Profibus現(xiàn)場總線及應(yīng)用實例

1. Profibus的概述

　　Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)已被列為IEC61158國際標準，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線技 術(shù)，由Profibus-FMS、Profibus-P A和Profibus-DP等3部分組成。其中Profibus-DP是一種高速(數(shù)據(jù)傳輸速率9. 6kb/s~ 12Mb/s)、經(jīng)濟的設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，主要用于現(xiàn)場控制器與分散110之間的通信，可滿足交直流調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的時間要求; Profibus-PA用于過程控制，用IECII58-2標準，傳輸速率為31. 25kb/s，提供本質(zhì)安全特性，適用于安全性要求較高以及由總線供電的場合; Profibus- FM S主要解決車間級通信問題，完成中等傳輸速率的循環(huán)或非循環(huán)數(shù)據(jù)交換任務(wù)。DP、PA以及FMS的完美結(jié)合使得Profibus現(xiàn)場總線在結(jié)構(gòu)和性能上優(yōu)越于其他現(xiàn)場總線。

2. Profibus-DP參考模型

　　Profibus協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)lS07498國際標準，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為參考模型的。

　　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，并詳細說明了各種不同Profibus- DP設(shè)備的設(shè)備行為。

　　Profibus-DP物理層與ISO/OSI參考模型的第一層相同，采用EIA-RS485協(xié)議，根據(jù)數(shù)據(jù)傳 輸速率的不同，可選用雙絞線和光纖兩種傳輸媒體。

　　Profibus-DP數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議媒體訪問控制(MAL)部分采用受控訪問的令牌總線(Token B山)和主從方式。其中令牌總線與局域網(wǎng)lEE四024協(xié)議一致，令牌在總線上的各主站間傳 遞，持有令牌的主站獲得總線控制權(quán)，該主站依照關(guān)系表與從站或與其他主站進行通信。主從方式的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議與局域網(wǎng)標準不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應(yīng)模式(NRM)。該模式的工作特點是:總線上一個主站控制著多個從站，主站與每一個從站建立-條邏輯鏈路;主站發(fā)出命令，從站給出響應(yīng);從站可以連續(xù)發(fā)送多個幀，直到無信息發(fā)送、達到發(fā)送數(shù)量或被主站停止為止。數(shù)據(jù)鏈路中幀的傳輸過程分為3個階段:數(shù)據(jù)鏈路建立、幀傳輸和鏈路釋放。

　　Profibus-FMS定義了第一、二、七層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場總線信息規(guī)范和低層接口。Profi bus-FMS包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務(wù)。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- P A的數(shù)據(jù)傳輸采用擴展的Profibus-DP協(xié)議。另外， Profibus-PA還描述了現(xiàn)場設(shè) 備行為的PA行規(guī)。根據(jù)IEC1158-2標準， Profibus-PA的傳輸技術(shù)可確保其安全性，而且可通過總線給現(xiàn)場設(shè)備供電。使用連接器可在Profibus-DP上擴展PA網(wǎng)絡(luò)。

3. Profibus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　一個典型的工廠自動化系統(tǒng)應(yīng)該是三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?；诂F(xiàn)場總線Profibus-DPIPA控制系統(tǒng)位于工廠自動化系統(tǒng)中的底層，即現(xiàn)場級與車間級。現(xiàn)場總線Profibus是面向現(xiàn)場級與車間級的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)。

　　現(xiàn)場設(shè)備層:主要功能是連接現(xiàn)場設(shè)備，如分散式I/O、傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)、開關(guān)設(shè)備等，完成現(xiàn)場設(shè)備控制及設(shè)備間連鎖控制。主站(PLC、PC機或其他控制器)負責(zé)總線通信管理及所有從站的通信?？偩€上所有設(shè)備生產(chǎn)工藝控制程序存儲在主站中，并由主站執(zhí)行。

　　車間監(jiān)控層:車間級監(jiān)控用來完成車間主生產(chǎn)設(shè)備之間的連接，如一個車間3條生產(chǎn)線主控制器之間的連接，完成車間級設(shè)備監(jiān)控。車間級監(jiān)控包括生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)控、設(shè)備故障報警及維護等。通常，還具有諸如生產(chǎn)統(tǒng)計、生產(chǎn)調(diào)度等車間級生產(chǎn)管理功能。車間級監(jiān)控通常要設(shè)立車間監(jiān)控室，有操作員工作站及打印設(shè)備。車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可采用Profibus-FMS，它是一個多主網(wǎng)，這一級數(shù)據(jù)傳輸速率不是最重要的，而是要能夠傳送大容量信息。

　　工廠管理層:車間操作員工作站可通過集線器與車間辦公管理網(wǎng)連接，將車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)送到車間管理層。車間管理網(wǎng)作為工廠主網(wǎng)的一個子網(wǎng)。子網(wǎng)同過交換機、網(wǎng)橋或路由等連接到廠區(qū)骨干網(wǎng)，將車間數(shù)據(jù)集成到工廠管理層。

4. Profibus在水電站廊道排水系統(tǒng)的應(yīng)用

　　用基于Profibus現(xiàn)場總線的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用單主站/多從站方式，包括現(xiàn)場單元、集控單元和現(xiàn)場總線通信3個部分?，F(xiàn)場控制單元完成現(xiàn)場信息的采集，獨立控制各個集水井的排水操作。集控站對分散的排水系統(tǒng)進行管理，并能遠程控制排水泵的啟停。高速的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)完成分散于現(xiàn)場的現(xiàn)場單元與位于中控室的集控站之間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)具有易擴展性和較高的可靠性。

　　現(xiàn)場控制單元選用3臺Siemens S7-315-2DP PLC以控制執(zhí)行機構(gòu)的啟停、開關(guān)等，充分發(fā)揮PLC的邏輯輸入/輸出功能; 2臺工業(yè)控制計算機，內(nèi)插數(shù)據(jù)采集和模擬輸出模塊，用以采集仿真對象的環(huán)境場特征值，給變頻器提供模擬信號等，以發(fā)揮數(shù)字計算機模擬信號處理的能力，配置為Pentium III 850MHz、128MBRAM、40GB硬盤以及帶32MBRAM的顯示適配器。在2臺服務(wù)器以及2臺工業(yè)控制計算機內(nèi)分別配有一塊用以連接ProfibusS7網(wǎng)絡(luò)的適配卡CP5613，在PLC中同時配有一塊CP542-5卡， CP5613是一塊具有Profibus現(xiàn)場總線協(xié)議的通信 卡，用以組成一個真正意義上分布式控制系統(tǒng)， CP5613的通信協(xié)議采用的是Profibus，但其物理層采用是RS-485標準通信規(guī)范，即還是采用雙絞線陽45方式傳輸數(shù)據(jù)，傳輸介質(zhì)采用A類雙絞線。