1引言
　　隨著計算機、控制、通信和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)場總線在20世紀(jì)80年代中期逐漸發(fā)展起來。現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場測量與控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多節(jié)點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS是過程現(xiàn)場總線（ProcessField Bus）的縮寫。德國科學(xué)技術(shù)部總結(jié)了20世紀(jì)80年代德國工業(yè)界自動控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗，為了適應(yīng)分散控制系統(tǒng)的發(fā)展要求，對各公司自己定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議加以規(guī)范化、公開化，使得不同廠家生產(chǎn)的自動控制設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)通信級互相兼容、遵守同一協(xié)議，以利于提高工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化水平，于1987年列為德國國家項目，由13家大公司（如SIEMENS、ABB、AEG等）及5家研究所經(jīng)過2 a多的時間完成。1991年，PROFIBUS成為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245,1996年6月成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10170,1999年加入IEC 61158協(xié)議。PROFIBUS已成為應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線之一，廣泛應(yīng)用于加工制造、過程和樓宇自動化等領(lǐng)域。
　　2PROFIBUS現(xiàn)場總線
　　2.1PROFIBUS系列
　　PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點分為PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA 3個兼容版本。
　　a.  PROFIBUS-DP以DIN 19245的第一部分為基礎(chǔ)，經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價通信網(wǎng)絡(luò)，適用于自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間通信。在設(shè)備級，中央控制器（如PLC、PC）通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備（如I/O、傳感器、閥門、執(zhí)行器等）進(jìn)行通信。DP一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)，主從站之間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳送方式工作，最高通信速率可達(dá)12 Mbit/s。
　　b. PROFIBUS-FMS完成車間級通用性通信任務(wù)，提供大量的通信服務(wù)，實現(xiàn)周期性和非周期性通信。目前，PROFIBUS-FMS的作用正在為高速工業(yè)以太網(wǎng)HSE(High Speed Ethernet)代替。
　　c. PROFIBUS-PA專為過程自動化設(shè)計,用于本質(zhì)安全和現(xiàn)場供電的場合。
　　2.2PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)和傳輸技術(shù)
　　PROFIBUS協(xié)議根據(jù)ISO 74898國際標(biāo)準(zhǔn)，以開放系統(tǒng)互連ISO/OSI為參考模型。協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示。協(xié)議定義了第1層（物理層）、第2層（數(shù)據(jù)鏈路層）和第7層（應(yīng)用層）。沒有使用第3層至第6層，這樣可以減少通信開支，增加效率。
　　2.2.1PROFIBUS的物理層
　　現(xiàn)場總線的物理層規(guī)定了總線介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、傳輸距離、傳輸速率、站點數(shù)以及總線接口。它提供有關(guān)同步和比特流在物理媒體上的傳輸手段。PROFIBUS提供3種傳輸技術(shù)。
　　a. DP和FMS的RS  485傳輸基本特點見表1。
　　b. PA的IEC 1158-2傳輸基本特點見表2。
　　c.  在電磁干擾很大的環(huán)境下，可以使用光纖導(dǎo)體提高傳輸距離和傳輸速度。許多廠商提供專用的總線插頭可將RS 485信號和光纖信號互相轉(zhuǎn)換。
　　2.2.2PROFIBUS的數(shù)據(jù)鏈路層

　　數(shù)據(jù)鏈路層主要實現(xiàn)介質(zhì)存取控制MAC和數(shù)據(jù)通信服務(wù)功能。MAC保證令牌的按序傳遞，在任意時刻總線上只有一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，避免信息的碰撞延時。數(shù)據(jù)通信服務(wù)提供點對點，點對多點和廣播通信功能，所有電文海明距離等于4，保證數(shù)據(jù)的完整性。
　　2.2.3PROFIBUS的應(yīng)用層
　　在DP和PA中沒有應(yīng)用層，只有復(fù)雜場合使用的FMS中有應(yīng)用層。應(yīng)用層由低層接口LLI和現(xiàn)場總線信息規(guī)范FMS 2部分組成，F(xiàn)MS描述通信對象，提供應(yīng)用服務(wù)；LLI主要實現(xiàn)將FMS的服務(wù)映射到數(shù)據(jù)鏈路層，通信連接的建立、監(jiān)視和釋放以及數(shù)據(jù)流控制。
　　3PROFIBUS在控制領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢
　　3.1總線存取協(xié)議——實時性
　　PROFIBUS主站之間采用令牌傳遞方式，主站和從站之間采用主從方式。令牌傳遞程序保證每個主站在確定的時間片內(nèi)得到總線訪問權(quán)限，主站得到令牌以后，根據(jù)主從關(guān)系表向從站發(fā)送和索取數(shù)據(jù)信息。這種介質(zhì)存取方式確?？刂葡到y(tǒng)需要的實時性。例如，主頻200 MHz的CPU，300個I/O點的掃描周期小于50 ms。
　　3.2系統(tǒng)配置靈活
　　可根據(jù)應(yīng)用對象的控制要求，靈活選擇純主—從系統(tǒng)、純主—主系統(tǒng)或多主多從的混合系統(tǒng)。3種系列的PROFIBUS容易集成在一起，DP和FMS使用了同樣的傳輸技術(shù)和總線存取協(xié)議，因而這2套系統(tǒng)可在一根雙絞線上同時操作；PA和DP之間使用分段耦合器能方便地集成在一起。
　　3.3PROFIBUS-PA本質(zhì)安全特性
　　PROFIBUS-PA支持總線供電。在一條雙絞線上即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和向現(xiàn)場設(shè)備供電?？偩€的操作電源來自單一供電裝置，不再需要絕緣裝置和隔離裝置，即使在潛在的爆炸區(qū)維修、斷開、接通現(xiàn)場設(shè)備也不會影響總線上的其它節(jié)點。
　　3.4PROFIBUS協(xié)議硬件實現(xiàn)方便
　　理論上，PROFIBUS協(xié)議可在任何帶有通用異步收發(fā)器UART的微處理器上實現(xiàn)。但當(dāng)傳輸速率高于500 Kbit/s時，最好采用專門的PROFIBUS協(xié)議芯片實現(xiàn)，提供PROFIBUS協(xié)議芯片的廠家有IAM、Motorola、SIEMENS、Delta、SMAR等。PROFIBUS協(xié)議控制器的3種實現(xiàn)形式如圖2所示。

　　4PROFIBUS在開放控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
　　現(xiàn)場總線是低帶寬的底層控制網(wǎng)絡(luò)，又稱為Infranet，可與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Intranet，因特網(wǎng)Internet相連。由PROFIBUS構(gòu)成的開放控制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　4.1現(xiàn)場信號處理層
　　通過PROFIBUS-DP連接生產(chǎn)現(xiàn)場的變送器、執(zhí)行器、閥門和各種I/O處理模塊。各個I/O處理模塊既可以與中央處理單元、電源等安裝在機柜內(nèi)，也可以分散安裝在現(xiàn)場的信號箱內(nèi)以便節(jié)省信號電纜、減少施工費用?，F(xiàn)場信號處理層完成與現(xiàn)場信號的連接，對輸入信號進(jìn)行采集與轉(zhuǎn)換、對輸出信號進(jìn)行限幅等?，F(xiàn)場智能模塊具有看門狗定時、多級隔離、自動診斷、輸出反饋以及系統(tǒng)故障時輸出切換到安全狀態(tài)等功能。
　　4.2控制層
　　系統(tǒng)控制層由多臺現(xiàn)場控制站組成?？刂普居芍醒胩幚韱卧㈦娫聪到y(tǒng)和現(xiàn)場總線連接的現(xiàn)場處理單元組成。系統(tǒng)控制層主要完成各種信號的綜合處理（物理轉(zhuǎn)換、報警檢查等）、回路的計算和處理、邏輯回路的處理、先進(jìn)控制算法的執(zhí)行等。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)表現(xiàn)出越來越多的優(yōu)越性，如無硬盤，不需風(fēng)扇，抗震動，耐高溫，體積小，功耗低，軟硬件可裁減，可靠性高，實時性強，適應(yīng)惡劣環(huán)境等?，F(xiàn)場控制站逐漸采用嵌入式軟硬件實現(xiàn)。目前市場上出現(xiàn)許多嵌入式產(chǎn)品，如嵌入式控制器PC/104和各種PC-Based設(shè)備以及各種嵌入式操作系統(tǒng)，如bbbbbbs CE、QNX、VxWorks等。
　　4.3系統(tǒng)操作層
　　系統(tǒng)操作層通過100 Mbit/s的冗余以太網(wǎng)連接工程師站，操作員站和冗余服務(wù)器。操作員站和工程師站運行bbbbbbs NT4.0 workstation或以上版本的操作系統(tǒng)和監(jiān)控組態(tài)軟件，服務(wù)器運行bbbbbbs NT4.0 Server或以上版本的操作系統(tǒng)。工程師站主要完成數(shù)據(jù)庫、圖形、控制算法、報表的組態(tài)和事故追憶、變量定義等參數(shù)配置組態(tài)及組態(tài)數(shù)據(jù)的下載，并完成在線運行監(jiān)視和管理等功能。操作員站主要完成操作和監(jiān)視功能，包括接受來自操作員的鍵盤、鼠標(biāo)輸入，進(jìn)行畫面顯示切換，修改系統(tǒng)的運行參數(shù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)的人工干預(yù)，如在線參數(shù)修改、控制調(diào)節(jié)等。服務(wù)器是系統(tǒng)處理的中心，它完成數(shù)據(jù)的采集和管理，如數(shù)據(jù)庫的管理和維護，操作員站的數(shù)據(jù)申請和傳送，系統(tǒng)級設(shè)備的管理，打印任務(wù)的管理和打印機切換，報警、日志等各種表格的管理。
　　4.4企業(yè)管理層
　　系統(tǒng)操作層通過網(wǎng)關(guān)連接到企業(yè)管理層。企業(yè)管理層通過大型Client/Server結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與目前流行的ERP企業(yè)資源計劃軟件可構(gòu)成資源供應(yīng)、計劃生產(chǎn)和產(chǎn)品銷售綜合管理系統(tǒng)。
　　5結(jié)論
　　目前流行的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)有很多種，如FF、Lonworks、CAN、WorldFIP和HART等。由于各種現(xiàn)場總線技術(shù)特點、適用場合不同，再加上各公司和企業(yè)集團受自身商業(yè)利益的驅(qū)使，可以預(yù)計在以后相當(dāng)長的時間內(nèi)會出現(xiàn)各種現(xiàn)場總線并存的情況。各種總線技術(shù)相互融合，在工程實踐中合理搭配是目前現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用的一個顯著特點。PROFIBUS現(xiàn)場總線是開放的、功能完善的國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一。PROFIBUS協(xié)議芯片實現(xiàn)簡單、價格低廉、易于推廣，并得到世界上大多數(shù)有影響力的自控設(shè)備供應(yīng)商的支持。這些特點使它在短短幾年內(nèi)在化工、冶金、機械加工、電力和其它自動控制領(lǐng)域得到迅速推廣和應(yīng)用。因而PROFIBUS是一種很有前途的現(xiàn)場總線。
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