淺談西門子PROFIBUS在電廠通信中的應用

徐秋昀 殷海峰

摘要：首先對PROFIBUS協議進行了簡要介紹，隨后對西門子PROFIBUS系統重要硬件進行了詳細闡述。最后，以某燃機電廠的西門子PROFIBUS系統為例，分析了西門子PROFIBUS系統在使用中需要注意的各類配置問題，對西門子PROFIBUS系統的現場應用具有一定的參考意義。

關鍵詞：PROFIBUS;西門子;通信;現場總線

0 引言

隨著計算機科學和通信技術的飛速發展，數字化的總線通信技術應運而生，促使工業自動化領域發生了重大變革[1]。不同于傳統的單向模擬通信技術，其為自動控制主機與現場智能化設備之間提供了一條雙向數字通信鏈路[2]，使得控制系統中現場級與控制級之間傳輸的數據量更大，數據種類更多，為現代工業自動控制系統向數字化、智能化、分散化方向發展提供了解決方案。

1 PROFIBUS協議簡介

PROFIBUS總線協議是由德國西門子等多家權威機構于20世紀80年代共同發布的一種開放式通信協議，旨在方便提高控制系統的兼容性。PROFIBUS總線協議本質上還是RS485串口通信的一種。按照應用范圍的不同，PROFIBUS主要有DP（Decentralized Peripherals）、FMS（Field Message Specification）和PA（Process Automation）3種行規。

在結構上，PROFIBUS協議依然符合OSI（開放式系統互聯）7層網絡結構模型[3]。3種PROFIBUS通信行規的OSI模型如表1所示，PROFIBUS 3種行規并未對所有層都進行定義，只對個別層有描述。此外，PROFIBUS還定義了一層用戶接口。該用戶接口規定了3種行規下各自的設備行規與功能。

2 西門子PROFIBUS系統硬件介紹

PROFIBUS系統主要由主站、從站、網絡部件以及軟件工具組成。網絡部件包括通信媒體（如雙絞線、光纖）、總線連接器、中繼器、耦合器以及各種網絡轉接器。

2.1? ? CP443-5 Extended

CP443-5 Extended通信處理器用于將S7-400/400H連接到PROFIBUS現場總線系統中。其可以作為一類DP主站。當它作為DP主站時，能夠為其下DP從站啟用直接數據交互功能。

每個CPU最多只支持10個作為DP主站的CP443-5 Extended卡件。正常情況下，每個CP443-5 Extended最多只連接32個DP從站。當需要增加DP從站時，可以通過添加RS485中繼器來實現[4]。

2.2? ? Y-Link

對于較高級別的系統（面向自動化設備），Y-Link是DP從站;而對于較低級別的系統，Y-Link是DP主站。Y-Link包含通過總線模塊相互連接的2個IM153-2接口模塊和1個Y型耦合器（Y-Coupler）。其主要用于冗余DP主站與只有1個PROFIBUS DP接口的設備之間的連接。這意味著任何一個IM153-2接口模塊或者CP443-5通信處理器發生故障時，現場總線設備均能保證通信暢通。

2.3? ? DP/PA-Link

DP/PA-Link在上位DP主站系統上是從站，并用作連接至下位總線系統（PA現場設備）節點的代理。DP/PA-Link構成了一個獨立的下位總線系統，該總線系統在通信過程中與上位DP主站系統分離。DP/PA-Link包含1～2個IM153-2接口模塊以及通過無源總線耦合器或總線模塊相互連接的1～5個DP/PA Couple。

2.4? ? 有源現場分配器AFD

有源現場分配器AFD也就是PA接線盒。其作用是將PA現場設備（如測量儀、傳感器和執行器）連接至DP/PA Couple上。每個AFD有6個電纜入口壓蓋。AFD的安裝方式有2種：線型拓撲和環型拓撲。

在線型拓撲安裝方式中，每個AFD通過PA總線首尾相連。第一個AFD的IN1壓蓋連接在DP/PA耦合器上，最后一個AFD的IN6壓蓋浮空且內置終端電阻打開。

環形拓撲通過組態一個帶有2個DP/PA耦合器和現場分配器的環形結構來構建環形冗余，這樣安裝可以增強等電位連接線的可用性。PA主線上出現短路或斷路時，運行中的DP/PA耦合器將對斷開的等電位連接線進行雙向供電，從而確保PA現場設備功能保持完好。

3 西門子PROFIBUS系統實例分析

圖1為某燃機電廠西門子SPPA-T3000系統PROFIBUS系統典型結構圖。該PROFIBUS系統的主站為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臺電動門，使用到的網絡部件有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PROFIBUS系統主站采用的是冗余配置。互為冗余的2個CP443-3 Extended卡件分別置于Rack0和Rack1 2個機架相同的槽位上，但是地址不同，分別為n、n+4。該PROFIBUS系統的三組主站地址為6和10、7和11、8和12。主站通過光纖與遠方現場總線柜（JCKD01）中的總線從站相連。

該網絡有2個DP/PA-Link從站，地址分別是10和11。與主站不同的是，2個冗余的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個接口模塊一個進行實時通信，一個保持熱備用。該系統中DP/PA-Link從站主要連接現場一次儀表，每個一次儀表占用一個總線地址。

該網絡還有一個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備。正常情況下，總線接口采用的是RS485標準接口，有一路進線、一路出線，但是也有普通端子接口。該項目的智能型馬控開關柜就只提供了2個端子。因此，這種設備接線需要將進線和出線并起來接到端子上，這樣才能保證將每個設備串聯起來。

除了以上兩種從站，該PROFIBUS網絡還有執行機構直接掛在總線母線上。這些總線型電動門對于主站而言，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物理網段的始末兩端都要使用終端電阻。圖1中，DP/PA-Link中每一個DP/PA耦合器作為該條物理網段的始端，都需要設置終端電阻。最后一個AFD作為該條物理網段的終端，也需要設置終端電阻。這兩處的終端電阻都嵌入在設備內部，只需要打開相應設置即可。

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打開。同樣的，網段的最后也需要連接一個終端電阻。由于本身沒有配置內置終端電阻，所以需要連接一個有源的終端電阻設備Terminator。

各從站與主站也是通過DP總線串聯在一起。其始端是地址為11的DP/PA-Link，終端是地址為25的電動執行器。因此，始端DP/PA-Link上的PROFIBUS總線連接器的終端電阻撥碼開關需要設置為“NO”，終端電動執行器則需要連接一個有源的終端電阻設備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打開。

4 結語

PROFIBUS系統在應用中所需的技術基礎比傳統硬接線的要求高，但只要嚴格按照PROFIBUS規范進行網絡拓撲設計、終端電阻設置以及GSD文件配置就可以很好地提高現場總線的可靠性。同時，PROFIBUS技術在保證過程控制系統實時性的前提下，大量節省了基建過程中電纜的使用量，降低了基建成本。PROFIBUS系統采用的是信息化的通信方式，所以在后期設備信號管理上十分便利。相信隨著社會智能化、數字化建設的不斷推進，PROFIBUS總線技術將在更多的領域得到廣泛應用。

[參考文獻]

[1] 賀禹.PLC控制系統與現場總線技術結合的通信技術研究[J].自動化與儀器儀表，2015（9）：84-86.

[2] 王婧娟.淺談DCS與現場總線集成的研究與實現[J].中國石油石化，2016（Z1）：127.

[3] 許彬.淺談PROFIBUS現場總線在電廠控制領域中的應用[J].科技與企業，2013（3）：117-118.

[4] 劉朝華.淺談PROFIBUS-DP總線在工廠通訊網絡中的應用[J].工業設計，2015（9）：140.