Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)概要

1  引言

　　采用fcs(總線控制系統(tǒng))的企業(yè)用于生產(chǎn)管理的局域網(wǎng)能夠與用于自動(dòng)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)緊密銜接。現(xiàn)場(chǎng)總線是將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通訊網(wǎng)絡(luò)，遵循iso/osi開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議。fcs 則是用開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線控制通訊網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

2  現(xiàn)場(chǎng)總線概要　

    　它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備能處理各種參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至網(wǎng)絡(luò)故障的情況下獨(dú)立工作，大大提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力。

   　 由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，不再需要一個(gè)中央控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)真正的分布式控制。從根本上改變了現(xiàn)有dcs集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。
      
　　工作在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專(zhuān)為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

   　 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)每個(gè)儀表都需要一條線連到中央控制室，在中央控制室裝備一個(gè)大配線架。而在fcs系統(tǒng)中多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可串行連接在一條總線上，這樣只需極少的線進(jìn)入中央控制室，大量節(jié)省了布線費(fèi)用，同時(shí)也降低了中央控制室的造價(jià)。由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制等，也不再需要dcs系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，用工控pc機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積。

    　由于現(xiàn)場(chǎng)總線的以上特點(diǎn)，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

3  現(xiàn)場(chǎng)總線案例

   　profibus是德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)din 19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)en 50170的現(xiàn)場(chǎng)總線，也是iec標(biāo)準(zhǔn)iec
61158，并且已經(jīng)轉(zhuǎn)化為中國(guó)gb國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。由profibus-dp、profibus-pa、profibus-fms組成了profibus系列。profibus-dp、profibus-pa通信模型參照了iso/osi參考模型的第1層(物理層)和第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)；profibus-fms采用了第1層、第2層和第7層(應(yīng)用層)，第7層又分為現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范(fms，fiedldbus
message specification)和低層接口(lli，lower layer interface)，另外還增加了用戶層。如表1所示profibus通信模型。profibus提供了三種通信協(xié)議類(lèi)型。

　　profibus- dp這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚儆行?。直接?shù)據(jù)鏈路映像(ddlm，direct data link
mapper)提供了訪問(wèn)第2層的用戶接口，用戶接口規(guī)定了用戶和系統(tǒng)以及各類(lèi)設(shè)備可以調(diào)用的應(yīng)用功能，并描述了各種設(shè)備的設(shè)備行為。物理層采用rs-485傳輸技術(shù)或光纖傳輸技術(shù)。dp協(xié)議的用戶層包括dp基本功能、dp擴(kuò)展功能和dp行規(guī)

　　profibus-pa使用擴(kuò)展的profibus- dp協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，另外還規(guī)定了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的設(shè)備行規(guī)。根據(jù)iec 61158-2標(biāo)準(zhǔn)，這種傳輸技術(shù)可以確保其本質(zhì)安全，并通過(guò)設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。

   　 profibus-fms包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供通信服務(wù)。lli協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系，并向fms提供不依賴(lài)設(shè)備的對(duì)第2層的訪問(wèn)接口。第2層現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路(fdl，fieldbus data link)用于完成總線訪問(wèn)控制及保證數(shù)據(jù)的可靠性。

　　3.1 profibus-dp和profibus-fms傳輸技術(shù)

    　profibus-dp和profibus-fms采用rs-485傳輸技術(shù)。他們相同的傳輸技術(shù)和總線存取協(xié)議，可以在同一根電纜上運(yùn)行。一個(gè)總線段內(nèi)的導(dǎo)線采用屏蔽雙絞電纜，段的兩端各有一個(gè)終端器，rs-485總線段結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳輸速率可在9.6kbts-12mkbts之間選用，所選用的波特率對(duì)連接到總線上的所有的設(shè)備都適用。每段最多連接32個(gè)站，通過(guò)中繼器可以增加段數(shù)，則總線上的站最多可以連接126個(gè)。

圖1  rs-485總線段結(jié)構(gòu)

　　(1)總線連接。如圖2所示，總線站與總線之間連接采用9針d型連接器，d型連接器插座安裝在總線站內(nèi)，插頭安裝在總線電纜上，針腳分配見(jiàn)表2所示。數(shù)據(jù)線a數(shù)據(jù)線b兩端接有總線終端器，其包含一個(gè)下拉電阻(與數(shù)據(jù)基準(zhǔn)電位dgnd相連)和一個(gè)上拉電阻(與供電電壓vp相連)?？偩€上沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，即在兩個(gè)報(bào)文之間總線為空閑狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)總線終端電阻保證了在總線上有一個(gè)確定的空閑電位，兩個(gè)總線終端電阻必須始終有電源供電。

圖2  profibus-pa總線連接

    　(2) 傳輸序列。profibus-dp和profibus-fms的編碼方式為nrz碼。一個(gè)字符幀在profibus總線上為11位：1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和1個(gè)停止位。在傳輸期間，二進(jìn)制“1”對(duì)應(yīng)于rxd/txd-p線上的正電位，而在rxd/txd-n線上為負(fù)電位。各報(bào)文間空閑狀態(tài)對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制“1”。

　　3.2 profibus-pa的iec 61158-2傳輸技術(shù)

　　profibus-pa采用符合iec61158-2標(biāo)準(zhǔn)的傳輸技術(shù)，這種技術(shù)是一種同步協(xié)議，它可以確保本質(zhì)安全，并通過(guò)總線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。每段只有一個(gè)電源作為供電裝置，當(dāng)站收發(fā)信息時(shí)不對(duì)總線供電，每個(gè)站的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備消耗的是常量穩(wěn)態(tài)電流。