[連載]現場總線（PROFIBUS）技術簡介（一）

第一章：現場總線技術及PROFIBUS

關鍵詞：現場總線技術、PROFIBUS

1.1 現場總線技術的由來

1.1.1 CIMS體系結構及工業數據結構的層次劃分

根據工廠管理、生產過程及功能要求，CIMS體系結構可分為5層，即工廠級、車間級、單元級、工作站級和現場級。簡化的CIMS則分為3層，即工廠級、車間級和現場級。在一個現代化工廠環境中，在大規模的工業生產過程控制中，工業數據結構同樣分為這三個層次，與簡化的網絡層次相對應。如圖1-1所示。

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圖1-1：簡化的CIMS網絡體系結構

1.1.2 現場級與車間級自動化監控及信息集成是工廠自動化及CIMS不可缺少的重要部分。

現場級與車間級自動化監控及信息集成系統主要完成底層設備單機控制、連機控制、通信連網、在線設備狀態監測及現場設備運行、生產數據的采集、存儲、統計等功能，保證現場設備高質量完成生產任務，并將現場設備生產及運行數據信息傳送到工廠管理層，向工廠級MIS系統數據庫提供數據。同時也可接受工廠管理層下達的生產管理及調度命令并執行之。因此，現場級與車間級監控及信息集成系統是實現工廠自動化及CIMS系統的基礎。

1.1.3 傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統

傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統（包括：基于PC、PLC、DCS產品的分布式控制系統），其主要特點之一是，現場層設備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設備的一個測控點）所謂I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關量信息）信號。如圖1-2所示：

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圖1-2：傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統

1.1.4 系統主要缺點

（1）信息集成能力不強： 控制器與現場設備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號或24VDC等開關量信號，并以此監控現場設備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數據如設備參數、故障及故障紀錄等數據很難得到。底層數據不全、信息集成能力不強，不能完全滿足CIMS系統對底層數據的要求。

（2）系統不開放、可集成性差、專業性不強：除現場設備均靠標準4-20mA/24VDC連接，系統其它軟、硬件通常只能使用一家產品。不同廠家產品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統很少留出接口，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去，因此，面向行業的監控系統很少。

（3）可靠性不易保證：對于大范圍的分布式系統，大量的I/O電纜及敷設施工，不僅增加成本，也增加了系統的不可靠性。

（4）可維護性不高：由于現場級設備信息不全，現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能不強。另一方面也很難完成現場設備的遠程參數設定、修改等參數化功能，影響了系統的可維護性。

1.1.5 現場設備的串行通信接口是現場總線技術的原形

由于大規模集成電路的發展，許多傳感器、執行機構、驅動裝置等現場設備智能化，即內置CPU控制器，完成諸如線性化、量程轉換、數字濾波甚至回路調節等功能。因此，對于這些智能現場設備增加一個串行數據接口（如RS-232/485）是非常方便的。有了這樣的接口，控制器就可以按其規定協議，通過串行通信方式（而不是I/O方式）完成對現場設備的監控。如果設想全部或大部分現場設備都具有串行通信接口并具有統一的通信協議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現場設備連接，完成對所有現場設備的監控，這就是現場總線技術的初始想法。

1.1.6 現場總線技術的產生

基于以上初始想法，使用一根通信電纜，將所有具有統一的通信協議通信接口的現場設備連接，這樣，在設備層傳遞的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信號，而是基于現場總線的數字化通信，由數字化通信網絡構成現場級與車間級自動化監控及信息集成系統。