PROFIBUS現場總線技術的研究

3.PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA 是PROFIBUS 過程自動化的解決方案，是PROFIBUS-DP 向現場的延伸，用DP 可以將若干PA 連接在一個自動化系統中。它具有本質安全的特性，適用于本征安全要求較高場合和總線供電的站點。

PROFIBUS-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。PROFIBUS-PA 通信速率為31.25kbps，最大距離為≤1.9km，其每一段上可連接的儀表臺數≤32 臺，但決定于所接入總線儀表設備的耗電量和應用的最大總線電流，只要進入總線的電流不超過規定的最大電壓值和電流值，就可以保證在危險區域中運行的本質安全。

三．PROFIBUS 在控制領域的技術優勢

1．總線存取協議——實時性

PROFIBUS 主站之間采用令牌傳遞方式，主站和從站之間采用主從方式。令牌傳遞程序保證每個主站在確定的時間片內得到總線訪問權限，主站得到令牌以后，根據主從關系表向從站發送和索取數據信息。這種介質存取方式確?？刂葡到y需要的實時性。例如，主頻200 MHz 的CPU，300 個I/O 點的掃描周期小于50ms。

2．系統配置靈活

可根據應用對象的控制要求，靈活選擇純主—從系統、純主—主系統或多主多從的混合系統。3 種系列的PROFIBUS 容易集成在一起，DP 和FMS 使用了同樣的傳輸技術和總線存取協議，因而這2 套系統可在一根雙絞線上同時操作；PA和DP 之間使用分段耦合器能方便地集成在一起。

3．PROFIBUS-PA 本質安全特性

PROFIBUS-PA 支持總線供電。在一條雙絞線上即可實現數據通信和向現場設備供電?？偩€的操作電源來自單一供電裝置，不再需要絕緣裝置和隔離裝置，即使在潛在的爆炸區維修、斷開、接通現場設備也不會影響總線上的其它節點。

4．PROFIBUS 協議硬件實現方便

理論上，PROFIBUS 協議可在任何帶有通用異步收發器UART 的微處理器上實現。但當傳輸速率高于500Kbit/s 時，最好采用專門的PROFIBUS 協議芯片實現，提供PROFIBUS 協議芯片的廠家有IAM、

四．PROFIBUS 的應用實例

以我所在的利港電廠生產過程為例，生產已經全部實現了自動控制和遠程監控，運行人員在控制室內可對現場的設備進行狀態監控，并且以此來對設備的運行狀態進行遠程控制。

現在廠里所用的控制系統主要是兩種：DCS（Distributed Control System）分散控制系統和PLC（Program Logic Control）可編程邏輯控制系統。由PROFIBUS 構成的開放控制系統層次結構如下圖所示。

1．現場信號處理層

通過PROFIBUS-DP 連接生產現場的變送器、執行器、閥門和各種I/O 處理模塊。各個I/O 處理模塊既可以與中央處理單元、電源等安裝在機柜內，也可以分散安裝在現場的信號箱內以便節省信號電纜、減少施工費用?，F場信號處理層完成與現場信號的連接，對輸入信號進行采集與轉換、對輸出信號進行限幅等?，F場智能模塊具有看門狗定時、多級隔離、自動診斷、輸出反饋以及系統故障時輸出切換到安全狀態等功能。

2．控制層

系統控制層由多臺現場控制站組成。控制站由中央處理單元、電源系統和現場總線連接的現場處理單元組成。系統控制層主要完成各種信號的綜合處理（物理轉換、報警檢查等）、回路的計算和處理、邏輯回路的處理、先進控制算法的執行等。我們廠主要使用的控制器有ABB 公司的N90 系統，Westing House 廠家生產的Ovation DCD 控制系統和GE－Fanuc，西門子，三菱等公司生產的PLC 控制系統，根據設備類型及控制要求的不同，采用不同的控制系統對現場設備進行遠程監視控制。所有的控制器和電源及通信線路都采取雙路冗余控制，可以隨時切換。

3．系統操作層

系統操作層通過100 Mbit/s 的冗余以太網連接工程師站，操作員站和冗余服務器。工程師站主要完成數據庫、圖形、控制算法、報表的組態和事故追憶、變量定義等參數配置組態及組態數據的下載，并完成在線運行監視和管理等功能。操作員站主要完成操作和監視功能，包括接受來自操作員的鍵盤、鼠標輸入，進行畫面顯示切換，修改系統的運行參數，實現對系統的人工干預，如在線參數修改、控制調節等。服務器是系統處理的中心，它完成數據的采集和管理，如數據庫的管理和維護，操作員站的數據申請和傳送，系統級設備的管理，打印任務的管理和打印機切換，報警、日志等各種表格的管理。

4.企業管理層

系統操作層通過網關連接到企業管理層。企業管理層通過大型Client/Server 結構的工業以太網絡系統與目前流行的ERP 企業資源計劃軟件可構成資源供應、計劃生產和產品銷售綜合管理系統?，F在公司內部的網絡上任一臺計算機都可訪問到現場運行的主要設備的運行狀態，但是他們沒有控制現場設備的權限，既保證了所有職工可以隨時查詢現場設備的運行情況，又保護了現場設備不會被除運行操作人員以外的其他人誤操作，實現了信息的公開化和生產安全化的完美結合。

五．PROFIBUS 現場總線的發展趨勢

現場總線技術是控制、計算機、通訊技術的交叉與集成，幾乎涵蓋了所有連續、離散工業領域，如過程自動化、制造加工自動化、樓半自動化、家庭自動化等等。它的出現和快速發展體現了控制領域對降低成本、提高可靠性、增強可維護性和提高數據采集的智能化的要求?，F場總線技術的發展體現為兩個方面：一個是低速現場總線領域的不斷發展和完善；另一個是高速現場總線技術的發展。而目前現場總線產品主要是低速總線產品，應用于運行速率較低的領域，對網絡的性能要求不是很高。從實際應用狀況看，大多數現場總線，都能較好地實現速率要求較低的過程控制。與其它現場總線系統相比，PROFIBUS 的最大優點在于具有穩定的國際標準EN50170 作保證，并經實際應用驗證具有普遍性。目前已應用的領域包括加工制造、過程控制和樓宇自動化等。PROFIBUS 開放性和不依賴于廠商的通信的設想，已在10 多萬成功應用中得以實現。市場調查確認，在歐洲市場中PROFIBUS 占開放性工業現場總線系統的市場份額超過40%。PROFIBUS有國際著名自動化技術裝備的生產廠商支持，它們都具有各自的技術優勢并能提供廣泛的優質新產品和技術服務。

工業以太網是作為辦公室自動化領域衍生的工業網絡協議，按習慣主要指IEEE 802.3 協議，如果進一步采用TCP/IP 協議族，則采用“以太網+TCP/IP”來表示，其技術特點主要適合信息管理、信息處理系統，并在IT 業得到了巨大的成功。在工廠管理級、車間監控級信息集成領域中，工業以太網已有不少成功的案例，在設備層對實時性沒有嚴格要求場合也有許多應用。由于現場總線目前種類繁多，標準不一，很多人都希望以太網技術能介入設備低層，廣泛取代現有現場總線技術，施耐德公司就是該想法的積極倡導者和實踐者，目前已有一批工業級產品問世和實際應用。可是就目前而言，以太網還不能夠真正解決實時性和確定性問題，大部分現場層仍然會首選現場總線技術。由于技術的局限和各個廠家的利益之爭，這樣一個多種工業總線技術并存，以太網技術不斷滲透的現狀還會維持一段時間。

在新世紀，PROFIBUS 現場總線已經在自動化領域中引發了一場變革，將同融合PLC、DCS 和現場總線以及工業以太網于一體的全集成自動化系統、信息網絡技術一道，形成自動化技術發展的主流。