PROFIBUS现场总线

PROFIBUS现场总线摘要：现场总线技术是20世纪90年代兴起的一种集控制技术、仪表技术和计算机网络技术为一体的先进的工业控制技术。这其中PROFIBUS现场总线是目前较为流行的五种现场总线中较为有仪表性的一种。与其它现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和楼宇自动化等。PROFIBUS的开放性和不依赖于厂商的通信设想，已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场份额超过40%。一、现场总线1.1现场总线的产生背景随着控制、计算机、通讯、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次、覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的深刻变革，现场总线就是在这种形式下发展起来的新技术。20世纪50年代至今，工业过程控制仪表一只采用4-20mA的标准信号。20世纪60年代，测控系统一般采用直接数字式控制系统。20世纪70年代，数字式计算机被映入到测控系统中，此时的计算机提供的是集中式控制处理。20世纪80年代，微处理器被嵌入到各种仪器设备中，而形成了分布式控制系统(DCS)，这种分布式控制系统经历了若干发展阶段，从集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)到智能控制、维护、管理集成系统(ICMMS)，控制单元日益智能化，控制的方式日益走向多智能控制单元的协同工作模式。由于各种现场总线技术的相继出现，人们对传统的模拟仪表和控制系统要求变革的呼声越来越高，现场总线为引入智能现场仪表提供了一个开放平台。基于现场总线的分布式控制系统(FieldbusControlSystem,FCS)是在传统的分布式控制系统(DistributedControlSystem,DCS)的基础之上发展起来的，顺应了自动控制系统发展的潮流。1.2现场总线的现状由于各个国家各公司的利益之争，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会(IEC/ISA)就开始着手制定现场总线的标准，但至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。目前现场总线市场的特点：(l)各种现场总线都有其应用的领域；(2)每种现场总线都有国际组织支持的背景；(3)多种总线成为国家和地区标准；(4)设备制造商参与多个现场总线组织；(5)各个现场总线彼此协调共存。而国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。已开发出的现场总线有40多种，较著名的有基金会现场总线(FF)、Profibus、HART、CAN、Lonworks、Modbus、Interbus等。近年来，现场总线技术一直是国内工业自动化领域的热点，一些业内的企业和科研单位已经由最初对现场总线技术研究、公关、示范，转变为具体应用和产品开发。1.3现场总线的发展趋势由于采用了不同的网络技术，现场总线技术难以实现统一，它与IEC(国际电工委员会)于1984年开始制订现场总线时的初衷是相违背的。因此，现场总线今后的发展将呈以下趋势。(l)多种总线并存现场总线国际标准IEC61158中采用的8种类型，以及其他一些现场总线，如Lonworks等，将在今后一段时间内共同发展，并相互竞争相互取长补短。此外；国际跨国公司除了从事他们所支持的现场总线技术的研究与开发，还兼顾其他总线的应用。(2)每种现场总线将形成其特定的应用领域目前全球用于连接分散的I/O产品和控制器的总线和网络产品多种多样，但未来将有越来越多的市场份额集中在越来越少的总线和网络产品上，随之会产生新的市场领导者。随着时间的推移，占有市场80％左右的总线将只有六七种，而且其应用领域比较明确。(3)以太网的引入成为新的热点以太网在没有任何标准化组织的支持，但它是目前通讯技术事实上的标准，正在工业自动化和过程控制市场上迅速增长。TCP(传输控制协议)已成为以太网事实上的网络层、传送层的通信规约；以太网已变为网络拓扑的唯一选择。Ethernet技术渗透到工业控制中，出现了现场总线型网络技术与以太网/因特网开放型网络技术的自然结合，以太网不仅可以成为工业高层网络上的信息系统，也可以上下贯通直接与现场设备相连。有专家预言，Ethernet是高性能现场总线极好的选择。二、PROFIBUS现场总线的技术概况2.1PROFIBUS现场总线基本原理PROFIBUS由3部分组成：PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification,现场总线报文规范）、PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery，分散型外围设备）、PROFIBUS-PA（ProcessAutomation，过程自动化）。PROFIBUS-FMS：PROFIBUS-FMS的设计旨在解决车间监控级通信任务，提供大量的通信服务。可编程序控制器（如PLC，PC机等）之间需要比现场层更大量的数据传送，用以完成中等传输速度进行的循环与非循环的通信服务，但通信的实时性要求低于现场层。其应用层提供了供用户使用的通信服务，它包括现场总线信息规范FMS及低层接口LLI两部分。PROFIBUS-FMS利用通信关系将分散的应用过程统一到一个共用的过程中。在应用过程中，可用来通信的那部分现场设备称虚拟设备VFD（VirtualfieldDevice）。在实际现场设备与VFD之间设立一个通信关系表，通信关系表是VFD通信变量的集合，如零件数、故障率、停机时间等。VFD通过通信关系表完成对实际现场设备的通信。PROFIBUS-DP：PROFIBUS-DP用于现场层的用于现场层的高速数据传送。在这一级，中央处理器通过高速串行线同分散的现场设备（I/O，驱动器、阀门等）进行通讯。一般情况下，DP构成单主站系统，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须比主站程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信，以进行组态、诊断和报警处理。PROFIBUS-PA：PROFIBUS-PA适用于PROFIBUS过程自动化。PA将自动化系统和过程控制系统与压力、温度和液位变送器等现场设备连接起来，并可用来代替4-20mA的模拟技术。PROFIBUS-PA行规保证了不同厂商所生产的现场设备的互换性和互操作性，它是PROFIBUS-PA的一个组成部分。它的任务是为各种类型现场设备选用真正需要的通信功能，并提供这些设备功能和设备行为的必要规格。目前，PA行规已对所有通用的变送器和一些设备类型作了具体规定。2.2Profibus的传输技术PROFIBUS提供了3种数据传输类型：用于DP和FMS的RS-485传输、用于PA的IEC1158-2传输、用光纤传输。(1)RS-485传输技术RS-485传输是Profibus最常用的一种传输技术，通常称之为H2。RS-485传输技术用于Profibus-DP与Profibus-FMS。RS-485传输技术基本特征是：网络拓扑为线性总线，两端有有源的总线终端电阻；传输速率为9.6kbps～12Mbps；介质为屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件；不带中继时每分段可连接32个站，带中继时可多到127个站。RS-485传输设备安装要点：全部设备均与总线连接；每个分段上最多可接32个站（主站或从站）；每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差；两个总线终端电阻必须一直有电源；当分段站超过32个时，必须使用中继器用以连接各总线段，串联的中继器一般不超过4个；备均需选用同一传输速率。电缆最大长度取决于传输速率。采用RS-485传输技术的传输速率可选9.6kbps～12Mbps，一旦设备投入运行，全部设Profibus网络最好使用9针D型插头。当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境下运行应使用带屏蔽的电缆，屏蔽可提高电磁兼容性（EMC）。如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线来复盖，以保持良好的传导性。(2)IEC1157-2传输技术IEC1l57-2的传输技术用于Profibus-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本质安全性，并通过总线对现场设备供电。IEC1157-2是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1。(3)光纤传输技术Profibus系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输的距离。可使用两种光纤导体：一种是价格低廉的塑料纤维导体，供距离小于50m情况下使用；另一种是玻璃纤维导体，供距离小于1km情况下使用。许多厂商提供专用总线插头可将RS-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成RS-485信号。2.3协议结构PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（OpenInterconnection-SIO）作为参考模型。PROFIBUS-DP使用了七层协议的第一、二层及用户接口，没有定义第三到第七层，这种结构保证了快速而有效的数据传输。直接数据链路映象DDLM为用户接口提供第二层功能映象，用户接口规定了用户、系统及不同设备可以调用的功能，并对不同的PROFIBUS-DP设备的设备行为给予说明。PROFIBUS-FMS定义了第一、二、七层。应用层包括了现场信息规范FMS和底层接口LLI。FMS包含了应用层的协议，并向用户提供了丰富的服务功能；LLI为FMS提供了与设备无关的第二层的访问能力。第二层实现总线访问控制并保持被传输数据的可靠性。PROFIBUS-FMS与PROFIBUS-DP与使用了相同的传输技术和统一的总线访问协议，可在同一条线缆上进行操作。PROFIBUS-PA采用PROFIBUS-DP的基本功能来传送测量值和状态，并通过扩展PROFIBUS-DP的功能来制定现场设备的参数并进行设备操作。PA设备可以通过耦合器连入DP网络。PROFIBUS-PA第一层采用IEC1158-2技术，第二层与第一层之间的接口在DIN19245系列标准的第4部分作出规定。另外，PROFIBUS在第二层（数据链路层）使用混合介质存取技术，即PROFIBUS介质存取协议包括主站之间的令牌环方式和主站、从站之间的主从方式。PROFIBUS协议是开放的，理论上只需具备串行通信能力的微处理器便可以实现。三、PROFIBUS现场总线技术的具体应用3.1Profibus现场总线的应用领域(1)对应不同的系统层次，现场总线有着不同的应用范围。例举了几种主要现场总线的应用范围。纵坐标由下往上表示设备由简单到复杂，即由简单传感器、复杂传感器、小型PLC或工业控制机到工作站、中型PLC再到大型PLC、DCS监控机等，数据通信量由小到大，设备功能也由简单到复杂。横坐标表示通信数据传输的方式，从左到右，依次为二进制的位传输、8位及8位以上的字传输、128位及以上的帧传输以及更大数据量传输的文件传输。(2)ASI、Sensorloop、Seriplex等总线适用于由各种开关量传感器和操作器组织的底层控制系统，而Devicenet、Profibus-DP和WorldFIP适用于字传输额的各种设备，至于Profibus-PA、FieldbusFoundation等更多地适用于帧传输的仪表自动化设备。所以对我们适用的总线在Sensor和Equipment的区域内。在发达国家，现场总线技术从20世纪80年代开始出现并逐步推广到现在，已经被工业控制领域广泛应用。据说，2002年欧洲有40％的自动化工程项目采用了现场总线控制系统，预计到2005年将达65～70％。在国内,现场总线首先用在外国公司在华投资的生产线，比如几乎所有外资汽车生产企业都有使用现场总线的生产线。啤酒罐装、烟草加工、机械装配、产品包装等生产线也大量使用现场总线。一些市政工程也开始使用现