现场总线及Profibus应用

现场总线及Profibus应用1引言随着网络技术的不断发展，因特网正在把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公路，从而形成一个公用的数据网络。以计算机(Computer)、通信(Communication)和控制(Control)为代表的“3C”技术迅速发展，使得网络集成信息自动化正在迅速应用到现场设备、控制、管理和市场的各个层次，并迅速进入工业制造、工业流程、环境工程、民用工程等应用领域。[1]而现场总线(Fieldbus)作为当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着工业控制领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。2现场总线2.1现场总线的产生背景随着控制、计算机、通讯、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次、覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的深刻变革，现场总线就是在这种形式下发展起来的新技术。[1]20世纪50年代至今，工业过程控制仪表一只采用4~20mA的标准信号。20世纪60年代，测控系统一般采用直接数字式控制系统。20世纪70年代，数字式计算机被映入到测控系统中，此时的计算机提供的是集中式控制处理。20世纪80年代，微处理器被嵌入到各种仪器设备中，而形成了分布式控制系统(DCS)，这种分布式控制系统经历了若干发展阶段，从集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)到智能控制、维护、管理集成系统(ICMMS)，控制单元日益智能化，控制的方式日益走向多智能控制单元的协同工作模式[2]。由于各种现场总线技术的相继出现，人们对传统的模拟仪表和控制系统要求变革的呼声越来越高，现场总线为引入智能现场仪表提供了一个开放平台。基于现场总线的分布式控制系统(FieldbusControlSystem,FCS)是在传统的分布式控制系统(DistributedControlSystem,DCS)的基础之上发展起来的，顺应了自动控制系统发展的潮流。2.2现场总线的基本概念按照国际电工委员会IEC61158的标准定义，现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动空盒子装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线[1]。它的本质含义主要表现在以下三个方面：现场总线是一种低带宽的计算机局域网；现场总线是一种数字通信协议；现场总线是开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。图1为DCS与FCS的对比。1图1DCS与FCS的对比2.3现场总线的特点现场总线的特点主要体现在两个方面：一是在体系结构上成功地实现了串行连接，克服了并行连接的诸多不足；二是在技术上成功地解决了开放竞争和设备兼容两大难题，实现了现场设备的高度智能化、互换性和控制功能的彻底分散化[2]。现场总线系统体系结构特点：现场总线是以ISO的OSI模型为基本框架的，并根据实际需要进行简化了的体系结构系统，主要包括物理层、数据链路层、应用层和用户层。它具有一对N结构、互换性、互操作性、控制功能分散、互连网络、维护方便等优点，另还有以下特点：(1)网络体系结构简单。模型有4层，具有设计灵活，执行直观，价格低廉，性能良好等优点，还能保证通信的速度；(2)综合自动化功能把现场智能设备分别作为一个网络节点，通过现场总线来实现各节点之间、节点与管理层之间的信息传递与沟通，易于实现各种复杂的综合自动化功能；(3)容错能力强。现场总线通过使用检错、自校验、监督定时、屏蔽逻辑等故障检测方法，大大提高了系统的容错能力；(4)抗干扰能力强，测控精度高。现场智能设备可以就近处理信号，并采用数字通信方式与主控系统交换信息，不仅具有较强的抗干扰能力，且其精度和可靠性也得到了提高。[3]现场总线系统具有以下技术特点：(1)系统的开放性开放系统是指通信协议公开,各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，建立起统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性,强调对标准的共识与遵从。一个开放系统,它可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的,开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。(2)一对N结构一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号，这使得接线简单，工程期短，安装费用低。若增加现场控制设备或现场仪表，只需并行挂接到电缆上，无须架设新的电缆。(3)互可操作性与互用性这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通,可实行点对点,一点对多点的数字通信。而互用性则意味着用户可自由选择不同制造商提供的现场控制设备或现场仪表，并将它们通过总线互连，进行统一组态，构成所需的控制回路，即使某台仪表2出现故障，换上其他品牌的同类仪表也可照常工作。[4]2.4现场总线的优越性现场总线使工业过程控制发生了很大变化，优越性不容忽视：(l)使得智能变送器中安装的微处理器能够直接与数字控制系统通信；取代每个传感器到控制器的单独布线，节约了费用。(2)现场总线提高了控制精度，提供了控制装置与传感器、执行器之间的双向通道，方便了操作员与被控设备之间的交互。(3)现场总线的开放性将使用户有对设备仪表产品的选择变多。[5]2.5现场总线的现状由于各个国家各公司的利益之争，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会(IEC/ISA)就开始着手制定现场总线的标准，但至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。目前现场总线市场的特点：(l)各种现场总线都有其应用的领域；(2)每种现场总线都有国际组织支持的背景；(3)多种总线成为国家和地区标准；(4)设备制造商参与多个现场总线组织；(5)各个现场总线彼此协调共存。而国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。已开发出的现场总线有40多种，较著名的有基金会现场总线(FF)、Profibus、HART、CAN、Lonworks、Modbus、Interbus等。近年来，现场总线技术一直是国内工业自动化领域的热点，一些业内的企业和科研单位已经由最初对现场总线技术研究、公关、示范，转变为具体应用和产品开发。[6]2.6现场总线的发展趋势由于采用了不同的网络技术，现场总线技术难以实现统一，它与IEC(国际电工委员会)于1984年开始制订现场总线时的初衷是相违背的。因此，现场总线今后的发展将呈以下趋势。(l)多种总线并存现场总线国际标准IEC61158中采用的8种类型，以及其他一些现场总线，如Lonworks等，将在今后一段时间内共同发展，并相互竞争相互取长补短。此外；国际跨国公司除了从事他们所支持的现场总线技术的研究与开发，还兼顾其他总线的应用。(2)每种现场总线将形成其特定的应用领域目前全球用于连接分散的I/O产品和控制器的总线和网络产品多种多样，但未来将有越来越多的市场份额集中在越来越少的总线和网络产品上，随之会产生新的市场领导者。随着时间的推移，占有市场80％左右的总线将只有六七种，而且其应用领域比较明确。(3)以大网的引入成为新的热点以太网在没有任何标准化组织的支持，但它是目前通讯技术事实上的标准，正在工业自动化和过程控制市场上迅速增长。TCP(传输控制协议)已成为以太网事实上的网络层、传送层的通信规约；以太网已变为网络拓扑的唯一选择。Ethernet技术渗透到工业控制中，出现了现场总线型网络技术与以太网／因特网开放型网络技术的自然结合，以太网不仅可以成为工业高层网络上的信息系统，也可以上下贯通直接与现场设备相连。有专家预言，Ethernet是高性能现场总线极好的选择。3Profibus现场总线由于现场总线的类型很多，总的来讲现场总线的应用还没有达到全面推广的局面，绝大3多数处于试点或在小规模系统上的应用。在工厂自动化(FA)方面，PROFIBUS的DP所占的份额较大，目前已达1500万个节点，在世界上处于领先地位，可以它作为代表。3.1Profibus现场总线概述Profibus是德国20世纪90年代制定的国家工业现场总线协议标准，其应用领域包括加工制造、过程控制和建筑自动化等等，如今已成为国际化的开放式现场总线标准，即EN50170欧洲标准。它是唯一的全集成H1(过程)和H2(工厂自动化)的现场总线解决方案，用于将分散的过程控制设备与集中控制系统在底层进行连接[1]。3.2Profibus的分类Profibus系统以ISO7498为基础，以开放式系统互联网(OSI)作为参考模型，针对不同的应用场合，分为3个系列：(1)Profibus－DP是一种高速和便宜的通信连接，它专门为自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信使用设计。使用Profibus－DP模块可取代24V、4～20mA的串联式信号传输。其特点是快速、即插即用、效率高、成本低，最高传输速率可达12Mbps。(2)Profibus－PA是专门为过程自动化设计的，可用于爆炸危险区域，其特点是面向过程控制，总线供电，本征安全。(3)Profibus－FMS是用来解决车间级通用性通信任务的。可用于大范围和复杂的通信系统。其特点是通用、大范围应用、多主通信。但是现场总线控制系统对现场自动化设备的要求较高，而现间段由系列智能节点(控制器、传感器、执行机构等)构成的统一的现场总线系统价格昂贵且难以实现，所以由PLC、PC和现场总线组成与DCS相兼容的系统是比较经济合理的选择。[7]这三个协议既有共性，又有个性，在应用方面各有侧重。3.3Profibus的传输技术现场总线系统的应用在很大程度上取决于选用的传输技术，既要考虑一些总的要求，如传输可靠、传输距离和高速，又要考虑到简便经济等因素。由于单一的传输技术不可能满足所有的要求，因此Profibus提供三种类型的传输技术：(1)DP和FMS采用RS485传输。采用屏蔽双绞铜线，传输速率为9.6Kbit/s~12Mbit/s，每分段32个站(不带中继)，可多到127个站(带中继)。(2)PA采用IEC1158-2传输。支持本征安全和总线供电，传送数据以31.25Kbit/s调制供电电压，采用藕合器将IEC1158-2与RS-485连接。(3)光纤FO。在电磁干扰很大的环境下应用，采用专用总线插头转换RS-485信号和光纤导体信号。3.4Profibus的协议结构Profibus的协议结构以150/051为参考模型，所以它的协议结构符合开放性和标准化要求，其协议结构表1所示：表1Profibus的协议结构FMSDPPA系统管理用户层FMS行规DP行规PA行规OSI模型应用层现场总线信息规范(FMS)DP基于DPV0DP扩展DPV1,DPV24表示层绘画层传输层网络层数据链路层现场总线数据链路(FDL)MBP接口物理层RS485/光纤MBP(1)物理层PROFIBUS通信协议中的物理层规定了编码类型和传输标准。在发送端，物理层从数据链路层接收数据，对它们进行编码，添加通信成帧信息，将所形成的物理信号传输到物理介质上。在接收端，物理层先对这些数据进行译码，去掉通信成帧信息，然后再把它们传输给数据链路层。(2)在Fieldbus中，第二层称之为现场总线数据链路层(FieldbusDataLink-FDL)。介质存取控制(MediumAccessControl-MAC)具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。(3)应用层现场总线应用层(FAL，FieldbusApplicationLayer)是一种应用层通信标准，它为用户程序提供访问现场总线通信环境的手段。Fieldbus的应用层规定了详细的数据传递报文规范和数据格式。3.5Profibus控制系统的应用Profibus现场总线控制系统的应用范围十分广泛，其主要应用领域有以下几个：(1)制造业自动化。汽车制造(机器人、装配线、冲压线等)、造纸、纺织等领域。(2)过程控制自动化。石化、制药、水泥、食品等领域。(3