现场总线技术及PROFIBUS之一

现场总线技术及profibus之一
摘要：
　　本文详细的介绍profibus的概念以及相关的基础知识。
内容：
　　第一章：现场总线技术及profibus
　　1.1 现场总线技术的由来
　　1.1.1 cims体系结构及工业数据结构的层次划分
　　根据工厂管理、生产过程及功能要求，cims体系结构可分为5层，即工厂级、车间级、单元级、工作站级和现场级。简化的cims则分为3层，即工厂级、车间级和现场级。在一个现代化工厂环境中，在大规模的工业生产过程控制中，工业数据结构同样分为这三个层次，与简化的网络层次相对应。如图1-1所示。


图1-1：简化的cims网络体系结构
　1.1.2 现场级与车间级自动化监控及信息集成是工厂自动化及cims不可缺少的重要部分。
　　现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制、连机控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级mis系统数据库提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级监控及信息集成系统是实现工厂自动化及cims系统的基础。
　　1.1.3 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统
　　传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统（包括：基于pc、plc、dcs产品的分布式控制系统），其主要特点之一是，现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个i/o点对设备的一个测控点）所谓i/o接线方式，信号传递4-20ma（传送模拟量信息）或24vdc（传送开关量信息）信号。如图1-2所示：

图1-2：传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统
　　1.1.4 系统主要缺点
（1）信息集成能力不强： 控制器与现场设备之间靠i/o连线连接，传送4-20ma模拟量信号或24vdc等开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。底层数据不全、信息集成能力不强，不能完全满足cims系统对底层数据的要求。
（2）系统不开放、可集成性差、专业性不强：除现场设备均靠标准4-20ma/24vdc连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出接口，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，面向行业的监控系统很少。
（3）可靠性不易保证：对于大范围的分布式系统，大量的i/o电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。
（4）可维护性不高：由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。
　　1.1.5 现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形
　　由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，即内置cpu控制器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能。因此，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口（如rs-232/485）是非常方便的。有了这样的接口，控制器就可以按其规定协议，通过串行通信方式（而不是i/o方式）完成对现场设备的监控。如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，完成对所有现场设备的监控，这就是现场总线技术的初始想法。
　　1.2.4 现场总线技术的产生
　　基于以上初始想法，使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接，这样，在设备层传递的不再是i/o（4-20ma/24vdc）信号，而是基于现场总线的数字化通信，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化监控及信息集成系统。
　　1.2 现场总线技术概念
　　1.2.1 现场总线技术
　　目前，公认的现场总线技术概念描述如下：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。
或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。
　　1.2.2 现场总线技术产生的意义
（1）现场总线（fieldbus）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20ma/24vdc信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。
（2）传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4-20ma/24vdc信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的“信息孤岛”，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。
（3）基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络， 构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在cims系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。
　　1.2.3 基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统
　　基于现场总线技术的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统如图1-3所示：


图3：基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统
　　1.2.4 基于现场总线的自动化监控及信息集成系统主要优点
（1）增强了现场级信息集成能力
现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及cims系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4-20ma信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。
（2）开放式、互操作性、互换性、可集成性
不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。
（3）系统可靠性高、可维护性好
基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的i/o连线，对于大规模i/o系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。
（4）降低了系统及工程成本
对大范围、大规模i/o的分布式系统来说，省去了大量的电缆、i/o模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。
　　1.3 现场总线标准
　　现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产品，系统集成商门能按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问题。国际上著名自动化产品及现场设备生产厂家，意识到现场总线技术是未来发展方向，纷纷结成企业联盟，推出自己的总线标准及产品，在市场上培养用户、扩大影响，并积极支持国际标准组织制定现场总线国际标准。能否使自己总线技术标准在未来国际标准中占有较大比例成份，关系到该公司相关产品前途、用户的信任及企业的名誉。而历史经验证明：国际标准都是采用一个或几个市场上最成功的技术为基础。因此，各大国际公司在制定现场总线国际标准中的竟争，体现了各公司在技术领先地位上的竞争，而其最终还是要归结到市场实力的竞争。
据说目前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种。具有一定影响和已占有一定市场份额的总线有如下几种：
　　1.3.1 profibus现场总线
　　1996年3月15日批准为欧洲标准，即din 50170 v.2。profibus产品在世界市场上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率25%。目前支持profibus标准的产品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。在世界范围内已安装运行的profibus设备已超过200万台，到1998年5月，适用于过程自动化的profibus-pa仪表设备在19个国家的40个用户厂家投入现场运行。1985年组建了profibus国际支持中心；1989年12月建立了profibus用户组织（pno）。目前在世界各地相继组建了20个地区性的用户组织，企业会员近650家。1997年7月组建了中国现场总线（profibus）专业委员会，并筹建现场总线profibus产品演示及认证的实验室。
profibus主要应用领域有：
。制造业自动化：汽车制造（机器人、装配线、冲压线等）、造纸、纺织。
。过程控制自动化：石化、制药、水泥、食品、啤酒。
。电力：发电、输配电。
。楼宇：空调、风机、照明。
。铁路交通：信号系统
　　1.3.2 ff现场总线
　　1994年由isp 基金会和world fip(北美)两大集团合并成立ff基金会，其宗旨在于开发出符合iec和iso标准的、唯一的国际现场总线（fundation fieldbus）。低速总线（h1）协议已于1996年发表。已完成开发的高速总线（h2）拟于1998年内表。1997年5月建立了中国现场总线（ff）专业委员会，并筹建ff现场总线产品认证中心。目前，ff现场总线的应用领域以过程自动化为主。如：化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。
　　1.3.3 lonworks总线
　　lonworks现场总线全称为lonworks networks,即分布式智能控制网络技术，希望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目前longworks应用范围广泛，主要包括工业控制、楼宇自动化、数据采集、scada系统等。国内主要应用于楼宇自动化方面。
　　1.3.4 canbus现场总线
　　canbus现场总线已由iso/tc22技术委员会批准为国际标准ios 11898（通讯速率小于1mbps）和iso 11519（通讯速率小于125kbps）。canbus主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型i/o。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。
　　1.3.5 worldfip现场总线
　　90~91年fip现场总线成为法国国家安全标准。96年成为欧洲标准（en 50170 v.3）。下一步目标是靠近iec标准，现在技术上已做好充分准备。worldfip国际组织在北京设有办事处，即worldfip中国信息中心，负责中国的技术支持。worldfip现场总线采用单一总线结构来适应不同应用领域的需求，不同应用领域采用不同的总线速率。过程控制采用31.25kbit/s,制造业为1m bit/s,驱动控制为1-2.5mbit/s。采用总线仲裁器和优先级来管理总线上（包括各支线）的各控制站的通信。可进行1对1、1对多点（组）、1对全体等多重通信方式。在应用系统中，可采用双总线结构，其中一条总线为备用线，增加了系统运行的安全性。
worldfip现场总线适用范围广泛，在过程自动化、制造业自动化、电力及楼宇自动化方面都有很好的应用。
　　1.3.6 p-net现场总线
　　p-net现场总线筹建于己于1983年。1984年推出采用多重主站现场总线的第一批产品。1986年通信协议中加入了多重网络结构和多重接口功能。1987年推出p-net的多重接口产品。1987年p-net标准成为开放式的完整标准，成为丹麦的国家标准。1996年成为欧洲总线标准的一部分（en 50170 v.1）。1997年组建国际p-net用户组织，现有企业会员近百家，总部设在丹麦的siekeborg，并在德国、英国、葡萄牙和加拿大等地设有地区性组织分部。p-net现场总线在欧洲及北美地区得到广泛应用，其中包括石油化工、能源、交通、轻工、建材、环保工程和制造业等应用领域。
　　1.4 如何面对众多的现场总线标准
　　面对国际上各种流派的现场总线及标准，为深入研究国外先进的现场总线技术，推动我国现场总线技术和产品的研究开发，形成符合我国国情的和现实的标准体系，保护我国生产企业和用户的投资效益，我国仪表标准化行业的主管单位-仪器仪表综合技术经济研究所遵循标准化工作程序，于己于1998年7月22日至多3日在北京中国科技会堂举办了“现场总线的标准化与中国自动化技术发展”研讨会。会议邀请了profibus、ff、worldfip、p-net国际组织专家代表，介绍了国际流行现场总线技术及标准化情况。研讨会上中外专家就现场总线国际标准化的发展展开了热列讨论，并提出以下见解与意见：
(1) 期望iec能尽早按预期目标完成统一标准的制定。
(2) 按目前进度估计，近年内iec很难完成预期目标。
(3) 目前iec提出的建议方案只限于过程自动化，难于满足其它应用领域要求，不可能成为唯一标准，很可能形成多种标准体系共存。
(4) 在统一标准框架下做多种通信协议接口，可能是统一标准的一种适宜的解决方案。
对我国发展现场总线技术政策，专家和代表们认为，结合我国国情，一方面应积极跟踪iec国际标准化的发展，开展我国的技术研究和产品开发。另一方面在统一的iec标准未形成之前，积极开展对其它先进的现场总线技术研究，特别是对已有成熟应用经验、应用领域覆盖面大的现场总线技术的跟踪研究。
　　1.5 对面临选择的用户谈个人看法并提出建议
　　从用户角度出发，如何面对众多现场总线标准作出选择，笔者在此发表个人看法，并提出一点建议以供用户参考。
（1）标准？ 从标准发展的历史看，谁的技术将成为国际标准，或在国际标准中占有较大成份，主要取决于它在实际应用中取得多大的成果，取决于该项技术及产品在国际市场上的占有份额。也就是说，谁能占有市场谁将得天下。另一方面，国际标准化组织根据科学技术飞速发展现状及厂商用户对标准制定的要求，对标准的制定及批准手续作出相应的改变，即简化了标准的制定程序和手续，并承认存在所谓事实上的标准，即那些在市场中已占有较大份额、具有很大的用户成功应用经验的技术标准，如我们熟知的tcp/ip通信协议标准。
（2）选择总线？ 在目前国际上现场总线群雄并起局面下，用户应从实际应用工程特点出发去选择。因为没有一种可包罗万象、适合所有应用领域的现场总线技术。应着重考察这种总线在本行业中的应用业绩。如制造业自动化、电力自动化及过程控制自动化三个领域，在数据实时响应要求方面就大不一样。
（3）选择产品？ 用户应尽量选择国际知名度大、拥有用户多、产品应用基础好的公司产品，因为这些公司的现场总线技术被国际标准采纳的可能性大。即使没有被国际标准采纳，大公司为考虑信誉，会提出原有技术与国际标准的接口，而不会置公司信誉于不顾，丢掉老客户不管。
（4）积极跟踪、勇于进取！如果因为国际iec还没有统一现场总线标准，就不敢使用这项先进技术是大可不必的。这将会使企业丧失一次尽早提高企业自动化水平的机会，或丧失一次提高本企业产品水平的机会，从而导致企业在未来同行竞争中处于劣势。国际iec要统一现场总线标准不是一朝一夕的事，坐等时机流逝为下策，只有积极跟踪、勇敢进取方为企业发展上策。　
第二章：现场总线profibus技术要点
　　本章从profibus协议标准角度，概要说明了profibus技术要点。使读者可快速了解profibus技术概貌。
　　2.1 profibus概貌
(1) profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。
(2) profibus由三个兼容部分组成，即profibus-dp（decentralized periphery）、profibus-pa(process automation)、profibus-fms(fieldbus message specification)。
(3) profibus-dp：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式i/o的通信。使用profibus-dp可取代办24vdc或4-20ma信号传输。
(4) profibus-pa：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。
(5) profibus-fms：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。
(7) profibus是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。
　　2.2 prfibus基本特性
　　2.2.1 profibus协议结构
　　profibus协议结构是根据iso7498国际准，以开放式系统互联网络（open system interconnection—sio）作为参考模型的。该模型共有七层，如下图2-1所示：

图2-1：profibus协议结构
(1) 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。
(2) profibus-fms：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范（fieldbus message specification-fms）和低层接口（lower layer interface—lli）。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。lli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。
(3) profibus-pa：pa的数据传输采用扩展的profibus-dp协议。另外，pa还描述了现场设备行为的pa行规。根据iec1158-2标准，pa的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在dp上扩展pa网络。
　　2.2.2 profibus传输技术
　　profibus提供了三种数据传输类型：
· 用于dp和fms的rs485传输。
· 用于pa的iec1158-2传输。
· 光纤
　　2.2.2.1用于dp/fms的rs485传输技术
　　由于dp与fms系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。
rs-485传输是profibus最常用的一种传输技术。这种技术通常称之为h2。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。
rs-485传输技术基本特征：
· 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。
· 传输速率：9.6k bit/s~12m bit/s
· 介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（emc）。
· 站点数：每分段32个站（不带中继），可多到127个站（带中继）。
· 插头连接：最好使用9针d型插头。
　　2.2.2.2 rs-485传输设备安装要点
(1) 全部设备均与总线连接。
(2) 每个分段上最多可接32个站（主站或从站）。
(3) 每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端电阻必须永远有电源。见图2-2所示。
(4) 当分段站超过32个时，必须使用中继器用以连接各总线段。串联的中继器一般不超过3个。见图2-3所示：

　
图2-2：profibud-dp和profibus-fms的电缆接线和总线终端电阻


图2-2: 每个分段上最多可接32个站（主站或从站）
(5) 电缆最大长度取决于传输速率。如使用a型电缆，则传输速率与长度如下表2-1：
                                           表2-1
波特率（k bit/s）
9．6
19．2
93．75
187．5
500
1500
12000
距离/段（m）
1200
1200
1200
1000
400
200
100
(6) a型电缆参数：
阻抗：135-165w 电容：〈 30pf/m 回路电阻：110w
线规：0.64mm 导线面积：>0.34mmw
(7) rs-485的传输技术的profibus网络最好使用9针d型插头，插头针脚定义和接线见图2-2所示。
(8) 当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境（如汽车制造业）下运行应使用带屛蔽的电缆，屏蔽可提高电磁兼容性（emc）。
(9) 如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线来复盖，以保持良好的传导性。另外建议数据线必须与高压线隔离。
(10) 超过500kbit/s的数据传输速率时应避免使用短截线段，应使用市场上现有的插头可使数据输入和输出电缆直接与插头连接，而且总线插头可在任何时候接通或断开而并不中断其它站的数据通信。
　　2.2.2.3 用于pa的iec1158-2传输技术
(1) 数据iec1158-2的传输技术用于profibus-pa，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备供电。
(2) iec1158-2是一种位同步协议，通常称为h1。
(3) iec1158-2技术用于profibus-pa，其传输以下列原理为依据：
· 每段只有一个电源作为供电装置。
· 当站收发信息时，不向总线供电。
· 每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。
· 现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。
· 主总线两端起无源终端线作用。
· 允许使用线性、树型和星型网络。
· 为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段。
· 为了调制的目的，假设每个总线站至少需用10ma基本电流才能使设备启动。通信信号的发生是通过发送设备的调制，从±9 ma到基本电流之间。
(4) iec1158-2传输技术特性:
· 数据传输：数字式、位同步、曼彻斯特编码。
· 传输速率：31.25k bit/s，电压式。
· 数据可靠性：前同步信号，采用起始和终止限定符避免误差。
· 电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。
· 远程电源供电：可选附件，通过数据线。
· 防爆型：能进行本征及非本征安全操作。
· 拓扑：线型或树型，或两者相结合。
· 站数：每段最多32个，总数最多为126个。
· 中继器：最多可扩展至4台。
　　2.2.2.4 iec1158传输设备安装要点
(1) 分段藕合器将iec1158-2传输技术总线段与rs-485传输技术总线段连接。藕合器使rs-485信号与iec1158-2信号相适配。它们为现场设备的远程电源供电，供电装置可限制iec1158-2总线的电流和电压。
(2) profibus-pa的网络拓扑有树型和线型结构，或是两种拓扑的混合，见图2-3

　
图2-3
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