Profibus現(xiàn)場總線設計概要

1 引言

　　采用fcs(總線控制系統(tǒng))的企業(yè)用于生產管理的局域網能夠與用于自動控制的現(xiàn)場總線網絡緊密銜接?，F(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備互連的實時控制通訊網絡，遵循iso/osi開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議。fcs 則是用開放的現(xiàn)場總線控制通訊網絡將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備互連的實時網絡控制系統(tǒng)。

2 現(xiàn)場總線概要　

　它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設備中完成，僅靠現(xiàn)場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。現(xiàn)場總線設備能處理各種參數(shù)、運行狀態(tài)信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至網絡故障的情況下獨立工作，大大提高了整個控制系統(tǒng)的可靠性和容錯能力。

　 由于現(xiàn)場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已構成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結構，不再需要一個中央控制計算機，實現(xiàn)真正的分布式控制。從根本上改變了現(xiàn)有dcs集中與分散相結合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結構，提高了可靠性。

　　工作在現(xiàn)場設備前端，作為工廠網絡底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。

　 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)每個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大配線架。而在fcs系統(tǒng)中多臺現(xiàn)場設備可串行連接在一條總線上，這樣只需極少的線進入中央控制室，大量節(jié)省了布線費用，同時也降低了中央控制室的造價。由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設備前端的智能設備能直接執(zhí)行多種傳感、控制等，也不再需要dcs系統(tǒng)的信號調理、轉換、隔離技術等功能單元及其復雜接線，用工控pc機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。

　由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結構的簡化，使控制系統(tǒng)的設計、安裝、投運到正常生產運行及其檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

3 現(xiàn)場總線案例

　profibus是德國國家標準din 19245和歐洲標準en 50170的現(xiàn)場總線，也是iec標準iec
61158，并且已經轉化為中國gb國家標準。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(應用層)，第7層又分為現(xiàn)場總線報文規(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)議類型。

　　profibus- dp這種精簡的結構確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚儆行АＶ苯訑?shù)據(jù)鏈路映像(ddlm，direct data link
mapper)提供了訪問第2層的用戶接口，用戶接口規(guī)定了用戶和系統(tǒng)以及各類設備可以調用的應用功能，并描述了各種設備的設備行為。物理層采用rs-485傳輸技術或光纖傳輸技術。dp協(xié)議的用戶層包括dp基本功能、dp擴展功能和dp行規(guī)

　　profibus-pa使用擴展的profibus- dp協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，另外還規(guī)定了現(xiàn)場設備的設備行規(guī)。根據(jù)iec 61158-2標準，這種傳輸技術可以確保其本質安全，并通過設備對現(xiàn)場設備供電。

　 profibus-fms包括了應用協(xié)議并向用戶提供通信服務。lli協(xié)調不同的通信關系，并向fms提供不依賴設備的對第2層的訪問接口。第2層現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路(fdl，fieldbus data link)用于完成總線訪問控制及保證數(shù)據(jù)的可靠性。

　　3.1 profibus-dp和profibus-fms傳輸技術

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

圖1 rs-485總線段結構

　　(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，插頭安裝在總線電纜上，針腳分配見表2所示。數(shù)據(jù)線a數(shù)據(jù)線b兩端接有總線終端器，其包含一個下拉電阻(與數(shù)據(jù)基準電位dgnd相連)和一個上拉電阻(與供電電壓vp相連)?？偩€上沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，即在兩個報文之間總線為空閑狀態(tài)時，兩個總線終端電阻保證了在總線上有一個確定的空閑電位，兩個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。一個字符幀在profibus總線上為11位：1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個奇偶校驗位和1個停止位。在傳輸期間，二進制“1”對應于rxd/txd-p線上的正電位，而在rxd/txd-n線上為負電位。各報文間空閑狀態(tài)對應于二進制“1”。

　　3.2 profibus-pa的iec 61158-2傳輸技術

　　profibus-pa采用符合iec61158-2標準的傳輸技術，這種技術是一種同步協(xié)議，它可以確保本質安全，并通過總線對現(xiàn)場設備供電。每段只有一個電源作為供電裝置，當站收發(fā)信息時不對總線供電，每個站的現(xiàn)場設備消耗的是常量穩(wěn)態(tài)電流。