PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的研究

一．概述

隨著計(jì)算機(jī)、控制、通信和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)場(chǎng)總線在20 世紀(jì)80 年代中期逐漸發(fā)展起來。現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多節(jié)點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS 是過程現(xiàn)場(chǎng)總線（ProcessField Bus）的縮寫。德國(guó)科學(xué)技術(shù)部總結(jié)了20 世紀(jì)80 年代德國(guó)工業(yè)界自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，為了適應(yīng)分散控制系統(tǒng)的發(fā)展要求，對(duì)各公司自己定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議加以規(guī)范化、公開化，使得不同廠家生產(chǎn)的自動(dòng)控制設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)通信級(jí)互相兼容、遵守同一協(xié)議，以利于提高工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化水平，于1987 年列為德國(guó)國(guó)家項(xiàng)目，由13 家大公司（如SIEMENS、ABB、AEG 等）及5 家研究所經(jīng)過2 年多的時(shí)間完成。1991 年，PROFIBUS 成為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245,1996 年6 月成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170,1999 年加入IEC 61158協(xié)議。

1985 年組建了PROFIBUS 國(guó)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(guó)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 已成為國(guó)際化的開放現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，得到了眾多生產(chǎn)廠家的支持，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(zhǎng)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(guó)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(guó)家的40 個(gè)用戶廠家投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。

90 年代初，PROFIBUS 由西門子引入中國(guó)，開始被國(guó)內(nèi)所接受。由于得到中德兩國(guó)政府有關(guān)部門的支持及西門子的大力推廣，PROFIBUS 在中國(guó)發(fā)展勢(shì)頭良好，目前，PROFIBUS 在我國(guó)已擁有眾多用戶。

PROFIBUS 已成為應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線之一，廣泛應(yīng)用于加工制造、過程和樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。

PROFIBUS 主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

1. 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。

2. 過程控制自動(dòng)化：石化、制藥、水泥、食品、啤酒。

3. 電力：發(fā)電、輸配電。

4. 樓宇：空調(diào)、風(fēng)機(jī)、照明。

5. 鐵路交通：信號(hào)系統(tǒng)

二．技術(shù)規(guī)范

PROFIBUS 遵循ISO/OSI 模型，其通信模型由三層構(gòu)成：第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。PROFIBUS 由三部分組成，PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification, 現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范) 、PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery,散型外圍設(shè)備)、PROFIBUS-PA(ProcessAutomation,過程自動(dòng)化)。

1．PROFIBUS-FMS

此部分是完成控制器與現(xiàn)場(chǎng)器件之間的通信及控制器之間的信息交換。它提供了大量的通信服務(wù)，如現(xiàn)場(chǎng)信息傳送、數(shù)據(jù)庫(kù)處理、參數(shù)設(shè)定、下載程序、從機(jī)控制和報(bào)警等，適用完成以中等傳輸速度進(jìn)行較大數(shù)據(jù)交換的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)。由于它是完成控制器與智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信以及控制器間的信息交換，因此它主要考慮系統(tǒng)的功能，而不是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。FMS 提供了叫多種類的通信服務(wù)，應(yīng)用靈活，可用于大范圍和復(fù)雜的通信系統(tǒng)。

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（ Fieldbus Message Specification-FMS ） 和低層接口（ Lower LayerInterface-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。

PROFIBUS-FMS 在使用RS-485 時(shí)，其通信速率為9.6Kbps-500 Kbps，距離1.6Km-4.8Km，最多可接122 個(gè)節(jié)點(diǎn)，使用FSK(頻移鏈控)時(shí)，最多32 個(gè)節(jié)點(diǎn)，距離可達(dá)5Km，介質(zhì)可為雙絞線或光纜。

2．PROFIBUS-DP

PROFIBUS-DP 是一種優(yōu)化的通信模塊，旨意在解決設(shè)備一級(jí)的高速數(shù)據(jù)通信。在這一級(jí)，中央控制器(如PLC/PC)通過高速串行線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(I/O 驅(qū)動(dòng)器、閥門等)進(jìn)行通信，傳輸速率可達(dá)12Mbit/s。一般情況下，DP 構(gòu)成主站系統(tǒng)，主站和從站循環(huán)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;另外，DP 的擴(kuò)展功能也能提供了非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?/P>

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。

PROFIBUS-DP:RS-485 雙絞線或光纜通信速率為9.6kbps-12Mbps;最大距離12Mbps 時(shí)為100m，1.5Mbps 時(shí)為200m，可用中繼器加大距離，最多站數(shù)126 個(gè)。