基于Profibus的現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)研究

張文杰

摘 要：20世紀(jì)80年代末、90年代初，現(xiàn)場(chǎng)總線在國(guó)際上發(fā)展形成，主要用于自動(dòng)化領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互聯(lián)通訊。隨著工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)的水平也日漸提高。現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）作為計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、儀表技術(shù)以及控制技術(shù)高度集成與綜合的產(chǎn)物，已經(jīng)成為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，其主要功能便是解決現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通信以及信息傳遞。現(xiàn)如今，國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)發(fā)出數(shù)十種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。其中由西門子開(kāi)發(fā)的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus（Process Field Bus）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，于1989年已成為現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它是一種開(kāi)放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，在多種自動(dòng)化領(lǐng)域中均占據(jù)主導(dǎo)地位。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；總線Profibus；研究

前言

西門子公司開(kāi)發(fā)的Profibus，是用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。雖然現(xiàn)在西門子已經(jīng)開(kāi)始大力推廣旗下的工業(yè)以太網(wǎng)Profinet產(chǎn)品，但Profibus在市場(chǎng)上依舊占據(jù)著一席之地。文章通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus的研究探討，進(jìn)一步了解其特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，為設(shè)計(jì)和調(diào)試人員對(duì)Profibus的使用作一些參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線的特征

近年來(lái)，工業(yè)的迅猛發(fā)展，使得現(xiàn)場(chǎng)總線成為了一種認(rèn)可度高、廣為使用的工業(yè)數(shù)據(jù)總線。它的主要任務(wù)是對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種控制裝置、執(zhí)行裝置和智能化儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信以及設(shè)備與上一級(jí)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。如今的現(xiàn)場(chǎng)總線，已經(jīng)具備了以下特征：（1）全數(shù)字化通信；（2）開(kāi)放型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；（3）互可操作性與互用性；（4）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化；（5）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性；（6）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。由于現(xiàn)場(chǎng)總線具有上述一系列優(yōu)點(diǎn)，使得它在國(guó)際上廣受歡迎。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線的分類

現(xiàn)在國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了數(shù)十種現(xiàn)場(chǎng)總線，按其傳輸數(shù)據(jù)的大小可分為三類：傳感器總線，屬于位傳輸；設(shè)備總線，屬于字節(jié)傳輸；現(xiàn)場(chǎng)總線，屬于數(shù)據(jù)流傳輸。由西門子公司開(kāi)發(fā)的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線是以傳輸數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)，它是基于RS485通信協(xié)議開(kāi)發(fā)的一種現(xiàn)場(chǎng)通訊方式。RS485傳輸采用屏蔽雙絞線電纜，段的終端各有一個(gè)終端器。傳輸速率從9.6kbps-12Mbps，所選用的波特率適用于連接到總線上的所有設(shè)備[1]。與其他現(xiàn)場(chǎng)總線相比，Profibus的最大優(yōu)點(diǎn)是以穩(wěn)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN50710作為保障，并且經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，具有普遍性。而與Profinet相比，Profibus的工作原理是依靠差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)的，由于兩者在通信介質(zhì)上完全不同（Profibus基于RS485串行總線，Profinet基于工業(yè)以太網(wǎng)）[2]，Profibus也繼承了RS485的缺點(diǎn)，即易受環(huán)境干擾，受限于最大傳輸速率，使得實(shí)時(shí)性沒(méi)有高速傳輸數(shù)據(jù)的Profinet好。但是對(duì)于一般情況下，對(duì)工作條件要求不高的工業(yè)設(shè)備來(lái)說(shuō)，Profibus所提供的工作環(huán)境已經(jīng)足夠使用。

3 Profibus的組成

Profibus由三個(gè)兼容部分組成，即Profibus-DP（Decentralized Periphery），Profibus-PA（Process Automation），Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification），其中（1）Profibus-DP用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳輸；（2）Profibus-PA適用于Profibus過(guò)程自動(dòng)化；（3）Profibus-FMS旨在解決車間監(jiān)控級(jí)通信任務(wù)，提供大量的通信服務(wù)，但是現(xiàn)在已很少使用。

4 以Profibus作為現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的分類

以Profibus作為現(xiàn)場(chǎng)總線，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分為：（1）一類主站，包括PLC、PC，還有支持主站功能的通訊處理器；（2）Profibus從站，包括各類分布式I/O，支持Profibus-DP接口的傳動(dòng)裝置，支持從站功能的通訊處理器，還有其他可支持的輸入輸出、智能設(shè)備；（3）Profibus網(wǎng)絡(luò)部件包括通信介質(zhì)，如電纜，總線部件：中繼器、總線連接器等；（4）人機(jī)界面設(shè)備（二類主站），由通訊處理器連接到網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)及編程設(shè)備，或者各種診斷工具及網(wǎng)絡(luò)配置等。

5 Profibus-DP在其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任務(wù)

Profibus-DP在其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可分為DP主站和DP從站。

DP主站的主要任務(wù)有：（1）啟動(dòng)DP主站的時(shí)候初始化主站系統(tǒng)，通過(guò)讀取其中的診斷數(shù)據(jù)，檢查從站是否準(zhǔn)備就緒，并且檢查主站是否已經(jīng)組態(tài)正確，配置了該從站，然后配置從站；（2）檢查從站組態(tài)與主站組態(tài)是否相一致，如果一致的話，則開(kāi)始與從站進(jìn)行循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸，否則通過(guò)讀取診斷信息，報(bào)告其中的錯(cuò)誤信息；（3）與DP從站循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸；（4）對(duì)DP從站進(jìn)行監(jiān)控測(cè)試；（5）采樣收集站內(nèi)的診斷信息；（6）處理作業(yè)請(qǐng)求，包括其中的輸入輸出同步控制，DP主站的起停控制等；（7）讀取其他類主站的共享輸入輸出數(shù)據(jù)；（8）若DP主站出現(xiàn)停止或有故障時(shí)，使得DP系統(tǒng)進(jìn)入安全狀態(tài)。

DP從站的主要任務(wù)有：（1）接收由主站傳輸?shù)慕M態(tài)參數(shù)和配置參數(shù)，以及來(lái)自主站的過(guò)程數(shù)據(jù)；（2）為DP主站提供過(guò)程數(shù)據(jù)；（3）為DP主站提供診斷數(shù)據(jù)；（4）為二類DP主站提供讀取的輸入輸出數(shù)據(jù)等[3]。圖1是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的一個(gè)Profibus網(wǎng)絡(luò)組態(tài)案例。

如圖1所示的案例使用西門子工業(yè)設(shè)備，以CPU315-2 DP作為系統(tǒng)的一類主站，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并控制各個(gè)子站；以計(jì)算機(jī)WINCC作為系統(tǒng)的二級(jí)主站，通過(guò)CP5611接口與CPU相連接，用于對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線各設(shè)備和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行圖形化管理和操作，與PLC互相通信，并且WinCC還有報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等一系列功能，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)集中可視的數(shù)據(jù)處理監(jiān)控端；各個(gè)DP從站，用于現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)采集，并且與CPU控制單元通過(guò)Profibus進(jìn)行快速、周期性的數(shù)據(jù)交換；網(wǎng)絡(luò)部件——中繼器，用于完成信號(hào)的復(fù)制、調(diào)整和放大功能，以此來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度，還有各種儀表設(shè)備、編碼器等等，用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的檢測(cè)并將信號(hào)傳輸回PLC。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，Profibus在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中仍然發(fā)揮著很大的作用，并且由于它具備通訊穩(wěn)定、傳輸速率高、使用安裝方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)選型中也廣受歡迎。采用Profibus作為通訊方式需要對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理有一定的認(rèn)知和理解，這樣在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和使用過(guò)程中出現(xiàn)各種問(wèn)題時(shí)，才會(huì)對(duì)故障原因有清晰的判斷，才能使自動(dòng)化系統(tǒng)更好地為人們服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]雷呈喜.基于PROFIBUS總線技術(shù)的柔性制造培訓(xùn)系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[2]張琦，尹嘉娃.PROFIBUS與PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線比較與應(yīng)用[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，3.

[3]龍凱.基于PROFIBUS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[D].武漢科技大學(xué)，2008.