PROFIBUS现场总线技术的研究

一．概述

    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 年多的时间完成。1991 年，PROFIBUS 成为德国国家标准DIN 19245,1996 年6 月成为欧洲标准EN 50170,1999 年加入IEC 61158协议。

    1985 年组建了PROFIBUS 国际支持中心；1989 年12 月建立了PROFIBUS 用户组织（PNO）。目前在世界各地相继组建了20 个地区性的用户组织，企业会员近650 家。1997 年7 月组建了中国现场总线（PROFIBUS）专业委员会，并筹建现场总线PROFIBUS 产品演示及认证的实验室。

    PROFIBUS 已成为国际化的开放现场总线标准，得到了众多生产厂家的支持，PROFIBUS 产品在世界市场上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率25%。目前支持PROFIBUS 标准的产品超过1500 多种，分别来自国际上250 多个生产厂家。在世界范围内已安装运行的PROFIBUS 设备已超过200 万台，到1998 年5月，适用于过程自动化的PROFIBUS-PA 仪表设备在19 个国家的40 个用户厂家投入现场运行。

    90 年代初，PROFIBUS 由西门子引入中国，开始被国内所接受。由于得到中德两国政府有关部门的支持及西门子的大力推广，PROFIBUS 在中国发展势头良好，目前，PROFIBUS 在我国已拥有众多用户。

    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。

    PROFIBUS 主要应用领域有：

    1. 制造业自动化：汽车制造（机器人、装配线、冲压线等）、造纸、纺织。

    2. 过程控制自动化：石化、制药、水泥、食品、啤酒。

    3. 电力：发电、输配电。

    4. 楼宇：空调、风机、照明。

    5. 铁路交通：信号系统

二．技术规范

    PROFIBUS 遵循ISO/OSI 模型，其通信模型由三层构成：第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层。PROFIBUS 由三部分组成，PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification, 现场总线报文规范) 、PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery,散型外围设备)、PROFIBUS-PA(ProcessAutomation,过程自动化)。

    1．PROFIBUS-FMS

    此部分是完成控制器与现场器件之间的通信及控制器之间的信息交换。它提供了大量的通信服务，如现场信息传送、数据库处理、参数设定、下载程序、从机控制和报警等，适用完成以中等传输速度进行较大数据交换的循环和非循环通信任务。由于它是完成控制器与智能现场设备之间的通信以及控制器间的信息交换，因此它主要考虑系统的功能，而不是系统的响应时间。FMS 提供了叫多种类的通信服务，应用灵活，可用于大范围和复杂的通信系统。

    PROFIBUS-FMS 定义了第一、二、七层， 应用层包括现场总线信息规范（ Fieldbus Message Specification-FMS ） 和低层接口（ Lower LayerInterface-LLI）。FMS 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI 协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。

    PROFIBUS-FMS 在使用RS-485 时，其通信速率为9.6Kbps-500 Kbps，距离1.6Km-4.8Km，最多可接122 个节点，使用FSK(频移链控)时，最多32 个节点，距离可达5Km，介质可为双绞线或光缆。

    2．PROFIBUS-DP

    PROFIBUS-DP 是一种优化的通信模块，旨意在解决设备一级的高速数据通信。在这一级，中央控制器(如PLC/PC)通过高速串行线同分散的现场设备(I/O 驱动器、阀门等)进行通信，传输速率可达12Mbit/s。一般情况下，DP 构成主站系统，主站和从站循环的方式进行数据传输;另外，DP 的扩展功能也能提供了非循环数据传输的能力。

    PROFIBUS-DP 定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP 设备的设备行为。

    PROFIBUS-DP:RS-485 双绞线或光缆通信速率为9.6kbps-12Mbps;最大距离12Mbps 时为100m，1.5Mbps 时为200m，可用中继器加大距离，最多站数126 个。[page]

    3.PROFIBUS-PA

    PROFIBUS-PA 是PROFIBUS 过程自动化的解决方案，是PROFIBUS-DP 向现场的延伸，用DP 可以将若干PA 连接在一个自动化系统中。它具有本质安全的特性，适用于本征安全要求较高场合和总线供电的站点。

    PROFIBUS-PA 的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP 协议。另外，PA 还描述了现场设备行为的PA 行规。根据IEC1158-2 标准，PA 的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP 上扩展PA 网络。PROFIBUS-PA 通信速率为31.25kbps，最大距离为≤1.9km，其每一段上可连接的仪表台数≤32 台，但决定于所接入总线仪表设备的耗电量和应用的最大总线电流，只要进入总线的电流不超过规定的最大电压值和电流值，就可以保证在危险区域中运行的本质安全。

三．PROFIBUS 在控制领域的技术优势

    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50ms。

    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．PROFIBUS-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。

    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500Kbit/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、

四．PROFIBUS 的应用实例

    以我所在的利港电厂生产过程为例，生产已经全部实现了自动控制和远程监控，运行人员在控制室内可对现场的设备进行状态监控，并且以此来对设备的运行状态进行远程控制。

    现在厂里所用的控制系统主要是两种：DCS（Distributed Control System）分散控制系统和PLC（Program Logic Control）可编程逻辑控制系统。由PROFIBUS 构成的开放控制系统层次结构如下图所示。

    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。

    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。我们厂主要使用的控制器有ABB 公司的N90 系统，Westing House 厂家生产的Ovation DCD 控制系统和GE－Fanuc，西门子，三菱等公司生产的PLC 控制系统，根据设备类型及控制要求的不同，采用不同的控制系统对现场设备进行远程监视控制。所有的控制器和电源及通信线路都采取双路冗余控制，可以随时切换。

    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。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.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 结构的工业以太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。现在公司内部的网络上任一台计算机都可访问到现场运行的主要设备的运行状态，但是他们没有控制现场设备的权限，既保证了所有职工可以随时查询现场设备的运行情况，又保护了现场设备不会被除运行操作人员以外的其他人误操作，实现了信息的公开化和生产安全化的完美结合。

五．PROFIBUS 现场总线的发展趋势

    现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，几乎涵盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。它的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠性、增强可维护性和提高数据采集的智能化的要求。现场总线技术的发展体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的不断发展和完善；另一个是高速现场总线技术的发展。而目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从实际应用状况看，大多数现场总线，都能较好地实现速率要求较低的过程控制。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 开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10 多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在欧洲市场中PROFIBUS 占开放性工业现场总线系统的市场份额超过40%。PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。

    工业以太网是作为办公室自动化领域衍生的工业网络协议，按习惯主要指IEEE 802.3 协议，如果进一步采用TCP/IP 协议族，则采用“以太网+TCP/IP”来表示，其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统，并在IT 业得到了巨大的成功。在工厂管理级、车间监控级信息集成领域中，工业以太网已有不少成功的案例，在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用。由于现场总线目前种类繁多，标准不一，很多人都希望以太网技术能介入设备低层，广泛取代现有现场总线技术，施耐德公司就是该想法的积极倡导者和实践者，目前已有一批工业级产品问世和实际应用。可是就目前而言，以太网还不能够真正解决实时性和确定性问题，大部分现场层仍然会首选现场总线技术。由于技术的局限和各个厂家的利益之争，这样一个多种工业总线技术并存，以太网技术不断渗透的现状还会维持一段时间。

    在新世纪，PROFIBUS 现场总线已经在自动化领域中引发了一场变革，将同融合PLC、DCS 和现场总线以及工业以太网于一体的全集成自动化系统、信息网络技术一道，形成自动化技术发展的主流。