profibus現(xiàn)場總線知識介紹
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第一章：現(xiàn)場總線技術(shù)及Profibus
1.1現(xiàn)場總線技術(shù)的由來
1.1.1CIMS體系結(jié)構(gòu)及工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層次劃分
根據(jù)工廠管理、生產(chǎn)過程及功能要求，CIMS體系結(jié)構(gòu)可分為5層，即工廠級、車間級、單元級、工作站級和現(xiàn)場級。簡化的CIMS則分為3層，即工廠級、車間級和現(xiàn)場級。在一個現(xiàn)代化工廠環(huán)境中，在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同樣分為這三個層次，與簡化的網(wǎng)絡(luò)層次相對應(yīng)。如圖1-1所示。
圖1-1：簡化的CIMS網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
1.1.2現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成是工廠自動化及CIMS不可缺少的重要部分。
現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設(shè)備單機(jī)控制、連機(jī)控制、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、統(tǒng)計(jì)等功能，保證現(xiàn)場設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠管理層，向工廠級MIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)。同時也可接受工廠管理層下達(dá)的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場級與車間級監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
1.1.3傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)
傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)（包括：基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng)），其主要特點(diǎn)之一是，現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點(diǎn)對設(shè)備的一個測控點(diǎn)）所謂I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關(guān)量信息）信號。如圖1-2所示：
圖1-2：傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)
1.1.4系統(tǒng)主要缺點(diǎn)
（1）信息集成能力不強(qiáng)：控制器與現(xiàn)場設(shè)備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號或24VDC等開關(guān)量信號，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設(shè)備參數(shù)、故障及故障紀(jì)錄等數(shù)據(jù)很難得到。底層數(shù)據(jù)不全、信息集成能力不強(qiáng)，不能完全滿足CIMS系統(tǒng)對底層數(shù)據(jù)的要求。
（2）系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強(qiáng)：除現(xiàn)場設(shè)備均靠標(biāo)準(zhǔn)4-20mA/24VDC連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能使用一家產(chǎn)品。不同廠家產(chǎn)品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統(tǒng)很少留出接口，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，面向行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)很少。
（3）可靠性不易保證：對于大范圍的分布式系統(tǒng)，大量的I/O電纜及敷設(shè)施工，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。
（4）可維護(hù)性不高：由于現(xiàn)場級設(shè)備信息不全，現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能不強(qiáng)。另一方面也很難完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護(hù)性。
1.1.5現(xiàn)場設(shè)備的串行通信接口是現(xiàn)場總線技術(shù)的原形
由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，許多傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置等現(xiàn)場設(shè)備智能化，即內(nèi)置CPU控制器，完成諸如線性化、量程轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波甚至回路調(diào)節(jié)等功能。因此，對于這些智能現(xiàn)場設(shè)備增加一個串行數(shù)據(jù)接口（如RS-232/485）是非常方便的。有了這樣的接口，控制器就可以按其規(guī)定協(xié)議，通過串行通信方式（而不是I/O方式）完成對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。如果設(shè)想全部或大部分現(xiàn)場設(shè)備都具有串行通信接口并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現(xiàn)場設(shè)備連接，完成對所有現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控，這就是現(xiàn)場總線技術(shù)的初始想法。
1.2.4現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生
基于以上初始想法，使用一根通信電纜，將所有具有統(tǒng)一的通信協(xié)議通信接口的現(xiàn)場設(shè)備連接，這樣，在設(shè)備層傳遞的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信號，而是基于現(xiàn)場總線的數(shù)字化通信，由數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)。
1.2現(xiàn)場總線技術(shù)概念
1.2.1現(xiàn)場總線技術(shù)
目前，公認(rèn)的現(xiàn)場總線技術(shù)概念描述如下：現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類。
或者，現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。
1.2.2現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生的意義
（1）現(xiàn)場總線（Fieldbus）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場級控制設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)；是一次工業(yè)現(xiàn)場級設(shè)備通信的數(shù)字化革命。現(xiàn)場總線技術(shù)可使用一條通信電纜將現(xiàn)場設(shè)備（智能化、帶有通信接口）連接，用數(shù)字化通信代替4-20mA/24VDC信號，完成現(xiàn)場設(shè)備控制、監(jiān)測、遠(yuǎn)程參數(shù)化等功能。
（2）傳統(tǒng)的現(xiàn)場級自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用一對一連線的、4-20mA/24VDC信號，信息量有限，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的“信息孤島”，嚴(yán)重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動化的實(shí)現(xiàn)。
（3）基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)，使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。在CIMS系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線是工廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場級設(shè)備的延伸，是支撐現(xiàn)場級與車間級信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)。
1.2.3基于現(xiàn)場總線的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)
基于現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)如圖1-3所示：
圖3：基于現(xiàn)場總線的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)
1.2.4基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)
（1）增強(qiáng)了現(xiàn)場級信息集成能力
現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設(shè)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(tǒng)的信息集成要求。現(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號，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)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，對于大規(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，系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設(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)場總線標(biāo)準(zhǔn)
現(xiàn)場總線技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的一個關(guān)鍵問題，是要在自動化行業(yè)中形成一個制造商們共同遵守的現(xiàn)場總線通信協(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)場總線標(biāo)準(zhǔn)的問題。國際上著名自動化產(chǎn)品及現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)廠家，意識到現(xiàn)場總線技術(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)都是采用一個或幾個市場上最成功的技術(shù)為基礎(chǔ)。因此，各大國際公司在制定現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)中的竟?fàn)?，體現(xiàn)了各公司在技術(shù)領(lǐng)先地位上的競爭，而其最終還是要?dú)w結(jié)到市場實(shí)力的競爭。
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份額的總線有如下幾種：
1.3.1Profibus現(xiàn)場總線
1996年3月15日批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，即DIN50170V.2。Profibus產(chǎn)品在世界市場上已被普遍接受，市場份額占?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，到1998年5月，適用于過程自動化的PROFIBUS-PA儀表設(shè)備在19個國家的40個用戶廠家投入現(xiàn)場運(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個地區(qū)性的用戶組織，企業(yè)會員近650家。1997年7月組建了中國現(xiàn)場總線（PROFIBUS）專業(yè)委員會，并籌建現(xiàn)場總線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：信號系統(tǒng)
1.3.2FF現(xiàn)場總線
1994年由ISP基金會和WorldFIP(北美)兩大集團(tuán)合并成立FF基金會，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)場總線（FF）專業(yè)委員會，并籌建FF現(xiàn)場總線產(chǎn)品認(rèn)證中心。目前，F(xiàn)F現(xiàn)場總線的應(yīng)用領(lǐng)域以過程自動化為主。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)場總線應(yīng)用場合的測控網(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)用于樓宇自動化方面。
1.3.4CANBUS現(xiàn)場總線
CANBUS現(xiàn)場總線已由ISO/TC22技術(shù)委員會批準(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、樓宇自動化等場合均有所應(yīng)用。
1.3.5WorldFIP現(xiàn)場總線
90~91年FIP現(xiàn)場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)動控制為1-2.5Mbit/s。采用總線仲裁器和優(yōu)先級來管理總線上（包括各支線）的各控制站的通信?？蛇M(jìn)行1對1、1對多點(diǎn)（組）、1對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)場總線適用范圍廣泛，在過程自動化、制造業(yè)自動化、電力及樓宇自動化方面都有很好的應(yīng)用。
1.3.6P-NET現(xiàn)場總線
P-NET現(xiàn)場總線籌建于己于1983年。1984年推出采用多重主站現(xiàn)場總線的第一批產(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如何面對眾多的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)
面對國際上各種流派的現(xiàn)場總線及標(biāo)準(zhǔn)，為深入研究國外先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)，推動我國現(xiàn)場總線技術(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堂舉辦了“現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)化與中國自動化技術(shù)發(fā)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(xiàn)場總線技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化情況。研討會上中外專家就現(xiàn)場總線國際標(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。
對我國發(fā)展現(xiàn)場總線技術(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，積極開展對其它先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)研究，特別是對已有成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋面大的現(xiàn)場總線技術(shù)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(fā)，如何面對眾多現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)作出選擇，筆者在此發(fā)表個人看法，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(biāo)準(zhǔn)化組織根據(jù)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展現(xiàn)狀及廠商用戶對標(biāo)準(zhǔn)制定的要求，對標(biāo)準(zhǔn)的制定及批準(zhǔn)手續(xù)作出相應(yīng)的改變，即簡化了標(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。如制造業(yè)自動化、電力自動化及過程控制自動化三個領(lǐng)域，在數(shù)據(jù)實(shí)時響應(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)，會提出原有技術(shù)與國際標(biāo)準(zhǔn)的接口，而不會置公司信譽(yù)于不顧，丟掉老客戶不管。
（4）積極跟蹤、勇于進(jìn)??！如果因?yàn)閲HIEC還沒有統(tǒng)一現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，就不敢使用這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)是大可不必的。這將會使企業(yè)喪失一次盡早提高企業(yè)自動化水平的機(jī)會，或喪失一次提高本企業(yè)產(chǎn)品水平的機(jī)會，從而導(dǎo)致企業(yè)在未來同行競爭中處于劣勢。國際IEC要統(tǒng)一現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)不是一朝一夕的事，坐等時機(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。
第二章：現(xiàn)場總線Profibus技術(shù)要點(diǎn)
本章從Profibus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)角度，概要說明了PROFIBUS技術(shù)要點(diǎn)。使讀者可快速了解PROFIBUS技術(shù)概貌。
2.1Profibus概貌
(1)Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其他領(lǐng)域自動化。
(2)Profibus由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）、PROFIBUS-PA(ProcessAutomation)、PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification)。
(3)Profibus-DP：是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號傳輸。
(4)Profibus-PA：專為過程自動化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。
(5)Profibus-FMS：用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時多主網(wǎng)絡(luò)。
(7)Profibus是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。
2.2PRFIBUS基本特性
2.2.1Profibus協(xié)議結(jié)構(gòu)
Profibus協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國際準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（OpenSystemInterconnection—SIO）作為參考模型的。該模型共有七層，如下圖2-1所示：
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)?/strong>：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(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(shè)備安裝要點(diǎn)
(1)全部設(shè)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(yùn)行不發(fā)生誤差。兩個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個時，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。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(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，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)傳輸速率時應(yīng)避免使用短截線段，應(yīng)使用市場上現(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候接通或斷開而并不中斷其它站的數(shù)據(jù)通信。
2.2.2.3用于PA的IEC1158-2傳輸技術(shù)
(1)數(shù)據(jù)IEC1158-2的傳輸技術(shù)用于Profibus-PA，能滿足化工和石油化工業(yè)的要求。它可保持其本征安全性，并通過總線對現(xiàn)場設(shè)備供電。
(2)IEC1158-2是一種位同步協(xié)議，通常稱為H1。
(3)IEC1158-2技術(shù)用于Profibus-PA，其傳輸以下列原理為依據(jù)：
·每段只有一個電源作為供電裝置。
·當(dāng)站收發(fā)信息時，不向總線供電。
·每站現(xiàn)場設(shè)備所消耗的為常量穩(wěn)態(tài)基本電流。
·現(xiàn)場設(shè)備其作用如同無源的電流吸收裝置。
·主總線兩端起無源終端線作用。
·允許使用線性、樹型和星型網(wǎng)絡(luò)。
·為提高可靠性，設(shè)計(jì)時可采用冗余的總線段。
·為了調(diào)制的目的，假設(shè)每個總線站至少需用10mA基本電流才能使設(shè)備啟動。通信信號的發(fā)生是通過發(fā)送設(shè)備的調(diào)制，從±9mA到基本電流之間。
(4)IEC1158-2傳輸技術(shù)特性:
·數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)字式、位同步、曼徹斯特編碼。
·傳輸速率：31.25Kbit/s，電壓式。
·數(shù)據(jù)可靠性：前同步信號，采用起始和終止限定符避免誤差。
·電纜：雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式。
·遠(yuǎn)程電源供電：可選附件，通過數(shù)據(jù)線。
·防爆型：能進(jìn)行本征及非本征安全操作。
·拓?fù)洌壕€型或樹型，或兩者相結(jié)合。
·站數(shù)：每段最多32個，總數(shù)最多為126個。
·中繼器：最多可擴(kuò)展至4臺。
2.2.2.4IEC1158傳輸設(shè)備安裝要點(diǎn)
(1)分段藕合器將IEC1158-2傳輸技術(shù)總線段與RS-485傳輸技術(shù)總線段連接。藕合器使RS-485信號與IEC1158-2信號相適配。它們?yōu)楝F(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程電源供電，供電裝置可限制IEC1158-2總線的電流和電壓。
(2)Profibus-PA的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆袠湫秃途€型結(jié)構(gòu)，或是兩種拓?fù)涞幕旌希妶D2-3
圖2-3
(3)現(xiàn)場配電箱仍繼續(xù)用來連接現(xiàn)場設(shè)備并放置總線終端電阻器。采用樹型結(jié)構(gòu)時連在現(xiàn)場總線分段的全部現(xiàn)場設(shè)備都并聯(lián)地接在現(xiàn)場配電箱上。
(4)建議使用下列參考電纜，也可使用更粗截面導(dǎo)體的其它電纜。
·電纜設(shè)計(jì)：雙絞線屏蔽電纜
·導(dǎo)線面積（額定值）：0.8mm2(AWG18)
·回路電阻（直流）：44W/Km
·阻抗（31.25千赫時）：100W±20%
·39千赫時衰減：3dB/Km
·電容不平衡度：2nF/Km
(5)主總線電纜的兩端各有一個無源終端器，內(nèi)有串聯(lián)的RC元件，R=100W，C=1mF。當(dāng)總線站極性反向連接時，它對總線的功能不會有任何影響。
(6)連接到一個段上的站數(shù)目最多是32個。如果使用本征安全型及總線供電，站的數(shù)量將進(jìn)一步受到限制。即使不需要本征安全性，遠(yuǎn)程供電裝置電源也要受到限制。
(7)線路最長長度的確定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先計(jì)算一下電流的需要，從表2-2中選用一種供電電源單元，再根據(jù)表2-3中線的長度選定哪種電纜。
表2-2標(biāo)準(zhǔn)供電裝置（操作值）
表2-3IEC1158-2傳輸設(shè)備的線路長度
(8)外接電源：如果外接電源設(shè)備，根據(jù)EN50020標(biāo)準(zhǔn)帶有適當(dāng)?shù)母綦x裝置，將總線供電設(shè)備與外接電源設(shè)備連在本征安全總線上是允許的。
2.2.2.5光纖傳輸技術(shù)
(1)Profibus系統(tǒng)在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時，可使用光纖導(dǎo)體，以增加高速傳輸?shù)木嚯x。
(2)可使用兩種光纖導(dǎo)體，一是價格低廉的塑料纖維導(dǎo)體，供距離小于50米情況下使用。另一種是玻璃纖維導(dǎo)體，供距離大于1公里情況下使用。
(3)許多廠商提供專用總線插頭可將RS-485信號轉(zhuǎn)換成光纖導(dǎo)體信號或?qū)⒐饫w導(dǎo)體信號轉(zhuǎn)換成RS-485信號。
2.2.3Profibus總線存取協(xié)議
(1)三種Profibus（DP、FMS、PA）均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過OSI參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實(shí)現(xiàn)的。它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報文處理。
(2)在Profibus中，第二層稱之為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（FieldbusDataLink—FDL）。介質(zhì)存取控制（MediumAccessControl—MAC）具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，MAC必須確保在任何一個時刻只有一個站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。
(3)Profibus協(xié)議的設(shè)計(jì)要滿足介質(zhì)存取控制的兩個基本要求：
·在復(fù)雜的自動化系統(tǒng)（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時間間隔中，任何一個站點(diǎn)要有足夠的時間來完成通信任務(wù)。
·在復(fù)雜的程序控制器和簡單的I/O設(shè)備（從站）間通信，應(yīng)盡可能快速又簡單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。
因此，Profibus總線存取協(xié)議，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。
(4)令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規(guī)定的時間內(nèi)得到總線存取權(quán)（令牌）。在Profibus中，令牌傳遞僅在各主站之間進(jìn)行。
(5)主站得到總線存取令牌時可與從站通信。每個主站均可向從站發(fā)送或讀取信息。因此，可能有以下三種系統(tǒng)配置：
·純主—從系統(tǒng)
·純主—主系統(tǒng)
·混合系統(tǒng)
(6)圖2-4是一個由3個主站、7個從站構(gòu)成的Profibus系統(tǒng)。3個主站之間構(gòu)成令牌邏輯環(huán)。當(dāng)某主站得到令牌報文后，該主站可在一定時間內(nèi)執(zhí)行主站工作。在這段時間內(nèi)，它可依照主—從通訊關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主—主通訊關(guān)系表與所有主站通信。
圖2-4：3個主站、7個從站構(gòu)成的Profibus系統(tǒng)
(7)在總線系統(tǒng)初建時，主站介質(zhì)存取控制MAC的任務(wù)是制定總線上的站點(diǎn)分配并建立邏輯環(huán)。在總線運(yùn)行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。
(8)第二層的另一重要工作任務(wù)是保證數(shù)據(jù)的可靠性。Profibus第二層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式可保證數(shù)據(jù)的高度完整性。
(9)Profibus第二層按照非連接的模式操作，除提供點(diǎn)對點(diǎn)邏輯數(shù)據(jù)傳輸外，還提供多點(diǎn)通信，其中包括廣播及有選擇廣播功能。
2.3Profibus-DP
Profibus-DP用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報警處理。
2.3.1Profibus-DP的基本功能
(1)傳輸技術(shù)：RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。
(2)總線存?。焊髦髡鹃g令牌傳遞，主站與從站間為主—從傳送。支持單主或多主系統(tǒng)?？偩€上最多站點(diǎn)（主—從設(shè)備）數(shù)為126。
(3)通信：點(diǎn)對點(diǎn)（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（控制指令）。循環(huán)主—從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主—主數(shù)據(jù)傳送。
(4)運(yùn)行模式：運(yùn)行、清除、停止。
(5)同步：控制指令允許輸入和輸出同步。同步模式：輸出同步；鎖定模式：輸入同步。
(6)功能：DP主站和DP從站間的循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送。各DP從站的動態(tài)激活和可激活。DP從站組態(tài)的檢查。強(qiáng)大的診斷功能，三級診斷信息。輸入或輸出的同步。通過總線給DP從站賦予地址。通過總線對DP主站（DPM1）進(jìn)行配置。每DP從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為246字節(jié)。
(7)可靠性和保護(hù)機(jī)制：所有信息的傳輸按海明距離HD=4進(jìn)行。DP從站帶看門狗定時器（WatchdogTimer）。對DP從站的輸入/輸出進(jìn)行存取保護(hù)。DP主站上帶可變定時器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。
(8)設(shè)備類型：第二類DP主站（DPM2）是可進(jìn)行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。第一類DP主站（DPM1）是中央可編程序控制器，如PLC、PC等。DP從站是帶二進(jìn)制值或模擬量輸入輸出的驅(qū)動器、閥門等。
2.3.1.1Profibus-DP基本特征
(1)速率：在一個有著32個站點(diǎn)的分布系統(tǒng)中，Profibus-DP對所有站點(diǎn)傳送512bit/s輸入和512bit/s輸出，在12Mbit/s時只需1毫秒。
(2)診斷功能：經(jīng)過擴(kuò)展的Profibus-DP診斷能能對故障進(jìn)行快速定位。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分三級：
·本站診斷操作：本站設(shè)備的一般操作狀態(tài)，如溫度過高、壓力過低。
·模塊診斷操作：一個站點(diǎn)的某具體I/O模塊故障。
·通道診斷操作：一個單獨(dú)輸入/輸出位的故障。
2.3.1.2Profibus-DP系統(tǒng)配置和設(shè)備類型
Profibus-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。在同一總線上最多可連接126個站點(diǎn)。系統(tǒng)配置的描述包括：站數(shù)、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)格式、診斷信息格式及所使用的總線參數(shù)。每個PROFIBUS-DP系統(tǒng)可包括以下三種不同類型設(shè)備：
(1)一級DP主站（DPM1）：一級DP主站是中央控制器，它在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站（如DP從站）交換信息。典型的DPM1如PLC或PC。
(2)二級DP主站（DPM2）：二級DP主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。
(3)DP從站：DP從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備（I/O設(shè)備、驅(qū)動器、HMI、閥門等）。
(4)單主站系統(tǒng)：在總線系統(tǒng)的運(yùn)行階段，只有一個活動主站。如圖2-5所示：
圖2-5：單主站系統(tǒng)
(2)多主站系統(tǒng)：總線上連有多個主站。這些主站與各自從站構(gòu)成相互獨(dú)立的子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)包括一個DPM1、指定的若干從站及可能的DPM2設(shè)備。任何一個主站均可讀取DP從站的輸入/輸出映象，但只有一個DP主站允許對DP從站寫入數(shù)據(jù)。如圖2-6所示：
圖2-6：多主站系統(tǒng)
2.3.1.3系統(tǒng)行為系統(tǒng)行為主要取決于DPM1的操作狀態(tài)，這些狀態(tài)由本地或總線的配置設(shè)備所控制。主要有以下三種狀態(tài)：
·停止：在這種狀態(tài)下，DPM1和DP從站之間沒有數(shù)據(jù)傳輸。
·清除：在這種狀態(tài)下，DPM1讀取DP從站的輸入信息并使輸出信息保持在故障安全狀態(tài)。
·運(yùn)行：在這種狀態(tài)下，DPM1處于數(shù)據(jù)傳輸階段，循環(huán)數(shù)據(jù)通信時，DPM1從DP從站讀取輸入信息并向從站寫入輸出信息。
(1)DPM1設(shè)備在一個預(yù)先設(shè)定的時間間隔內(nèi)，以有選擇的廣播方式將其本地狀態(tài)周期性地
發(fā)送到每一個有關(guān)的DP從站。如圖2-6所示。
(2)如果在DPM1的數(shù)據(jù)傳輸階段中發(fā)生錯誤，DPM1將所有有關(guān)的DP從站的輸出數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)入清除狀態(tài)，而DP從站將不在發(fā)送用戶數(shù)據(jù)。在次之后，DPM1轉(zhuǎn)入清除狀態(tài)。
圖2-6：Profibus-DP用戶數(shù)據(jù)傳輸
2.3.1.4DPM1和DP從站間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸
DPM1和相關(guān)DP從站之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸是由DPM1按照確定的遞歸順序自動進(jìn)行。在對總線系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)時，用戶對DP從站與DPM1的關(guān)系作出規(guī)定，確定哪些DP從站被納入信息交換的循環(huán)周期，哪些被排斥在外。
DPM1和DP從站間的數(shù)據(jù)傳送分三個階段：參數(shù)設(shè)定、組態(tài)、數(shù)據(jù)交換。在參數(shù)設(shè)定階段，每個從站將自己的實(shí)際組態(tài)數(shù)據(jù)與從DPM1接受到的組態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。只有當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)與所需的組態(tài)數(shù)據(jù)相匹配時，DP從站才進(jìn)入用戶數(shù)據(jù)傳輸階段。因此，設(shè)備類型、數(shù)據(jù)格式、長度以及輸入輸出數(shù)量必須與實(shí)際組態(tài)一致。
2.3.1.5DPM1和系統(tǒng)組態(tài)設(shè)備間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸
除主—從功能外，Profibus-DP允許主—主之間的數(shù)據(jù)通信，這些功能使組態(tài)和診斷設(shè)備通過總線對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。
2.3.1.6同步和鎖定模式
除DPM1設(shè)備自動執(zhí)行的用戶數(shù)據(jù)循環(huán)傳輸外，DP主站設(shè)備也可向單獨(dú)的DP從站、一組從站或全體從站同時發(fā)送控制命令。這些命令通過有選擇的廣播命令發(fā)送的。使用這一功能將打開DP從站的同步及鎖定模式，用于DP從站的事件控制同步。
主站發(fā)送同步命令后，所選的從站進(jìn)入同步模式。在這種模式中，所編址的從站輸出數(shù)據(jù)鎖定在當(dāng)前狀態(tài)下。在這之后的用戶數(shù)據(jù)傳輸周期中，從站存儲接收到輸出的數(shù)據(jù)，但它的輸出狀態(tài)保持不變；當(dāng)接收到下一同步命令時，所存儲的輸出數(shù)據(jù)才發(fā)送到外圍設(shè)備上。用戶可通過非同步命令退出同步模式。
鎖定控制命令使得編址的從站進(jìn)入鎖定模式。鎖定模式將從站的輸入數(shù)據(jù)鎖定在當(dāng)前狀態(tài)下，直到主站發(fā)送下一個鎖定命令時才可以更新。用戶可以通過非鎖定命令退出鎖定模式。
2.3.1.7保護(hù)機(jī)制
對DP主站DPM1使用數(shù)據(jù)控制定時器對從站的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行監(jiān)視。每個從站都采用獨(dú)立的控制定時器。在規(guī)定的監(jiān)視間隔時間中，如數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生差錯，定時器就會超時。一旦發(fā)生超時，用戶就會得到這個信息。如果錯誤自動反應(yīng)功能“使能”，DPM1將脫離操作狀態(tài)，并將所有關(guān)聯(lián)從站的輸出置于故障安全狀態(tài)，并進(jìn)入清除狀態(tài)。
對DP從站使用看門狗控制器檢測主站和傳輸線路故障。如果在一定的時間間隔內(nèi)發(fā)現(xiàn)沒有主機(jī)的數(shù)據(jù)通信，從站自動將輸出進(jìn)入故障安全狀態(tài)。
2.3.2擴(kuò)展DP功能
DP擴(kuò)展功能是對DP基本功能的補(bǔ)充，與DP基本功能兼容。
2.3.2.1DPM1與DP從站間的擴(kuò)展數(shù)據(jù)通信
(1)DPM1與DP從站間非循環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸。
(2)帶DDLM讀和DDLM寫的非循環(huán)讀/寫功能，可讀寫從站任何希望數(shù)據(jù)。
(3)報警響應(yīng)，DP基本功能允許DP從站用診斷信息向主站自發(fā)地傳輸事件，而新增的DDLM-ALAM-ACK功能被用來直接響應(yīng)從DP從站上接收的報警數(shù)據(jù)。
(3)DPM2與從站間的非循環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸。
2.3.3電子設(shè)備數(shù)據(jù)文件（GSD）
為了將不同廠家生產(chǎn)的Profibus產(chǎn)品集成在一起，生產(chǎn)廠家必須以GSD文件（電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件）方式提供這些產(chǎn)品的功能參數(shù)（如I/O點(diǎn)數(shù)、診斷信息、波特率、時間監(jiān)視等）。標(biāo)準(zhǔn)的GSD數(shù)據(jù)將通信擴(kuò)大到操作員控制級。使用根據(jù)GSD文件所作的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中。如圖2-7所示。
圖2-7：基于GSD文件開放式組態(tài)
GSD文件可分為三個部分：
(1)總規(guī)范：包括了生產(chǎn)廠商和設(shè)備名稱、硬件和軟件版本、波特率、監(jiān)視時間間隔、總線插頭指定信號。
(2)與DP有關(guān)的規(guī)范：包括適用于主站的各項(xiàng)參數(shù)，如允許從站個數(shù)、上裝/下裝能力。
(3)與DP從站有關(guān)的規(guī)范：包括了與從站有關(guān)的一切規(guī)范，如輸入/輸出通道數(shù)、類型、診斷數(shù)據(jù)等。
2.3.4Profibus—DP行規(guī)
Profibus—DP協(xié)議明確規(guī)定了用戶數(shù)據(jù)怎樣在總線各站之間傳遞，但用戶數(shù)據(jù)的含義是在PROFIBUS行規(guī)中具體說明的。另外，行規(guī)還具體規(guī)定了PROFIBUS—DP如何用于應(yīng)用領(lǐng)域。使用行規(guī)可使不同廠商所生產(chǎn)的不同設(shè)備互換使用，而工廠操作人員毋須關(guān)心兩者之間的差異，因?yàn)榕c應(yīng)用有關(guān)的參數(shù)含義在行規(guī)中均作了精確的規(guī)定說明。下面是PROFIBUS-DP行規(guī)，括弧中數(shù)字是文件編號：
·NC/RC行規(guī)（3.052）
·編碼器行規(guī)（3.062）
·變速傳動行規(guī)（3.071）
·操作員控制和過程監(jiān)視行規(guī)（HMI）
2.4Profibus-PA
Profibus—PA適用于PROFIBUS的過程自動化。PA將自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與壓力、溫度和液位變送器等現(xiàn)場設(shè)備連接起來，PA可用來替代4—20mA的模擬技術(shù)。PROFIBUS—PA具有如下特性：
(1)適合過程自動化應(yīng)用的行規(guī)使不同廠家生產(chǎn)的現(xiàn)場設(shè)備具有互換性。
(2)增加和去除總線站點(diǎn)，即使在本征安全地區(qū)也不會影響到其它站。
(3)在過程自動化的Profibus—PA段與制造業(yè)自動化的PROFIBUS—DP總線段之間通過藕合器連接，并使可實(shí)現(xiàn)兩段間的透明通信。
(4)使用與IEC1158—2技術(shù)相同的雙絞線完成遠(yuǎn)程供電和數(shù)據(jù)傳送。
(5)在潛在的爆炸危險區(qū)可使用防爆型“本征安全”或“非本征安全”。
2.4.1Profibus—PA傳輸協(xié)議
Profibus—PA采用PROFIBUS—DP的基本功能來傳送測量值和狀態(tài)。并用擴(kuò)展的PROFIBUS—DP功能來制訂現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)和進(jìn)行設(shè)備操作。PROFIBUS—PA第一層采用IEC1158—2技術(shù)，第二層和第一層之間的接口在DIN19245系列標(biāo)準(zhǔn)的第四部分作出了規(guī)定。
2.4.2Profibus—PA設(shè)備行規(guī)
Profibus—PA行規(guī)保證了不同廠商所生產(chǎn)的現(xiàn)場設(shè)備的互換性和互操作性，它是PROFIBUS—PA的一個組成部分。PA行規(guī)的任務(wù)是選用各種類型現(xiàn)場設(shè)備真正需要通信的功能，并提供這些設(shè)備功能和設(shè)備行為的一切必要規(guī)格。
目前，PA行規(guī)已對所有通用的測量變送器和其它選擇的一些設(shè)備類型作了具體規(guī)定，這些設(shè)備如：
·測壓力、液位、溫度和流量的變送器
·數(shù)字量輸入和輸出
·模擬量輸入和輸出
·閥門
·定位器
2.5Profibus-FMS
Profibus—FMS的設(shè)計(jì)旨在解決車間監(jiān)控級通信。在這一層，可編程序控制器（如PLC、PC機(jī)等）之間需要比現(xiàn)場層更大量的數(shù)據(jù)傳送，但通信的實(shí)時性要求低于現(xiàn)場層。
2.5.1Profibus-FMS應(yīng)用層
應(yīng)用層提供了供用戶使用的通信服務(wù)。這些服務(wù)包括訪問變量、程序傳遞、事件控制等。Profibus—FMS應(yīng)用層包括下列兩部分：
·現(xiàn)場總線信息規(guī)范（FieldbusMessageSpecification-FMS）：描述了通信對象和應(yīng)用服務(wù)。
·低層接口(LowerLayerInterface-LLI)：FMS服務(wù)到第二層的接口。
2.5.2Profibus-FMS通信模型
Profibus—FMS利用通信關(guān)系將分散的應(yīng)用過程統(tǒng)一到一個共用的過程中。在應(yīng)用過程中，可用來通信的那部分現(xiàn)場設(shè)備稱虛擬設(shè)備VFD（VirtualfieldDevice）。在實(shí)際現(xiàn)場設(shè)備與VFD之間設(shè)立一個通信關(guān)系表。通信關(guān)系表是VFD通信變量的集合，如零件數(shù)、故障率、停機(jī)時間等。VFD通過通信關(guān)系表完成對實(shí)際現(xiàn)場設(shè)備的通信。
2.5.3通信對象與通信字典（OD）
(1)FMS面向?qū)ο笸ㄐ?，它確認(rèn)5種靜態(tài)通信對象：簡單變量、數(shù)組、記錄、域和事件，還確認(rèn)2種動態(tài)通信對象：程序調(diào)用和變量表。
(2)每個FMS設(shè)備的所有通信對象都填入對象字典（OD）。對簡單設(shè)備，OD可以予定義，對復(fù)雜設(shè)備，OD可以本地或遠(yuǎn)程通過組態(tài)加到設(shè)備中去。靜態(tài)通信對象進(jìn)入靜態(tài)對象字典，動態(tài)通信對象進(jìn)入動態(tài)通信字典。每個對象均有一個唯一的索引，為避免非授權(quán)存取，每個通信對象可選用存取保護(hù)。
2.5.4Profibus-FMS服務(wù)
FMS服務(wù)項(xiàng)目是ISO9506制造信息規(guī)范MMS（ManufacturingMessageSpecification）服務(wù)項(xiàng)目的子集。這些服務(wù)項(xiàng)目在現(xiàn)場總線應(yīng)用中已被優(yōu)化，而且還加上了通信對象的管理和網(wǎng)絡(luò)管理。
Profibus—FMS提供大量的管理和服務(wù)，滿足了不同設(shè)備對通信提出的廣泛需求，服務(wù)項(xiàng)目的選用取決于特定的應(yīng)用，具體的應(yīng)用領(lǐng)域在FMS行規(guī)中規(guī)定。
2.5.5低層接口（LLI）
第七層到第二層服務(wù)的映射由LLI來解決，其主要任務(wù)包括數(shù)據(jù)流控制和聯(lián)接監(jiān)視。用戶通過稱之為通信關(guān)系的邏輯通道與其他應(yīng)用過程進(jìn)行通信。FMS設(shè)備的全部通信關(guān)系都列入通信關(guān)系表CRL(CommunicationRelationshipList)。每個通信關(guān)系通過通信索引（CREF）來查找，CRL中包含了CREF和第二層及LLI地址間的關(guān)系。
2.5.6網(wǎng)絡(luò)管理
FMS還提供網(wǎng)絡(luò)管理功能，有由現(xiàn)場總線管理層第七層來實(shí)現(xiàn)。其主要功能有：上、下關(guān)系管理、配置管理、故障管理等。
2.5.7Profibus-FMS行規(guī)
FMS提供了范圍廣泛的功能來保證它的普遍應(yīng)用。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，具體需要的功能范圍必須與具體應(yīng)用要求相適應(yīng)。設(shè)備的功能必須結(jié)合應(yīng)用來定義。這些適應(yīng)性定義稱之為行規(guī)。行規(guī)提供了設(shè)備的可互換性，保證不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備具有相同的通信功能。FMS對行規(guī)做了如下規(guī)定（括號中的數(shù)字是文件編號）：
·控制間的通信（3.002）
·摟宇自動化（3.011）
·低壓開關(guān)設(shè)備（3.032）
2.6Profibus特點(diǎn)綜述
與其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，Profibus的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩(wěn)定的國際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性。目前已應(yīng)用的領(lǐng)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(shè)想，已在10多萬成功應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)。市場調(diào)查確認(rèn)，在德國和歐洲市場中PROFIBUS占開放性工業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的市場份額超過40%。PROFIBUS有國際著名自動化技術(shù)裝備的生產(chǎn)廠商支持，它們都具有各自的技術(shù)優(yōu)勢并能提供廣泛的優(yōu)質(zhì)新產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。
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