PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的研究

3.PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA 是PROFIBUS 過(guò)程自動(dòng)化的解決方案，是PROFIBUS-DP 向現(xiàn)場(chǎng)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場(chǎng)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(chǎng)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(guò)總線給現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(shì)

1．總線存取協(xié)議——實(shí)時(shí)性

PROFIBUS 主站之間采用令牌傳遞方式，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(wèn)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50ms。

2．系統(tǒng)配置靈活

可根據(jù)應(yīng)用對(duì)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。

3．PROFIBUS-PA 本質(zhì)安全特性

PROFIBUS-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(chǎng)設(shè)備供電?？偩€的操作電源來(lái)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(chǎng)設(shè)備也不會(huì)影響總線上的其它節(jié)點(diǎn)。

4．PROFIBUS 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、

四．PROFIBUS 的應(yīng)用實(shí)例

以我所在的利港電廠生產(chǎn)過(guò)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)控，運(yùn)行人員在控制室內(nèi)可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，并且以此來(lái)對(duì)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（Program Logic 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(chǎng)信號(hào)處理層

通過(guò)PROFIBUS-DP 連接生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)的信號(hào)箱內(nèi)以便節(jié)省信號(hào)電纜、減少施工費(fèi)用?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)處理層完成與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的連接，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集與轉(zhuǎn)換、對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行限幅等。現(xiàn)場(chǎng)智能模塊具有看門狗定時(shí)、多級(jí)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(chǎng)控制站組成?？刂普居芍醒胩幚韱卧㈦娫聪到y(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線連接的現(xiàn)場(chǎng)處理單元組成。系統(tǒng)控制層主要完成各種信號(hào)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GE－Fanuc，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(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視控制。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(guò)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(kù)、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(lái)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(duì)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(kù)的管理和維護(hù)，操作員站的數(shù)據(jù)申請(qǐng)和傳送，系統(tǒng)級(jí)設(shè)備的管理，打印任務(wù)的管理和打印機(jī)切換，報(bào)警、日志等各種表格的管理。

4.企業(yè)管理層

系統(tǒng)操作層通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到企業(yè)管理層。企業(yè)管理層通過(guò)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(wèn)到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，但是他們沒(méi)有控制現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況，又保護(hù)了現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程自動(dòng)化、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(chǎng)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(chǎng)總線領(lǐng)域的不斷發(fā)展和完善；另一個(gè)是高速現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展。而目前現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(chǎng)總線，都能較好地實(shí)現(xiàn)速率要求較低的過(guò)程控制。與其它現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS 的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩(wěn)定的國(guó)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(guò)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(wàn)成功應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)。市場(chǎng)調(diào)查確認(rèn)，在歐洲市場(chǎng)中PROFIBUS 占開放性工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的市場(chǎng)份額超過(guò)40%。PROFIBUS有國(guó)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(shì)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(lái)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(jí)、車間監(jiān)控級(jí)信息集成領(lǐng)域中，工業(yè)以太網(wǎng)已有不少成功的案例，在設(shè)備層對(duì)實(shí)時(shí)性沒(méi)有嚴(yán)格要求場(chǎng)合也有許多應(yīng)用。由于現(xiàn)場(chǎng)總線目前種類繁多，標(biāo)準(zhǔn)不一，很多人都希望以太網(wǎng)技術(shù)能介入設(shè)備低層，廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，施耐德公司就是該想法的積極倡導(dǎo)者和實(shí)踐者，目前已有一批工業(yè)級(jí)產(chǎn)品問(wèn)世和實(shí)際應(yīng)用?？墒蔷湍壳岸裕蕴W(wǎng)還不能夠真正解決實(shí)時(shí)性和確定性問(wèn)題，大部分現(xiàn)場(chǎng)層仍然會(huì)首選現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。由于技術(shù)的局限和各個(gè)廠家的利益之爭(zhēng)，這樣一個(gè)多種工業(yè)總線技術(shù)并存，以太網(wǎng)技術(shù)不斷滲透的現(xiàn)狀還會(huì)維持一段時(shí)間。

在新世紀(jì)，PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)在自動(dòng)化領(lǐng)域中引發(fā)了一場(chǎng)變革，將同融合PLC、DCS 和現(xiàn)場(chǎng)總線以及工業(yè)以太網(wǎng)于一體的全集成自動(dòng)化系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一道，形成自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的主流。