理層、數據鏈路層、應用層和用戶層。它具有一對N 結構、互換性、互操作性、控制功能分散、互連網絡、維護方便等優點，另還有以下特點：(1) 網絡體系結構簡單。模型有4 層，具有設計靈活，執行直觀，價格低廉，性能良好等優點，還能保證通信的速度；(2) 綜合自動化功能把現場智能設備分別作為一個網絡節點，通過現場總線來實現各節點之間、節點與管理層之間的信息傳遞與溝通，易于實現各種復雜的綜合自動化功能；(3) 容錯能力強。現場總線通過使用檢錯、自校驗、監督定時、屏蔽邏輯等故障檢測方法

6、，大大提高了系統的容錯能力；(4) 抗干擾能力強，測控精度高。現場智能設備可以就近處理信號，并采用數字通信方式與主控系統交換信息，不僅具有較強的抗干擾能力，且其精度和可靠性也得到了提高。3現場總線系統具有以下技術特點：(1) 系統的開放性開放系統是指通信協議公開, 各不同廠家的設備之間可進行互連并實現信息交換，建 立起統一的工廠底層網絡的開放系統。這里的開放是指對相關標準的一致、公開性, 強調對標準 的共識與遵從。一個開放系統, 它可以與任何遵守相同標準的其他設備或系統相連。 一個具有總線功能的現場總線網絡系統必須是開放的, 開放系統把系統集成的權利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不

7、同 供應商的產品組成大小隨意的系統。(2) 一對N結構一對傳輸線，N臺儀表，雙向傳輸多個信號，這使得接線簡單，工程期短，安裝費用低。 若增加現場控制設備或現場儀表，只需并行掛接到電纜上，無須架設新的電纜。(3) 互可操作性與互用性這里的互可操作性 ，是指實現互連設備間、 系統間的信息傳送與溝通, 可實行點對點, 一點對多點的數字通信。而互用性則意味著用戶可自由選擇不同制造商提供的現場控制設備或現場儀表，并將它們通過總線互連，進行統一組態，構成所需的控制回路，即使某臺儀表出現故障，換上其他品牌的同類儀表也可照常工作。42.4 現場總線的優越性現場總線使工業過程控制發生了很大變化，優越性不容忽視：

8、(l) 使得智能變送器中安裝的微處理器能夠直接與數字控制系統通信；取代每個傳感器到控制器的單獨布線，節約了費用。(2) 現場總線提高了控制精度，提供了控制裝置與傳感器、執行器之間的雙向通道，方便了操作員與被控設備之間的交互。(3) 現場總線的開放性將使用戶有對設備儀表產品的選擇變多。52.5 現場總線的現狀由于各個國家各公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術委員會/國際標準協會(IEC/ISA) 就開始著手制定現場總線的標準，但至今統一的標準仍未完成。很多公司也推出其各自的現場總線技術，但彼此的開放性和互操作性還難以統一。目前現場總線市場的特點：(l) 各種現場總線都有其應用的領域；(

9、2) 每種現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標準；(4) 設備制造商參與多個現場總線組織；(5) 各個現場總線彼此協調共存。而國際上各種各樣的現場總線有幾百種之多，統一的國際標準尚未建立。已開發出的現場總線有40 多種，較著名的有基金會現場總線(FF)、Profibus、HART、CAN、Lonworks、Modbus、Interbus 等。近年來，現場總線技術一直是國內工業自動化領域的熱點，一些業內的企業和科研單位已經由最初對現場總線技術研究、公關、示范，轉變為具體應用和產品開發。62.6 現場總線的發展趨勢由于采用了不同的網絡技術，現場總線技術難以實現統一，它與

10、IEC(國際電工委員會) 于1984年開始制訂現場總線時的初衷是相違背的。因此，現場總線今后的發展將呈以下趨勢。(l) 多種總線并存現場總線國際標準IEC61158中采用的8種類型，以及其他一些現場總線，如Lonworks等，將在今后一段時間內共同發展，并相互競爭相互取長補短。此外；國際跨國公司除了從事他們所支持的現場總線技術的研究與開發，還兼顧其他總線的應用。(2) 每種現場總線將形成其特定的應用領域目前全球用于連接分散的I/O產品和控制器的總線和網絡產品多種多樣，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絡產品上，隨之會產生新的市場領導者。隨著時間的推移，占有市場 80左右的總線

11、將只有六七種，而且其應用領域比較明確。(3) 以大網的引入成為新的熱點以太網在沒有任何標準化組織的支持，但它是目前通訊技術事實上的標準，正在工業自動化和過程控制市場上迅速增長。TCP(傳輸控制協議) 已成為以太網事實上的網絡層、傳送層的通信規約；以太網已變為網絡拓撲的唯一選擇。Ethernet技術滲透到工業控制中，出現了現場總線型網絡技術與以太網因特網開放型網絡技術的自然結合，以太網不僅可以成為工業高層網絡上的信息系統，也可以上下貫通直接與現場設備相連。有專家預言，Ethernet是高性能現場總線極好的選擇。3 Profibus現場總線由于現場總線的類型很多，總的來講現場總線的應用還沒有達到全

12、面推廣的局面，絕大多數處于試點或在小規模系統上的應用。在工廠自動化(FA) 方面，PROFIBUS的DP所占的份額較大，目前已達1500萬個節點，在世界上處于領先地位，可以它作為代表。3.1 Profibus現場總線概述Profibus是德國20世紀90年代制定的國家工業現場總線協議標準，其應用領域包括加工制造、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場總線標準，即EN50170歐洲標準。它是唯一的全集成H1(過程) 和H2(工廠自動化) 的現場總線解決方案，用于將分散的過程控制設備與集中控制系統在底層進行連接1。3.2 Profibus的分類Profibus系統以ISO7498為

13、基礎，以開放式系統互聯網(OSI) 作為參考模型，針對不同的應用場合，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和設備級分散的I/O之間進行通信使用設計。使用ProfibusDP模塊可取代24V、420mA的串聯式信號傳輸。其特點是快速、即插即用、效率高、成本低，最高傳輸速率可達12Mbps。(2) ProfibusPA是專門為過程自動化設計的，可用于爆炸危險區域，其特點是面向過程控制，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的。可用于大范圍和復雜的通信系統。其特點是通用、大范圍應用、多主通信。但是現場總線

14、控制系統對現場自動化設備的要求較高，而現間段由系列智能節點(控制器、傳感器、執行機構等) 構成的統一的現場總線系統價格昂貴且難以實現，所以由PLC、PC和現場總線組成與DCS相兼容的系統是比較經濟合理的選擇。7這三個協議既有共性，又有個性，在應用方面各有側重。3.3 Profibus的傳輸技術現場總線系統的應用在很大程度上取決于選用的傳輸技術，既要考慮一些總的要求，如傳輸可靠、傳輸距離和高速，又要考慮到簡便經濟等因素。由于單一的傳輸技術不可能滿足所有的要求，因此Profibus提供三種類型的傳輸技術： (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，傳送數據以31.25K bit/s調制供電電壓，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境下應用，采用專用總線插頭轉換RS-485信號和光纖導體信號。3.4 Profibus的協議結構Profibus的協議結構以150/051為參考模型，所以它的協議結構符合開放性和標準化要求，其協議結構表1所示：表1 Profibus的協議結構FMSDPPA系統管理用戶層FMS行規DP行規PA行規OSI模型應用層現場總線信

16、息規范(FMS) DP基于DPV0DP擴展DPV1, DPV2表示層繪畫層傳輸層網絡層數據鏈路層現場總線數據鏈路(FDL) MBP接口物理層RS485/光纖MBP(1) 物理層PROFIBUS通信協議中的物理層規定了編碼類型和傳輸標準。在發送端，物理層從數據鏈路層接收數據，對它們進行編碼，添加通信成幀信息，將所形成的物理信號傳輸到物理介質上。在接收端，物理層先對這些數據進行譯碼，去掉通信成幀信息，然后再把它們傳輸給數據鏈路層。 (2) 在Fieldbus中，第二層稱之為現場總線數據鏈路層(Fieldbus Data Link-FDL) 。介質存取控制(Medium Access Co

17、ntrol-MAC) 具體控制數據傳輸的程序，MAC必須確保在任何一個時刻只有一個站點發送數據。(3) 應用層現場總線應用層(FAL，Fieldbus Application Layer)是一種應用層通信標準，它為用戶程序提供訪問現場總線通信環境的手段。Fieldbus的應用層規定了詳細的數據傳遞報文規范和數據格式。3. 5 Profibus控制系統的應用Profibus現場總線控制系統的應用范圍十分廣泛，其主要應用領域有以下幾個：(1) 制造業自動化。汽車制造(機器人、裝配線、沖壓線等)、造紙、紡織等領域。(2) 過程控制自動化。石化、制藥、水泥、食品等領域。(3) 電力。發電、輸配電。(4) 樓宇。空調、風機、照明等的控制。(5) 鐵路交通。信號系統。Profibus的典型應用如圖2所示。圖2 Profibus現場總線連接圖4 結束語現場總線控制系統是在分布式控制系統基礎之上發展起來的，他順應了自動控制系統發展的潮流，替代分布式控制系統是必然的發展趨勢。現場總線的發展使控制系統在網絡化發展的方向上向前邁進了一大步，同時，控制系統不斷提高的網絡化要求，也必定會促進現場總線技術的進一步發展。這樣的大環境為我國的工業控制領域提供了難得的發展機會，我們應抓住機會，根據自己的科研優勢積極投身現場總線產品