淺談西門子PROFIBUS在電廠通信中的應(yīng)用

徐秋昀 殷海峰

摘要：首先對(duì)PROFIBUS協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，隨后對(duì)西門子PROFIBUS系統(tǒng)重要硬件進(jìn)行了詳細(xì)闡述。最后，以某燃機(jī)電廠的西門子PROFIBUS系統(tǒng)為例，分析了西門子PROFIBUS系統(tǒng)在使用中需要注意的各類配置問(wèn)題，對(duì)西門子PROFIBUS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：PROFIBUS;西門子;通信;現(xiàn)場(chǎng)總線

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化的總線通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，促使工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)生了重大變革[1]。不同于傳統(tǒng)的單向模擬通信技術(shù)，其為自動(dòng)控制主機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)智能化設(shè)備之間提供了一條雙向數(shù)字通信鏈路[2]，使得控制系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與控制級(jí)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量更大，數(shù)據(jù)種類更多，為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化、分散化方向發(fā)展提供了解決方案。

1 PROFIBUS協(xié)議簡(jiǎn)介

PROFIBUS總線協(xié)議是由德國(guó)西門子等多家權(quán)威機(jī)構(gòu)于20世紀(jì)80年代共同發(fā)布的一種開放式通信協(xié)議，旨在方便提高控制系統(tǒng)的兼容性。PROFIBUS總線協(xié)議本質(zhì)上還是RS485串口通信的一種。按照應(yīng)用范圍的不同，PROFIBUS主要有DP（Decentralized Peripherals）、FMS（Field Message Specification）和PA（Process Automation）3種行規(guī)。

在結(jié)構(gòu)上，PROFIBUS協(xié)議依然符合OSI（開放式系統(tǒng)互聯(lián)）7層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型[3]。3種PROFIBUS通信行規(guī)的OSI模型如表1所示，PROFIBUS 3種行規(guī)并未對(duì)所有層都進(jìn)行定義，只對(duì)個(gè)別層有描述。此外，PROFIBUS還定義了一層用戶接口。該用戶接口規(guī)定了3種行規(guī)下各自的設(shè)備行規(guī)與功能。

2 西門子PROFIBUS系統(tǒng)硬件介紹

PROFIBUS系統(tǒng)主要由主站、從站、網(wǎng)絡(luò)部件以及軟件工具組成。網(wǎng)絡(luò)部件包括通信媒體（如雙絞線、光纖）、總線連接器、中繼器、耦合器以及各種網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接器。

2.1? ? CP443-5 Extended

CP443-5 Extended通信處理器用于將S7-400/400H連接到PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中。其可以作為一類DP主站。當(dāng)它作為DP主站時(shí)，能夠?yàn)槠湎翫P從站啟用直接數(shù)據(jù)交互功能。

每個(gè)CPU最多只支持10個(gè)作為DP主站的CP443-5 Extended卡件。正常情況下，每個(gè)CP443-5 Extended最多只連接32個(gè)DP從站。當(dāng)需要增加DP從站時(shí)，可以通過(guò)添加RS485中繼器來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。

2.2? ? Y-Link

對(duì)于較高級(jí)別的系統(tǒng)（面向自動(dòng)化設(shè)備），Y-Link是DP從站;而對(duì)于較低級(jí)別的系統(tǒng)，Y-Link是DP主站。Y-Link包含通過(guò)總線模塊相互連接的2個(gè)IM153-2接口模塊和1個(gè)Y型耦合器（Y-Coupler）。其主要用于冗余DP主站與只有1個(gè)PROFIBUS DP接口的設(shè)備之間的連接。這意味著任何一個(gè)IM153-2接口模塊或者CP443-5通信處理器發(fā)生故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備均能保證通信暢通。

2.3? ? DP/PA-Link

DP/PA-Link在上位DP主站系統(tǒng)上是從站，并用作連接至下位總線系統(tǒng)（PA現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備）節(jié)點(diǎn)的代理。DP/PA-Link構(gòu)成了一個(gè)獨(dú)立的下位總線系統(tǒng)，該總線系統(tǒng)在通信過(guò)程中與上位DP主站系統(tǒng)分離。DP/PA-Link包含1～2個(gè)IM153-2接口模塊以及通過(guò)無(wú)源總線耦合器或總線模塊相互連接的1～5個(gè)DP/PA Couple。

2.4? ? 有源現(xiàn)場(chǎng)分配器AFD

有源現(xiàn)場(chǎng)分配器AFD也就是PA接線盒。其作用是將PA現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如測(cè)量?jī)x、傳感器和執(zhí)行器）連接至DP/PA Couple上。每個(gè)AFD有6個(gè)電纜入口壓蓋。AFD的安裝方式有2種：線型拓?fù)浜铜h(huán)型拓?fù)洹?/p>

在線型拓?fù)浒惭b方式中，每個(gè)AFD通過(guò)PA總線首尾相連。第一個(gè)AFD的IN1壓蓋連接在DP/PA耦合器上，最后一個(gè)AFD的IN6壓蓋浮空且內(nèi)置終端電阻打開。

環(huán)形拓?fù)渫ㄟ^(guò)組態(tài)一個(gè)帶有2個(gè)DP/PA耦合器和現(xiàn)場(chǎng)分配器的環(huán)形結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建環(huán)形冗余，這樣安裝可以增強(qiáng)等電位連接線的可用性。PA主線上出現(xiàn)短路或斷路時(shí)，運(yùn)行中的DP/PA耦合器將對(duì)斷開的等電位連接線進(jìn)行雙向供電，從而確保PA現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備功能保持完好。

3 西門子PROFIBUS系統(tǒng)實(shí)例分析

圖1為某燃機(jī)電廠西門子SPPA-T3000系統(tǒng)PROFIBUS系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖。該P(yáng)ROFIBUS系統(tǒng)的主站為CP443-5 Extended通信處理器，從站為IM153-2接口模塊組成的Y-Link和DP/PA-Link以及主干上的4臺(tái)電動(dòng)門，使用到的網(wǎng)絡(luò)部件有OLM光纖鏈路模塊、Y-Coupler（耦合器）、DP/PA Coupler（耦合器）、Terminator（終端電阻）、PA接線盒、光纖、DP電纜以及PA電纜。

3.1? ? 總線地址配置

該P(yáng)ROFIBUS系統(tǒng)主站采用的是冗余配置。互為冗余的2個(gè)CP443-3 Extended卡件分別置于Rack0和Rack1 2個(gè)機(jī)架相同的槽位上，但是地址不同，分別為n、n+4。該P(yáng)ROFIBUS系統(tǒng)的三組主站地址為6和10、7和11、8和12。主站通過(guò)光纖與遠(yuǎn)方現(xiàn)場(chǎng)總線柜（JCKD01）中的總線從站相連。

該網(wǎng)絡(luò)有2個(gè)DP/PA-Link從站，地址分別是10和11。與主站不同的是，2個(gè)冗余的IM153-2接口模塊的地址是相同的，即各自的從站地址。正常情況下，2個(gè)接口模塊一個(gè)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，一個(gè)保持熱備用。該系統(tǒng)中DP/PA-Link從站主要連接現(xiàn)場(chǎng)一次儀表，每個(gè)一次儀表占用一個(gè)總線地址。

該網(wǎng)絡(luò)還有一個(gè)Y-Link從站，地址為12。這種從站多用于只有一路總線接口的總線設(shè)備。正常情況下，總線接口采用的是RS485標(biāo)準(zhǔn)接口，有一路進(jìn)線、一路出線，但是也有普通端子接口。該項(xiàng)目的智能型馬控開關(guān)柜就只提供了2個(gè)端子。因此，這種設(shè)備接線需要將進(jìn)線和出線并起來(lái)接到端子上，這樣才能保證將每個(gè)設(shè)備串聯(lián)起來(lái)。

除了以上兩種從站，該P(yáng)ROFIBUS網(wǎng)絡(luò)還有執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接掛在總線母線上。這些總線型電動(dòng)門對(duì)于主站而言，是和DP/PA-Link以及Y-Link相同的從站，它的總線地址配置不能與其他從站相沖突。

3.2? ? 終端電阻配置

終端電阻的使用是為了保證PROFIBUS通信的可靠性，因此不能盲目使用終端電阻。不管是DP總線還是PA總線，在原則上都是要求每一個(gè)物理網(wǎng)段的始末兩端都要使用終端電阻。圖1中，DP/PA-Link中每一個(gè)DP/PA耦合器作為該條物理網(wǎng)段的始端，都需要設(shè)置終端電阻。最后一個(gè)AFD作為該條物理網(wǎng)段的終端，也需要設(shè)置終端電阻。這兩處的終端電阻都嵌入在設(shè)備內(nèi)部，只需要打開相應(yīng)設(shè)置即可。

Y-Link中的Y耦合器作為該條DP總線的始端，需要將連接在Y耦合器上的PROFIBUS總線連接器的終端電阻撥碼開關(guān)打開。同樣的，網(wǎng)段的最后也需要連接一個(gè)終端電阻。由于本身沒有配置內(nèi)置終端電阻，所以需要連接一個(gè)有源的終端電阻設(shè)備Terminator。

各從站與主站也是通過(guò)DP總線串聯(lián)在一起。其始端是地址為11的DP/PA-Link，終端是地址為25的電動(dòng)執(zhí)行器。因此，始端DP/PA-Link上的PROFIBUS總線連接器的終端電阻撥碼開關(guān)需要設(shè)置為“NO”，終端電動(dòng)執(zhí)行器則需要連接一個(gè)有源的終端電阻設(shè)備Terminator。

值得注意的是，CP443-5 Extended卡件與OLM之間的DP電纜兩端也需要將總線連接器的終端電阻撥碼開關(guān)打開。

4 結(jié)語(yǔ)

PROFIBUS系統(tǒng)在應(yīng)用中所需的技術(shù)基礎(chǔ)比傳統(tǒng)硬接線的要求高，但只要嚴(yán)格按照PROFIBUS規(guī)范進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、終端電阻設(shè)置以及GSD文件配置就可以很好地提高現(xiàn)場(chǎng)總線的可靠性。同時(shí)，PROFIBUS技術(shù)在保證過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的前提下，大量節(jié)省了基建過(guò)程中電纜的使用量，降低了基建成本。PROFIBUS系統(tǒng)采用的是信息化的通信方式，所以在后期設(shè)備信號(hào)管理上十分便利。相信隨著社會(huì)智能化、數(shù)字化建設(shè)的不斷推進(jìn)，PROFIBUS總線技術(shù)將在更多的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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