現場總線技術及Profibus的概念以及相關的基礎知識

圖3：基于現場總線的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統

　　1.2.4基于現場總線的自動化監控及信息集成系統主要優點
（1）增強了現場級信息集成能力
現場總線可從現場設備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統的信息集成要求。現場總線是數字化通信網絡，它不單純取代4-20mA信號，還可實現設備狀態、故障、參數信息傳送。系統除完成遠程控制，還可完成遠程參數化工作。
（2）開放式、互操作性、互換性、可集成性
不同廠家產品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。系統為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去，因此，市場上將有許多面向行業特點的監控系統。
（3）系統可靠性高、可維護性好
基于現場總線的自動化監控系統采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，對于大規模I/O系統來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統具有現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場設備的遠程參數設定、修改等參數化工作，也增強了系統的可維護性。
（4）降低了系統及工程成本
對大范圍、大規模I/O的分布式系統來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設工程費用，降低了系統及工程成本。
　　1.3現場總線標準
　　現場總線技術得以實現的一個關鍵問題，是要在自動化行業中形成一個制造商們共同遵守的現場總線通信協議技術標準，制造商們能按照標準生產品，系統集成商門能按照標準將不同產品組成系統。這就提出了現場總線標準的問題。國際上著名自動化產品及現場設備生產廠家，意識到現場總線技術是未來發展方向，紛紛結成企業聯盟，推出自己的總線標準及產品，在市場上培養用戶、擴大影響，并積極支持國際標準組織制定現場總線國際標準。能否使自己總線技術標準在未來國際標準中占有較大比例成份，關系到該公司相關產品前途、用戶的信任及企業的名譽。而歷史經驗證明：國際標準都是采用一個或幾個市場上最成功的技術為基礎。因此，各大國際公司在制定現場總線國際標準中的竟爭，體現了各公司在技術領先地位上的競爭，而其最終還是要歸結到市場實力的競爭。
據說目前國際上現有各種總線及總線標準不下二百多種。具有一定影響和已占有一定市場份額的總線有如下幾種：
　　1.3.1Profibus現場總線
　　1996年3月15日批準為歐洲標準，即DIN50170V.2。Profibus產品在世界市場上已被普遍接受，市場份額占歐洲首位，年增長率25%。目前支持PROFIBUS標準的產品超過1500多種，分別來自國際上250多個生產廠家。在世界范圍內已安裝運行的PROFIBUS設備已超過200萬臺，到1998年5月，適用于過程自動化的PROFIBUS-PA儀表設備在19個國家的40個用戶廠家投入現場運行。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個地區性的用戶組織，企業會員近650家。1997年7月組建了中國現場總線（PROFIBUS）專業委員會，并籌建現場總線PROFIBUS產品演示及認證的實驗室。
Profibus主要應用領域有：
。制造業自動化：汽車制造（機器人、裝配線、沖壓線等）、造紙、紡織。
。過程控制自動化：石化、制藥、水泥、食品、啤酒。
。電力：發電、輸配電。
。樓宇：空調、風機、照明。
。鐵路交通：信號系統
　　1.3.2FF現場總線
　　1994年由ISP基金會和WorldFIP(北美)兩大集團合并成立FF基金會，其宗旨在于開發出符合IEC和ISO標準的、唯一的國際現場總線（FundationFieldbus）。低速總線（H1）協議已于1996年發表。已完成開發的高速總線（H2）擬于1998年內表。1997年5月建立了中國現場總線（FF）專業委員會，并籌建FF現場總線產品認證中心。目前，FF現場總線的應用領域以過程自動化為主。如：化工、電力廠實驗系統、廢水處理、油田等行業。
　　1.3.3LONWORKS總線
　　LONWORKS現場總線全稱為LONWORKSNetWorks,即分布式智能控制網絡技術，希望推出能夠適合各種現場總線應用場合的測控網絡。目前LONGWORKS應用范圍廣泛，主要包括工業控制、樓宇自動化、數據采集、SCADA系統等。國內主要應用于樓宇自動化方面。
　　1.3.4CANBUS現場總線
　　CANBUS現場總線已由ISO/TC22技術委員會批準為國際標準IOS11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO11519（通訊速率小于125Kbps）。CANBUS主要產品應用于汽車制造、公共交通車輛、機器人、液壓系統、分散型I/O。另外在電梯、醫療器械、工具機床、樓宇自動化等場合均有所應用。
　　1.3.5WorldFIP現場總線
　　90~91年FIP現場總線成為法國國家安全標準。96年成為歐洲標準（EN50170V.3）。下一步目標是靠近IEC標準，現在技術上已做好充分準備。WorldFIP國際組織在北京設有辦事處，即WorldFIP中國信息中心，負責中國的技術支持。WorldFIP現場總線采用單一總線結構來適應不同應用領域的需求，不同應用領域采用不同的總線速率。過程控制采用31.25Kbit/s,制造業為1Mbit/s,驅動控制為1-2.5Mbit/s。采用總線仲裁器和優先級來管理總線上（包括各支線）的各控制站的通信。可進行1對1、1對多點（組）、1對全體等多重通信方式。在應用系統中，可采用雙總線結構，其中一條總線為備用線，增加了系統運行的安全性。
WorldFIP現場總線適用范圍廣泛，在過程自動化、制造業自動化、電力及樓宇自動化方面都有很好的應用。
　　1.3.6P-NET現場總線
　　P-NET現場總線籌建于己于1983年。1984年推出采用多重主站現場總線的第一批產品。1986年通信協議中加入了多重網絡結構和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口產品。1987年P-NET標準成為開放式的完整標準，成為丹麥的國家標準。1996年成為歐洲總線標準的一部分（EN50170V.1）。1997年組建國際P-NET用戶組織，現有企業會員近百家，總部設在丹麥的Siekeborg，并在德國、英國、葡萄牙和加拿大等地設有地區性組織分部。P-NET現場總線在歐洲及北美地區得到廣泛應用，其中包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環保工程和制造業等應用領域。
　　1.4如何面對眾多的現場總線標準
　　面對國際上各種流派的現場總線及標準，為深入研究國外先進的現場總線技術，推動我國現場總線技術和產品的研究開發，形成符合我國國情的和現實的標準體系，保護我國生產企業和用戶的投資效益，我國儀表標準化行業的主管單位-儀器儀表綜合技術經濟研究所遵循標準化工作程序，于己于1998年7月22日至多3日在北京中國科技會堂舉辦了“現場總線的標準化與中國自動化技術發展”研討會。會議邀請了Profibus、FF、WorldFIP、P-NET國際組織專家代表，介紹了國際流行現場總線技術及標準化情況。研討會上中外專家就現場總線國際標準化的發展展開了熱列討論，并提出以下見解與意見：
(1)期望IEC能盡早按預期目標完成統一標準的制定。
(2)按目前進度估計，近年內IEC很難完成預期目標。
(3)目前IEC提出的建議方案只限于過程自動化，難于滿足其它應用領域要求，不可能成為唯一標準，很可能形成多種標準體系共存。
(4)在統一標準框架下做多種通信協議接口，可能是統一標準的一種適宜的解決方案。
對我國發展現場總線技術政策，專家和代表們認為，結合我國國情，一方面應積極跟蹤IEC國際標準化的發展，開展我國的技術研究和產品開發。另一方面在統一的IEC標準未形成之前，積極開展對其它先進的現場總線技術研究，特別是對已有成熟應用經驗、應用領域覆蓋面大的現場總線技術的跟蹤研究。
　　1.5對面臨選擇的用戶談個人看法并提出建議
　　從用戶角度出發，如何面對眾多現場總線標準作出選擇，筆者在此發表個人看法，并提出一點建議以供用戶參考。
（1）標準？從標準發展的歷史看，誰的技術將成為國際標準，或在國際標準中占有較大成份，主要取決于它在實際應用中取得多大的成果，取決于該項技術及產品在國際市場上的占有份額。也就是說，誰能占有市場誰將得天下。另一方面，國際標準化組織根據科學技術飛速發展現狀及廠商用戶對標準制定的要求，對標準的制定及批準手續作出相應的改變，即簡化了標準的制定程序和手續，并承認存在所謂事實上的標準，即那些在市場中已占有較大份額、具有很大的用戶成功應用經驗的技術標準，如我們熟知的TCP/IP通信協議標準。
（2）選擇總線？在目前國際上現場總線群雄并起局面下，用戶應從實際應用工程特點出發去選擇。因為沒有一種可包羅萬象、適合所有應用領域的現場總線技術。應著重考察這種總線在本行業中的應用業績。如制造業自動化、電力自動化及過程控制自動化三個領域，在數據實時響應要求方面就大不一樣。
（3）選擇產品？用戶應盡量選擇國際知名度大、擁有用戶多、產品應用基礎好的公司產品，因為這些公司的現場總線技術被國際標準采納的可能性大。即使沒有被國際標準采納，大公司為考慮信譽，會提出原有技術與國際標準的接口，而不會置公司信譽于不顧，丟掉老客戶不管。
（4）積極跟蹤、勇于進取！如果因為國際IEC還沒有統一現場總線標準，就不敢使用這項先進技術是大可不必的。這將會使企業喪失一次盡早提高企業自動化水平的機會，或喪失一次提高本企業產品水平的機會，從而導致企業在未來同行競爭中處于劣勢。國際IEC要統一現場總線標準不是一朝一夕的事，坐等時機流逝為下策，只有積極跟蹤、勇敢進取方為企業發展上策。

圖2-1：Profibus協議結構

(1)Profibus-DP：定義了第一、二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說明了各種不同PROFIBUS-DP設備的設備行為。
(2)Profibus-FMS：定義了第一、二、七層，應用層包括現場總線信息規范（FieldbusMessageSpecification-FMS）和低層接口（LowerLayerInterface—LLI）。FMS包括了應用協議并向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務。LLI協調不同的通信關系并提供不依賴設備的第二層訪問接口。
(3)Profibus-PA：PA的數據傳輸采用擴展的PROFIBUS-DP協議。另外，PA還描述了現場設備行為的PA行規。根據IEC1158-2標準，PA的傳輸技術可確保其本征安全性，而且可通過總線給現場設備供電。使用連接器可在DP上擴展PA網絡。
2.2.2Profibus傳輸技術
Profibus提供了三種數據傳輸類型：
·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
由于DP與FMS系統使用了同樣的傳輸技術和統一的總線訪問協議，因而，這兩套系統可在同一根電纜上同時操作。
RS-485傳輸是Profibus最常用的一種傳輸技術。這種技術通常稱之為H2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。
RS-485傳輸技術基本特征：
·網絡拓撲：線性總線，兩端有有源的總線終端電阻。
·傳輸速率：9.6Kbit/s~12Mbit/s
·介質：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環境條件（EMC）。
·站點數：每分段32個站（不帶中繼），可多到127個站（帶中繼）。
·插頭連接：最好使用9針D型插頭。
2.2.2.2RS-485傳輸設備安裝要點
(1)全部設備均與總線連接。
(2)每個分段上最多可接32個站（主站或從站）。
(3)每段的頭和尾各有一個總線終端電阻，確保操作運行不發生誤差。兩個總線終端電阻必須永遠有電源。見圖2-2所示。
(4)當分段站超過32個時，必須使用中繼器用以連接各總線段。串聯的中繼器一般不超過3個。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:每個分段上最多可接32個站（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：
阻抗：135-165W電容：〈30pf/m回路電阻：110W
線規：0.64mm導線面積：>0.34mmW
(7)RS-485的傳輸技術的Profibus網絡最好使用9針D型插頭，插頭針腳定義和接線見圖2-2所示。
(8)當連接各站時，應確保數據線不要擰絞，系統在高電磁發射環境（如汽車制造業）下運行應使用帶屛蔽的電纜，屏蔽可提高電磁兼容性（EMC）。
(9)如用屏蔽編織線和屏蔽箔，應在兩端與保護接地連接，并通過盡可能的大面積屏蔽接線來復蓋，以保持良好的傳導性。另外建議數據線必須與高壓線隔離。
(10)超過500Kbit/s的數據傳輸速率時應避免使用短截線段，應使用市場上現有的插頭可使數據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候接通或斷開而并不中斷其它站的數據通信。