Profibus现场总线及应用实例

1. Profibus的概述

　　Profibus现场总线技术已被列为IEC61158国际标准，是世界上应用最广泛的现场总线技 术，由Profibus-FMS、Profibus-P A和Profibus-DP等3部分组成。其中Profibus-DP是一种高速(数据传输速率9. 6kb/s~ 12Mb/s)、经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散110之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求; Profibus-PA用于过程控制，用IECII58-2标准，传输速率为31. 25kb/s，提供本质安全特性，适用于安全性要求较高以及由总线供电的场合; Profibus- FM S主要解决车间级通信问题，完成中等传输速率的循环或非循环数据交换任务。DP、PA以及FMS的完美结合使得Profibus现场总线在结构和性能上优越于其他现场总线。

2. Profibus-DP参考模型

　　Profibus协议结构是根据lS07498国际标准，以开放式系统互联网络作为参考模型的。

　　Profibus-DP定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及 系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同Profibus- DP设备的设备行为。

　　Profibus-DP物理层与ISO/OSI参考模型的第一层相同，采用EIA-RS485协议，根据数据传 输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输媒体。

　　Profibus-DP数据链路层协议媒体访问控制(MAL)部分采用受控访问的令牌总线(Token B山)和主从方式。其中令牌总线与局域网lEE四024协议一致，令牌在总线上的各主站间传 递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表与从站或与其他主站进行通信。主从方式的数据链路协议与局域网标准不同，它符合HDLC中的非平衡正常响应模式(NRM)。该模式的工作特点是:总线上一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立-条逻辑链路;主站发出命令，从站给出响应;从站可以连续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为3个阶段:数据链路建立、帧传输和链路释放。

　　Profibus-FMS定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范和低层接口。Profi bus-FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。协调不同的通信关 系并提供不依赖设备的第二层访问接口。

　　Profibus- P A的数据传输采用扩展的Profibus-DP协议。另外， Profibus-PA还描述了现场设 备行为的PA行规。根据IEC1158-2标准， Profibus-PA的传输技术可确保其安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在Profibus-DP上扩展PA网络。

3. Profibus网络结构

　　一个典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构。基于现场总线Profibus-DPIPA控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。现场总线Profibus是面向现场级与车间级的数字化通信网络。

　　现场设备层:主要功能是连接现场设备，如分散式I/O、传感器、驱动器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。主站(PLC、PC机或其他控制器)负责总线通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备生产工艺控制程序存储在主站中，并由主站执行。
 

　　车间监控层:车间级监控用来完成车间主生产设备之间的连接，如一个车间3条生产线主控制器之间的连接，完成车间级设备监控。车间级监控包括生产设备状态在线监控、设备故障报警及维护等。通常，还具有诸如生产统计、生产调度等车间级生产管理功能。车间级监控通常要设立车间监控室，有操作员工作站及打印设备。车间级监控网络可采用Profibus-FMS，它是一个多主网，这一级数据传输速率不是最重要的，而是要能够传送大容量信息。

　　工厂管理层:车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网。子网同过交换机、网桥或路由等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。

4. Profibus在水电站廊道排水系统的应用

　　用基于Profibus现场总线的分布式网络结构，采用单主站/多从站方式，包括现场单元、集控单元和现场总线通信3个部分。现场控制单元完成现场信息的采集，独立控制各个集水井的排水操作。集控站对分散的排水系统进行管理，并能远程控制排水泵的启停。高速的现场通信网络完成分散于现场的现场单元与位于中控室的集控站之间的数据传输。系统具有易扩展性和较高的可靠性。

　　现场控制单元选用3台Siemens S7-315-2DP PLC以控制执行机构的启停、开关等，充分发挥PLC的逻辑输入/输出功能; 2台工业控制计算机，内插数据采集和模拟输出模块，用以采集仿真对象的环境场特征值，给变频器提供模拟信号等，以发挥数字计算机模拟信号处理的能力，配置为Pentium III 850MHz、128MBRAM、40GB硬盘以及带32MBRAM的显示适配器。在2台服务器以及2台工业控制计算机内分别配有一块用以连接ProfibusS7网络的适配卡CP5613，在PLC中同时配有一块CP542-5卡， CP5613是一块具有Profibus现场总线协议的通信 卡，用以组成一个真正意义上分布式控制系统， CP5613的通信协议采用的是Profibus，但其物理层采用是RS-485标准通信规范，即还是采用双绞线阳45方式传输数据，传输介质采用A类双绞线。