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PROFIBUS现场总线及其在开放控制系统中的应用
xiao_xiao1 发表于 2009/9/27 10:58:57 554 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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1引言
随着计算机、控制、通信和网络等技术的进步，现场总线在20世纪80年代中期逐渐发展起来。现场总线是应用在生产现场测量与控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多节点通信的底层控制网络。PROFIBUS是过程现场总线（ProcessField Bus）的缩写。德国科学技术部总结了20世纪80年代德国工业界自动控制技术的发展经验，为了适应分散控制系统的发展要求，对各公司自己定义的网络协议加以规范化、公开化，使得不同厂家生产的自动控制设备在网络通信级互相兼容、遵守同一协议，以利于提高工业标准化水平，于1987年列为德国国家项目，由13家大公司（如SIEMENS、ABB、AEG等）及5家研究所经过2 a多的时间完成。1991年，PROFIBUS成为德国国家标准DIN 19245,1996年6月成为欧洲标准EN 10170,1999年加入IEC 61158协议。PROFIBUS已成为应用广泛、技术成熟的国际标准现场总线之一，广泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化等领域。
2 PROFIBUS现场总线
2.1 PROFIBUS系列
PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA 3个兼容版本。
a. PROFIBUS-DP以DIN 19245的第一部分为基础，经过优化的高速、廉价通信网络，适用于自动控制系统和设备级分散I/O之间通信。在设备级，中央控制器（如PLC、PC）通过高速串行线同分散的现场设备（如I/O、传感器、阀门、执行器等）进行通信。DP一般构成单主站系统，主从站之间采用循环数据传送方式工作，最高通信速率可达12 Mbit/s。
b. PROFIBUS-FMS完成车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，实现周期性和非周期性通信。目前，PROFIBUS-FMS的作用正在为高速工业以太网HSE(High Speed Ethernet)代替。
c. PROFIBUS-PA专为过程自动化设计,用于本质安全和现场供电的场合。
2.2 PROFIBUS的协议结构和传输技术
PROFIBUS协议根据ISO 74898国际标准，以开放系统互连ISO/OSI为参考模型。协议结构如图1所示。协议定义了第1层（物理层）、第2层（数据链路层）和第7层（应用层）。没有使用第3层至第6层，这样可以减少通信开支，增加效率。
2.2.1 PROFIBUS的物理层
现场总线的物理层规定了总线介质、网络拓扑、传输距离、传输速率、站点数以及总线接口。它提供有关同步和比特流在物理媒体上的传输手段。PROFIBUS提供3种传输技术。
a. DP和FMS的RS 485传输基本特点见表1。
b. PA的IEC 1158-2传输基本特点见表2。
c. 在电磁干扰很大的环境下，可以使用光纤导体提高传输距离和传输速度。许多厂商提供专用的总线插头可将RS 485信号和光纤信号互相转换。
2.2.2PROFIBUS的数据链路层
数据链路层主要实现介质存取控制MAC和数据通信服务功能。MAC保证令牌的按序传递，在任意时刻总线上只有一个节点发送数据，避免信息的碰撞延时。数据通信服务提供点对点，点对多点和广播通信功能，所有电文海明距离等于4，保证数据的完整性。
2.2.3PROFIBUS的应用层
在DP和PA中没有应用层，只有复杂场合使用的FMS中有应用层。应用层由低层接口LLI和现场总线信息规范FMS 2部分组成，FMS描述通信对象，提供应用服务；LLI主要实现将FMS的服务映射到数据链路层，通信连接的建立、监视和释放以及数据流控制。
3 PROFIBUS在控制领域的技术优势
3.1 总线存取协议——实时性
PROFIBUS主站之间采用令牌传递方式，主站和从站之间采用主从方式。令牌传递程序保证每个主站在确定的时间片内得到总线访问权限，主站得到令牌以后，根据主从关系表向从站发送和索取数据信息。这种介质存取方式确保控制系统需要的实时性。例如，主频200 MHz的CPU，300个I/O点的扫描周期小于50 ms。
3.2系统配置灵活
可根据应用对象的控制要求，灵活选择纯主—从系统、纯主—主系统或多主多从的混合系统。3种系列的PROFIBUS容易集成在一起，DP和FMS使用了同样的传输技术和总线存取协议，因而这2套系统可在一根双绞线上同时操作；PA和DP之间使用分段耦合器能方便地集成在一起。
3.3PROFIBUS-PA本质安全特性
PROFIBUS-PA支持总线供电。在一条双绞线上即可实现数据通信和向现场设备供电。总线的操作电源来自单一供电装置，不再需要绝缘装置和隔离装置，即使在潜在的爆炸区维修、断开、接通现场设备也不会影响总线上的其它节点。