現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及Profibus的概念以及相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)

圖3：基于現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)

　　1.2.4基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)
（1）增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息集成能力
現(xiàn)場(chǎng)總線可從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求?，F(xiàn)場(chǎng)總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號(hào)，還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠(yuǎn)程控制，還可完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。
（2）開放式、互操作性、互換性、可集成性
不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，就具有互操作性、互換性，因此設(shè)備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場(chǎng)上將有許多面向行業(yè)特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)。
（3）系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好
基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對(duì)一的I/O連線，對(duì)于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說，減少了由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。
（4）降低了系統(tǒng)及工程成本
對(duì)大范圍、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費(fèi)用，降低了系統(tǒng)及工程成本。
　　1.3現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)
　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵問題，是要在自動(dòng)化行業(yè)中形成一個(gè)制造商們共同遵守的現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制造商們能按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)品，系統(tǒng)集成商門能按照標(biāo)準(zhǔn)將不同產(chǎn)品組成系統(tǒng)。這就提出了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的問題。國際上著名自動(dòng)化產(chǎn)品及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生產(chǎn)廠家，意識(shí)到現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是未來發(fā)展方向，紛紛結(jié)成企業(yè)聯(lián)盟，推出自己的總線標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品，在市場(chǎng)上培養(yǎng)用戶、擴(kuò)大影響，并積極支持國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)準(zhǔn)。能否使自己總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在未來國際標(biāo)準(zhǔn)中占有較大比例成份，關(guān)系到該公司相關(guān)產(chǎn)品前途、用戶的信任及企業(yè)的名譽(yù)。而歷史經(jīng)驗(yàn)證明：國際標(biāo)準(zhǔn)都是采用一個(gè)或幾個(gè)市場(chǎng)上最成功的技術(shù)為基礎(chǔ)。因此，各大國際公司在制定現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)準(zhǔn)中的竟?fàn)帲w現(xiàn)了各公司在技術(shù)領(lǐng)先地位上的競(jìng)爭(zhēng)，而其最終還是要?dú)w結(jié)到市場(chǎng)實(shí)力的競(jìng)爭(zhēng)。
據(jù)說目前國際上現(xiàn)有各種總線及總線標(biāo)準(zhǔn)不下二百多種。具有一定影響和已占有一定市場(chǎng)份額的總線有如下幾種：
　　1.3.1Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線
　　1996年3月15日批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，即DIN50170V.2。Profibus產(chǎn)品在世界市場(chǎng)上已被普遍接受，市場(chǎng)份額占?xì)W洲首位，年增長率25%。目前支持PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自國際上250多個(gè)生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運(yùn)行的PROFIBUS設(shè)備已超過200萬臺(tái)，到1998年5月，適用于過程自動(dòng)化的PROFIBUS-PA儀表設(shè)備在19個(gè)國家的40個(gè)用戶廠家投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。1985年組建了PROFIBUS國際支持中心；1989年12月建立了PROFIBUS用戶組織（PNO）。目前在世界各地相繼組建了20個(gè)地區(qū)性的用戶組織，企業(yè)會(huì)員近650家。1997年7月組建了中國現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS）專業(yè)委員會(huì)，并籌建現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS產(chǎn)品演示及認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室。
Profibus主要應(yīng)用領(lǐng)域有：
。制造業(yè)自動(dòng)化：汽車制造（機(jī)器人、裝配線、沖壓線等）、造紙、紡織。
。過程控制自動(dòng)化：石化、制藥、水泥、食品、啤酒。
。電力：發(fā)電、輸配電。
。樓宇：空調(diào)、風(fēng)機(jī)、照明。
。鐵路交通：信號(hào)系統(tǒng)
　　1.3.2FF現(xiàn)場(chǎng)總線
　　1994年由ISP基金會(huì)和WorldFIP(北美)兩大集團(tuán)合并成立FF基金會(huì)，其宗旨在于開發(fā)出符合IEC和ISO標(biāo)準(zhǔn)的、唯一的國際現(xiàn)場(chǎng)總線（FundationFieldbus）。低速總線（H1）協(xié)議已于1996年發(fā)表。已完成開發(fā)的高速總線（H2）擬于1998年內(nèi)表。1997年5月建立了中國現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）專業(yè)委員會(huì)，并籌建FF現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品認(rèn)證中心。目前，F(xiàn)F現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用領(lǐng)域以過程自動(dòng)化為主。如：化工、電力廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。
　　1.3.3LONWORKS總線
　　LONWORKS現(xiàn)場(chǎng)總線全稱為LONWORKSNetWorks,即分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，希望推出能夠適合各種現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用場(chǎng)合的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。目前LONGWORKS應(yīng)用范圍廣泛，主要包括工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)等。國內(nèi)主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化方面。
　　1.3.4CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線
　　CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線已由ISO/TC22技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)IOS11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO11519（通訊速率小于125Kbps）。CANBUS主要產(chǎn)品應(yīng)用于汽車制造、公共交通車輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/O。另外在電梯、醫(yī)療器械、工具機(jī)床、樓宇自動(dòng)化等場(chǎng)合均有所應(yīng)用。
　　1.3.5WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線
　　90~91年FIP現(xiàn)場(chǎng)總線成為法國國家安全標(biāo)準(zhǔn)。96年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN50170V.3）。下一步目標(biāo)是靠近IEC標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在技術(shù)上已做好充分準(zhǔn)備。WorldFIP國際組織在北京設(shè)有辦事處，即WorldFIP中國信息中心，負(fù)責(zé)中國的技術(shù)支持。WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線采用單一總線結(jié)構(gòu)來適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，不同應(yīng)用領(lǐng)域采用不同的總線速率。過程控制采用31.25Kbit/s,制造業(yè)為1Mbit/s,驅(qū)動(dòng)控制為1-2.5Mbit/s。采用總線仲裁器和優(yōu)先級(jí)來管理總線上（包括各支線）的各控制站的通信?？蛇M(jìn)行1對(duì)1、1對(duì)多點(diǎn)（組）、1對(duì)全體等多重通信方式。在應(yīng)用系統(tǒng)中，可采用雙總線結(jié)構(gòu)，其中一條總線為備用線，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。
WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線適用范圍廣泛，在過程自動(dòng)化、制造業(yè)自動(dòng)化、電力及樓宇自動(dòng)化方面都有很好的應(yīng)用。
　　1.3.6P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線
　　P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線籌建于己于1983年。1984年推出采用多重主站現(xiàn)場(chǎng)總線的第一批產(chǎn)品。1986年通信協(xié)議中加入了多重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口產(chǎn)品。1987年P(guān)-NET標(biāo)準(zhǔn)成為開放式的完整標(biāo)準(zhǔn)，成為丹麥的國家標(biāo)準(zhǔn)。1996年成為歐洲總線標(biāo)準(zhǔn)的一部分（EN50170V.1）。1997年組建國際P-NET用戶組織，現(xiàn)有企業(yè)會(huì)員近百家，總部設(shè)在丹麥的Siekeborg，并在德國、英國、葡萄牙和加拿大等地設(shè)有地區(qū)性組織分部。P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線在歐洲及北美地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，其中包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環(huán)保工程和制造業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域。
　　1.4如何面對(duì)眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)
　　面對(duì)國際上各種流派的現(xiàn)場(chǎng)總線及標(biāo)準(zhǔn)，為深入研究國外先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，推動(dòng)我國現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和產(chǎn)品的研究開發(fā)，形成符合我國國情的和現(xiàn)實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)體系，保護(hù)我國生產(chǎn)企業(yè)和用戶的投資效益，我國儀表標(biāo)準(zhǔn)化行業(yè)的主管單位-儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所遵循標(biāo)準(zhǔn)化工作程序，于己于1998年7月22日至多3日在北京中國科技會(huì)堂舉辦了“現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)化與中國自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展”研討會(huì)。會(huì)議邀請(qǐng)了Profibus、FF、WorldFIP、P-NET國際組織專家代表，介紹了國際流行現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化情況。研討會(huì)上中外專家就現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展展開了熱列討論，并提出以下見解與意見：
(1)期望IEC能盡早按預(yù)期目標(biāo)完成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制定。
(2)按目前進(jìn)度估計(jì)，近年內(nèi)IEC很難完成預(yù)期目標(biāo)。
(3)目前IEC提出的建議方案只限于過程自動(dòng)化，難于滿足其它應(yīng)用領(lǐng)域要求，不可能成為唯一標(biāo)準(zhǔn)，很可能形成多種標(biāo)準(zhǔn)體系共存。
(4)在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)框架下做多種通信協(xié)議接口，可能是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的一種適宜的解決方案。
對(duì)我國發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)政策，專家和代表們認(rèn)為，結(jié)合我國國情，一方面應(yīng)積極跟蹤IEC國際標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展，開展我國的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)。另一方面在統(tǒng)一的IEC標(biāo)準(zhǔn)未形成之前，積極開展對(duì)其它先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)研究，特別是對(duì)已有成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋面大的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的跟蹤研究。
　　1.5對(duì)面臨選擇的用戶談個(gè)人看法并提出建議
　　從用戶角度出發(fā)，如何面對(duì)眾多現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)作出選擇，筆者在此發(fā)表個(gè)人看法，并提出一點(diǎn)建議以供用戶參考。
（1）標(biāo)準(zhǔn)？從標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的歷史看，誰的技術(shù)將成為國際標(biāo)準(zhǔn)，或在國際標(biāo)準(zhǔn)中占有較大成份，主要取決于它在實(shí)際應(yīng)用中取得多大的成果，取決于該項(xiàng)技術(shù)及產(chǎn)品在國際市場(chǎng)上的占有份額。也就是說，誰能占有市場(chǎng)誰將得天下。另一方面，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織根據(jù)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展現(xiàn)狀及廠商用戶對(duì)標(biāo)準(zhǔn)制定的要求，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的制定及批準(zhǔn)手續(xù)作出相應(yīng)的改變，即簡(jiǎn)化了標(biāo)準(zhǔn)的制定程序和手續(xù)，并承認(rèn)存在所謂事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，即那些在市場(chǎng)中已占有較大份額、具有很大的用戶成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如我們熟知的TCP/IP通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。
（2）選擇總線？在目前國際上現(xiàn)場(chǎng)總線群雄并起局面下，用戶應(yīng)從實(shí)際應(yīng)用工程特點(diǎn)出發(fā)去選擇。因?yàn)闆]有一種可包羅萬象、適合所有應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。應(yīng)著重考察這種總線在本行業(yè)中的應(yīng)用業(yè)績(jī)。如制造業(yè)自動(dòng)化、電力自動(dòng)化及過程控制自動(dòng)化三個(gè)領(lǐng)域，在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求方面就大不一樣。
（3）選擇產(chǎn)品？用戶應(yīng)盡量選擇國際知名度大、擁有用戶多、產(chǎn)品應(yīng)用基礎(chǔ)好的公司產(chǎn)品，因?yàn)檫@些公司的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)被國際標(biāo)準(zhǔn)采納的可能性大。即使沒有被國際標(biāo)準(zhǔn)采納，大公司為考慮信譽(yù)，會(huì)提出原有技術(shù)與國際標(biāo)準(zhǔn)的接口，而不會(huì)置公司信譽(yù)于不顧，丟掉老客戶不管。
（4）積極跟蹤、勇于進(jìn)取！如果因?yàn)閲HIEC還沒有統(tǒng)一現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，就不敢使用這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)是大可不必的。這將會(huì)使企業(yè)喪失一次盡早提高企業(yè)自動(dòng)化水平的機(jī)會(huì)，或喪失一次提高本企業(yè)產(chǎn)品水平的機(jī)會(huì)，從而導(dǎo)致企業(yè)在未來同行競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。國際IEC要統(tǒng)一現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)不是一朝一夕的事，坐等時(shí)機(jī)流逝為下策，只有積極跟蹤、勇敢進(jìn)取方為企業(yè)發(fā)展上策。

圖2-1：Profibus協(xié)議結(jié)構(gòu)

(1)Profibus-DP：定義了第一、二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為。
(2)Profibus-FMS：定義了第一、二、七層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范（FieldbusMessageSpecification-FMS）和低層接口（LowerLayerInterface—LLI）。FMS包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強(qiáng)有力的通信服務(wù)。LLI協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不依賴設(shè)備的第二層訪問接口。
(3)Profibus-PA：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)。
2.2.2Profibus傳輸技術(shù)
Profibus提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型：
·用于DP和FMS的RS485傳輸。
·用于PA的IEC1158-2傳輸。
·光纖
2.2.2.1用于DP/FMS的RS485傳輸技術(shù)
由于DP與FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因而，這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時(shí)操作。
RS-485傳輸是Profibus最常用的一種傳輸技術(shù)。這種技術(shù)通常稱之為H2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。
RS-485傳輸技術(shù)基本特征：
·網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌壕€性總線，兩端有有源的總線終端電阻。
·傳輸速率：9.6Kbit/s~12Mbit/s
·介質(zhì)：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（EMC）。
·站點(diǎn)數(shù)：每分段32個(gè)站（不帶中繼），可多到127個(gè)站（帶中繼）。
·插頭連接：最好使用9針D型插頭。
2.2.2.2RS-485傳輸設(shè)備安裝要點(diǎn)
(1)全部設(shè)備均與總線連接。
(2)每個(gè)分段上最多可接32個(gè)站（主站或從站）。
(3)每段的頭和尾各有一個(gè)總線終端電阻，確保操作運(yùn)行不發(fā)生誤差。兩個(gè)總線終端電阻必須永遠(yuǎn)有電源。見圖2-2所示。
(4)當(dāng)分段站超過32個(gè)時(shí)，必須使用中繼器用以連接各總線段。串聯(lián)的中繼器一般不超過3個(gè)。見圖2-3所示：

圖2-2：PROFIBUD-DP和Profibus-FMS的電纜接線和總線終端電阻

圖2-2:每個(gè)分段上最多可接32個(gè)站（主站或從站）

(5)電纜最大長度取決于傳輸速率。如使用A型電纜，則傳輸速率與長度如下表2-1：
表2-1

(6)A型電纜參數(shù)：
阻抗：135-165W電容：〈30pf/m回路電阻：110W
線規(guī)：0.64mm導(dǎo)線面積：>0.34mmW
(7)RS-485的傳輸技術(shù)的Profibus網(wǎng)絡(luò)最好使用9針D型插頭，插頭針腳定義和接線見圖2-2所示。
(8)當(dāng)連接各站時(shí)，應(yīng)確保數(shù)據(jù)線不要擰絞，系統(tǒng)在高電磁發(fā)射環(huán)境（如汽車制造業(yè)）下運(yùn)行應(yīng)使用帶屛蔽的電纜，屏蔽可提高電磁兼容性（EMC）。
(9)如用屏蔽編織線和屏蔽箔，應(yīng)在兩端與保護(hù)接地連接，并通過盡可能的大面積屏蔽接線來復(fù)蓋，以保持良好的傳導(dǎo)性。另外建議數(shù)據(jù)線必須與高壓線隔離。
(10)超過500Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)應(yīng)避免使用短截線段，應(yīng)使用市場(chǎng)上現(xiàn)有的插頭可使數(shù)據(jù)輸入和輸出電纜直接與插頭連接，而且總線插頭可在任何時(shí)候接通或斷開而并不中斷其它站的數(shù)據(jù)通信。