PROFIBUS现场总线及其在开放控制系统中的应用

作者：王刚 李曙军 吕跃刚

欢迎访问e展厅 展厅 5 现场总线/工业以太网展厅 主站板卡, 现场总线适配器, ... 摘要：PROFIBUS是目前最流行的现场总线标准之一。文章主要分析PROFIBUS-DP现场总线的协议结构、技术特点及其在开放控制系统中的应用。 1引言 随着计算机、控制、通信和网络等技术的进步，现场总线在20世纪80年代中期逐渐发展起来。现场总线是应用在生产现场测量与控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多节点通信的底层控制网络。PROFIBUS是过程现场总线（ProcessField Bus）的缩写。德国科学技术部总结了20世纪80年代德国工业界自动控制技术的发展经验，为了适应分散控制系统的发展要求，对各公司自己定义的网络协议加以规范化、公开化，使得不同厂家生产的自动控制设备在网络通信级互相兼容、遵守同一协议，以利于提高工业标准化水平，于1987年列为德国国家项目，由13家大公司（如SIEMENS、ABB、AEG等）及5家研究所经过2 a多的时间完成。1991年，PROFIBUS成为德国国家标准DIN 19245,1996年6月成为欧洲标准EN 10170,1999年加入IEC 61158协议。PROFIBUS已成为应用广泛、技术成熟的国际标准现场总线之一，广泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化等领域。 2 PROFIBUS现场总线 2.1 PROFIBUS系列 PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA 3个兼容版本。 a. PROFIBUS-DP以DIN 19245的第一部分为基础，经过优化的高速、廉价通信网络，适用于自动控制系统和设备级分散I/O之间通信。在设备级，中央控制器（如PLC、PC）通过高速串行线同分散的现场设备（如I/O、传感器、阀门、执行器等）进行通信。DP一般构成单主站系统，主从站之间采用循环数据传送方式工作，最高通信速率可达12 Mbit/s。 b. PROFIBUS-FMS完成车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，实现周期性和非周期性通信。目前，PROFIBUS-FMS的作用正在为高速工业以太网HSE(High Speed Ethernet)代替。 c. PROFIBUS-PA专为过程自动化设计,用于本质安全和现场供电的场合。 2.2 PROFIBUS的协议结构和传输技术 PROFIBUS协议根据ISO 74898国际标准，以开放系统互连ISO/OSI为参考模型。协议结构如图1所示。协议定义了第1层（物理层）、第2层（数据链路层）和第7层（应用层）。没有使用第3层至第6层，这样可以减少通信开支，增加效率。 2.2.1 PROFIBUS的物理层 现场总线的物理层规定了总线介质、网络拓扑、传输距离、传输速率、站点数以及总线接口。它提供有关同步和比特流在物理媒体上的传输手段。PROFIBUS提供3种传输技术。 a. DP和FMS的RS 485传输基本特点见表1。 b. PA的IEC 1158-2传输基本特点见表2。 c. 在电磁干扰很大的环境下，可以使用光纤导体提高传输距离和传输速度。许多厂商提供专用的总线插头可将RS 485信号和光纤信号互相转换。 2.2.2PROFIBUS的数据链路层 数据链路层主要实现介质存取控制MAC和数据通信服务功能。MAC保证令牌的按序传递，在任意时刻总线上只有一个节点发送数据，避免信息的碰撞延时。数据通信服务提供点对点，点对多点和广播通信功能，所有电文海明距离等于4，保证数据的完整性。 2.2.3PROFIBUS的应用层 在DP和PA中没有应用层，只有复杂场合使用的FMS中有应用层。应用层由低层接口LLI和现场总线信息规范FMS 2部分组成，FMS描述通信对象，提供应用服务；LLI主要实现将FMS的服务映射到数据链路层，通信连接的建立、监视和释放以及数据流控制。 3 PROFIBUS在控制领域的技术优势 3.1 总线存取协议——实时性 PROFIBUS主站之间采用令牌传递方式，主站和从站之间采用主从方式。令牌传递程序保证每个主站在确定的时间片内得到总线访问权限，主站得到令牌以后，根据主从关系表向从站发送和索取数据信息。这种介质存取方式确保控制系统需要的实时性。例如，主频200 MHz的CPU，300个I/O点的扫描周期小于50 ms。 3.2系统配置灵活 可根据应用对象的控制要求，灵活选择纯主—从系统、纯主—主系统或多主多从的混合系统。3种系列的PROFIBUS容易集成在一起，DP和FMS使用了同样的传输技术和总线存取协议，因而这2套系统可在一根双绞线上同时操作；PA和DP之间使用分段耦合器能方便地集成在一起。 3.3PROFIBUS-PA本质安全特性 PROFIBUS-PA支持总线供电。在一条双绞线上即可实现数据通信和向现场设备供电。总线的操作电源来自单一供电装置，不再需要绝缘装置和隔离装置，即使在潜在的爆炸区维修、断开、接通现场设备也不会影响总线上的其它节点。 3.4 PROFIBUS协议硬件实现方便 理论上，PROFIBUS协议可在任何带有通用异步收发器UART的微处理器上实现。但当传输速率高于500 Kbit/s时，最好采用专门的PROFIBUS协议芯片实现，提供PROFIBUS协议芯片的厂家有IAM、Motorola、SIEMENS、Delta、SMAR等。PROFIBUS协议控制器的3种实现形式如图2所示。 4 PROFIBUS在开放控制系统中的应用 现场总线是低带宽的底层控制网络，又称为Infranet，可与企业内部网Intranet，因特网Internet相连。由PROFIBUS构成的开放控制系统层次结构如图3所示。 4.1现场信号处理层 通过PROFIBUS-DP连接生产现场的变送器、执行器、阀门和各种I/O处理模块。各个I/O处理模块既可以与中央处理单元、电源等安装在机柜内，也可以分散安装在现场的信号箱内以便节省信号电缆、减少施工费用。现场信号处理层完成与现场信号的连接，对输入信号进行采集与转换、对输出信号进行限幅等。现场智能模块具有看门狗定时、多级隔离、自动诊断、输出反馈以及系统故障时输出切换到安全状态等功能。 4.2控制层 系统控制层由多台现场控制站组成。控制站由中央处理单元、电源系统和现场总线连接的现场处理单元组成。系统控制层主要完成各种信号的综合处理（物理转换、报警检查等）、回路的计算和处理、逻辑回路的处理、先进控制算法的执行等。随着嵌入式系统的发展，嵌入式系统表现出越来越多的优越性，如无硬盘，不需风扇，抗震动，耐高温，体积小，功耗低，软硬件可裁减，可靠性高，实时性强，适应恶劣环境等。现场控制站逐渐采用嵌入式软硬件实现。目前市场上出现许多嵌入式产品，如嵌入式控制器PC/104和各种PC-Based设备以及各种嵌入式操作系统，如Windows CE、QNX、VxWorks等。 4.3 系统操作层 系统操作层通过100 Mbit/s的冗余以太网连接工程师站，操作员站和冗余服务器。操作员站和工程师站运行Windows NT4.0 workstation或以上版本的操作系统和监控组态软件，服务器运行Windows NT4.0 Server或以上版本的操作系统。工程师站主要完成数据库、图形、控制算法、报表的组态和事故追忆、变量定义等参数配置组态及组态数据的下载，并完成在线运行监视和管理等功能。操作员站主要完成操作和监视功能，包括接受来自操作员的键盘、鼠标输入，进行画面显示切换，修改系统的运行参数，实现对系统的人工干预，如在线参数修改、控制调节等。服务器是系统处理的中心，它完成数据的采集和管理，如数据库的管理和维护，操作员站的数据申请和传送，系统级设备的管理，打印任务的管理和打印机切换，报警、日志等各种表格的管理。 4.4企业管理层 系统操作层通过网关连接到企业管理层。企业管理层通过大型Client/Server结构的网络系统与目前流行的ERP企业资源计划软件可构成资源供应、计划生产和产品销售综合管理系统。 5 结论 目前流行的现场总线标准有很多种，如FF、Lonworks、CAN、WorldFIP和HART等。由于各种现场总线技术特点、适用场合不同，再加上各公司和企业集团受自身商业利益的驱使，可以预计在以后相当长的时间内会出现各种现场总线并存的情况。各种总线技术相互融合，在工程实践中合理搭配是目前现场总线技术应用的一个显著特点。PROFIBUS现场总线是开放的、功能完善的国际现场总线标准之一。PROFIBUS协议芯片实现简单、价格低廉、易于推广，并得到世界上大多数有影响力的自控设备供应商的支持。这些特点使它在短短几年内在化工、冶金、机械加工、电力和其它自动控制领域得到迅速推广和应用。因而PROFIBUS是一种很有前途的现场总线。 参考文献 ［1］阳宪惠.现场总线技术及其应用［M］.北京：清华大学出版社, 1999. ［2］王常力.现场总线与DCS：讨论与实践［J］.自动化博览，1999,(5).(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/17/2005)