第一章：現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及PROFIBUS 　　1.1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的由來(lái) 　　1.1.1 CIMS體系結(jié)構(gòu)及工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層次劃分 　　根據(jù)工廠管理、生產(chǎn)過(guò)程及功能要求，CIMS體系結(jié)構(gòu)可分為5層，即工廠級(jí)、車間級(jí)、單元級(jí)、工作站級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。簡(jiǎn)化的CIMS則分為3層，即工廠級(jí)、車間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。在一個(gè)現(xiàn)代化工廠環(huán)境中，在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中，工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同樣分為這三個(gè)層次，與簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)層次相對(duì)應(yīng)。如圖1-1所示。 圖1-1：簡(jiǎn)化的CIMS網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 　1.1.2 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成是工廠自動(dòng)化及CIMS不可缺少的重要部分。 　　現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設(shè)備單機(jī)控制、連機(jī)控制、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)等功能，保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生產(chǎn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠管理層，向工廠級(jí)MIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)。同時(shí)也可接受工廠管理層下達(dá)的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 　　1.1.3 傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng) 　　傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)（包括：基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng)），其主要特點(diǎn)之一是，現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備與控制器之間的連接是一對(duì)一（一個(gè)I/O點(diǎn)對(duì)設(shè)備的一個(gè)測(cè)控點(diǎn)）所謂I/O接線方式，信號(hào)傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關(guān)量信息）信號(hào)。如圖1-2所示： 圖1-2：傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng) 　　1.1.4 系統(tǒng)主要缺點(diǎn) （1）信息集成能力不強(qiáng)： 控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號(hào)或24VDC等開關(guān)量信號(hào)，并以此監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設(shè)備參數(shù)、故障及故障紀(jì)錄等數(shù)據(jù)很難得到。底層數(shù)據(jù)不全、信息集成能力不強(qiáng)，不能完全滿足CIMS系統(tǒng)對(duì)底層數(shù)據(jù)的要求。 （2）系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強(qiáng)：除現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均靠標(biāo)準(zhǔn)4-20mA/24VDC連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能使用一家產(chǎn)品。不同廠家產(chǎn)品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統(tǒng)很少留出接口，允許其它廠商將自己專長(zhǎng)的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，面向行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)很少。 （3）可靠性不易保證：對(duì)于大范圍的分布式系統(tǒng)，大量的I/O電纜及敷設(shè)施工，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。 （4）可維護(hù)性不高：由于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備信息不全，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能不強(qiáng)。另一方面也很難完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護(hù)性。 　　1.1.5 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的串行通信接口是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的原形 　　由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，許多傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化，即內(nèi)置CPU控制器，完成諸如線性化、量程轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波甚至回路調(diào)節(jié)等功能。因此，對(duì)于這些智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備增加一個(gè)串行數(shù)據(jù)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(guī)定協(xié)議，通過(guò)串行通信方式（而不是I/O方式）完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。如果設(shè)想全部或大部分現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都具有串行通信接口并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，完成對(duì)所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控，這就是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的初始想法。 　　1.2.4 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生 　　基于以上初始想法，使用一根通信電纜，將所有具有統(tǒng)一的通信協(xié)議通信接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，這樣，在設(shè)備層傳遞的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信號(hào)，而是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字化通信，由數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)。 　　1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概念 　　1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 　　目前，公認(rèn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概念描述如下：現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過(guò)程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過(guò)程和連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程兩類。 或者，現(xiàn)場(chǎng)總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。 　　1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)產(chǎn)生的意義 （1）現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)；是一次工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備通信的數(shù)字化革命。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可使用一條通信電纜將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（智能化、帶有通信接口）連接，用數(shù)字化通信代替4-20mA/24VDC信號(hào)，完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制、監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程參數(shù)化等功能。 （2）傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用一對(duì)一連線的、4-20mA/24VDC信號(hào)，信息量有限，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的“信息孤島”，嚴(yán)重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)。 （3）基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)，使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò)， 構(gòu)成企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。在CIMS系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)總線是工廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的延伸，是支撐現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)。 　　1.2.3 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng) 　　基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)如圖1-3所示： 圖3：基于現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng) 　　1.2.4 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn) （1）增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息集成能力 現(xiàn)場(chǎng)總線可從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求?，F(xiàn)場(chǎng)總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號(hào)，還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠(yuǎn)程控制，還可完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。 （2）開放式、互操作性、互換性、可集成性 不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，就具有互操作性、互換性，因此設(shè)備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自己專長(zhǎng)的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場(chǎng)上將有許多面向行業(yè)特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)。 （3）系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對(duì)一的I/O連線，對(duì)于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，減少了由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。 （4）降低了系統(tǒng)及工程成本 對(duì)大范圍、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費(fèi)用，降低了系統(tǒng)及工程成本。 　　1.3 現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn) 　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，是要在自動(dòng)化行業(yè)中形成一個(gè)制造商們共同遵守的現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制造商們能按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)品，系統(tǒng)集成商門能按照標(biāo)準(zhǔn)將不同產(chǎn)品組成系統(tǒng)。這就提出了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。國(guó)際上著名自動(dòng)化產(chǎn)品及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生產(chǎn)廠家，意識(shí)到現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是未來(lái)發(fā)展方向，紛紛結(jié)成企業(yè)聯(lián)盟，推出自己的總線標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品，在市場(chǎng)上培養(yǎng)用戶、擴(kuò)大影響，并積極支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。能否使自己總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在未來(lái)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中占有較大比例成份，關(guān)系到該公司相關(guān)產(chǎn)品前途、用戶的信任及企業(yè)的名譽(yù)。而歷史經(jīng)驗(yàn)證明：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)都是采用一個(gè)或幾個(gè)市場(chǎng)上最成功的技術(shù)為基礎(chǔ)。因此，各大國(guó)際公司在制定現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的竟?fàn)?，體現(xiàn)了各公司在技術(shù)領(lǐng)先地位上的競(jìng)爭(zhēng)，而其最終還是要?dú)w結(jié)到市場(chǎng)實(shí)力的競(jìng)爭(zhēng)。 據(jù)說(shuō)目前國(guó)際上現(xiàn)有各種總線及總線標(biāo)準(zhǔn)不下二百多種。具有一定影響和已占有一定市場(chǎng)份額的總線有如下幾種： 　　1.3.1 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線 　　1996年3月15日批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，即DIN 50170 V.2。PROFIBUS產(chǎn)品在世界市場(chǎng)上已被普遍接受，市場(chǎng)份額占?xì)W洲首位，年增長(zhǎng)率25%。目前支持PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品超過(guò)1500多種，分別來(lái)自國(guó)際上250多個(gè)生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運(yùn)行的PROFIBUS設(shè)備已超過(guò)200萬(wàn)臺(tái)，到1998年5月，適用于過(guò)程自動(dòng)化的PROFIBUS-PA儀表設(shè)備在19個(gè)國(guó)家的40個(gè)用戶廠家投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。1985年組建了PROFIBUS國(guó)際支持中心；1989年12月建立了PROFIBUS用戶組織（PNO）。目前在世界各地相繼組建了20個(gè)地區(qū)性的用戶組織，企業(yè)會(huì)員近650家。1997年7月組建了中國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS）專業(yè)委員會(huì)，并籌建現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS產(chǎn)品演示及認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室。 PROFIBUS主要應(yīng)用領(lǐng)域有： 。制造業(yè)自動(dòng)化：汽車制造（機(jī)器人、裝配線、沖壓線等）、造紙、紡織。 。過(guò)程控制自動(dòng)化：石化、制藥、水泥、食品、啤酒。 。電力：發(fā)電、輸配電。 。樓宇：空調(diào)、風(fēng)機(jī)、照明。 。鐵路交通：信號(hào)系統(tǒng) 　　1.3.2 FF現(xiàn)場(chǎng)總線 　　1994年由ISP 基金會(huì)和World FIP（北美）兩大集團(tuán)合并成立FF基金會(huì)，其宗旨在于開發(fā)出符合IEC和ISO標(biāo)準(zhǔn)的、唯一的國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線（Fundation Fieldbus）。低速總線（H1）協(xié)議已于1996年發(fā)表。已完成開發(fā)的高速總線（H2）擬于1998年內(nèi)表。1997年5月建立了中國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）專業(yè)委員會(huì)，并籌建FF現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品認(rèn)證中心。目前，F(xiàn)F現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用領(lǐng)域以過(guò)程自動(dòng)化為主。如：化工、電力廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。 　　1.3.3 LONWORKS總線 　　LONWORKS現(xiàn)場(chǎng)總線全稱為L(zhǎng)ONWORKS NetWorks,即分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，希望推出能夠適合各種現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用場(chǎng)合的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。目前LONGWORKS應(yīng)用范圍廣泛，主要包括工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化方面。 　　1.3.4 CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線 　　CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線已由ISO/TC22技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IOS 11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO 11519（通訊速率小于125Kbps）。CANBUS主要產(chǎn)品應(yīng)用于汽車制造、公共交通車輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/O。另外在電梯、醫(yī)療器械、工具機(jī)床、樓宇自動(dòng)化等場(chǎng)合均有所應(yīng)用。 　　1.3.5 WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線 　　90～91年FIP現(xiàn)場(chǎng)總線成為法國(guó)國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)。96年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN 50170 V.3）。下一步目標(biāo)是靠近IEC標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在技術(shù)上已做好充分準(zhǔn)備。WorldFIP國(guó)際組織在北京設(shè)有辦事處，即WorldFIP中國(guó)信息中心，負(fù)責(zé)中國(guó)的技術(shù)支持。WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線采用單一總線結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，不同應(yīng)用領(lǐng)域采用不同的總線速率。過(guò)程控制采用31.25Kbit/s,制造業(yè)為1M bit/s,驅(qū)動(dòng)控制為1-2.5Mbit/s。采用總線仲裁器和優(yōu)先級(jí)來(lái)管理總線上（包括各支線）的各控制站的通信?？蛇M(jìn)行1對(duì)1、1對(duì)多點(diǎn)（組）、1對(duì)全體等多重通信方式。在應(yīng)用系統(tǒng)中，可采用雙總線結(jié)構(gòu)，其中一條總線為備用線，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。 WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線適用范圍廣泛，在過(guò)程自動(dòng)化、制造業(yè)自動(dòng)化、電力及樓宇自動(dòng)化方面都有很好的應(yīng)用。 　　1.3.6 P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線 　　P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線籌建于己于1983年。1984年推出采用多重主站現(xiàn)場(chǎng)總線的第一批產(chǎn)品。1986年通信協(xié)議中加入了多重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口產(chǎn)品。1987年P(guān)-NET標(biāo)準(zhǔn)成為開放式的完整標(biāo)準(zhǔn)，成為丹麥的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。1996年成為歐洲總線標(biāo)準(zhǔn)的一部分（EN 50170 V.1）。1997年組建國(guó)際P-NET用戶組織，現(xiàn)有企業(yè)會(huì)員近百家，總部設(shè)在丹麥的Siekeborg，并在德國(guó)、英國(guó)、葡萄牙和加拿大等地設(shè)有地區(qū)性組織分部。P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線在歐洲及北美地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，其中包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環(huán)保工程和制造業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域。 　　1.4 如何面對(duì)眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn) 　　面對(duì)國(guó)際上各種流派的現(xiàn)場(chǎng)總線及標(biāo)準(zhǔn)，為深入研究國(guó)外先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和產(chǎn)品的研究開發(fā)，形成符合我國(guó)國(guó)情的和現(xiàn)實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)體系，保護(hù)我國(guó)生產(chǎn)企業(yè)和用戶的投資效益，我國(guó)儀表標(biāo)準(zhǔn)化行業(yè)的主管單位-儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所遵循標(biāo)準(zhǔn)化工作程序，于己于1998年7月22日至多3日在北京中國(guó)科技會(huì)堂舉辦了“現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)化與中國(guó)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展”研討會(huì)。會(huì)議邀請(qǐng)了PROFIBUS、FF、WorldFIP、P-NET國(guó)際組織專家代表，介紹了國(guó)際流行現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化情況。研討會(huì)上中外專家就現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展展開了熱列討論，并提出以下見(jiàn)解與意見(jiàn)： （1） 期望IEC能盡早按預(yù)期目標(biāo)完成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制定。 （2） 按目前進(jìn)度估計(jì)，近年內(nèi)IEC很難完成預(yù)期目標(biāo)。 （3） 目前IEC提出的建議方案只限于過(guò)程自動(dòng)化，難于滿足其它應(yīng)用領(lǐng)域要求，不可能成為唯一標(biāo)準(zhǔn)，很可能形成多種標(biāo)準(zhǔn)體系共存。 （4） 在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)框架下做多種通信協(xié)議接口，可能是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的一種適宜的解決方案。 對(duì)我國(guó)發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)政策，專家和代表們認(rèn)為，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，一方面應(yīng)積極跟蹤IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展，開展我國(guó)的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)。另一方面在統(tǒng)一的IEC標(biāo)準(zhǔn)未形成之前，積極開展對(duì)其它先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)研究，特別是對(duì)已有成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋面大的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的跟蹤研究。 　　1.5 對(duì)面臨選擇的用戶談個(gè)人看法并提出建議 　　從用戶角度出發(fā)，如何面對(duì)眾多現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)作出選擇，筆者在此發(fā)表個(gè)人看法，并提出一點(diǎn)建議以供用戶參考。 （1）標(biāo)準(zhǔn)？ 從標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的歷史看，誰(shuí)的技術(shù)將成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，或在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中占有較大成份，主要取決于它在實(shí)際應(yīng)用中取得多大的成果，取決于該項(xiàng)技術(shù)及產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的占有份額。也就是說(shuō)，誰(shuí)能占有市場(chǎng)誰(shuí)將得天下。另一方面，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織根據(jù)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展現(xiàn)狀及廠商用戶對(duì)標(biāo)準(zhǔn)制定的要求，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的制定及批準(zhǔn)手續(xù)作出相應(yīng)的改變，即簡(jiǎn)化了標(biāo)準(zhǔn)的制定程序和手續(xù)，并承認(rèn)存在所謂事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，即那些在市場(chǎng)中已占有較大份額、具有很大的用戶成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如我們熟知的TCP/IP通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。 （2）選擇總線？ 在目前國(guó)際上現(xiàn)場(chǎng)總線群雄并起局面下，用戶應(yīng)從實(shí)際應(yīng)用工程特點(diǎn)出發(fā)去選擇。因?yàn)闆](méi)有一種可包羅萬(wàn)象、適合所有應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。應(yīng)著重考察這種總線在本行業(yè)中的應(yīng)用業(yè)績(jī)。如制造業(yè)自動(dòng)化、電力自動(dòng)化及過(guò)程控制自動(dòng)化三個(gè)領(lǐng)域，在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求方面就大不一樣。 （3）選擇產(chǎn)品？ 用戶應(yīng)盡量選擇國(guó)際知名度大、擁有用戶多、產(chǎn)品應(yīng)用基礎(chǔ)好的公司產(chǎn)品，因?yàn)檫@些公司的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)采納的可能性大。即使沒(méi)有被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)采納，大公司為考慮信譽(yù)，會(huì)提出原有技術(shù)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的接口，而不會(huì)置公司信譽(yù)于不顧，丟掉老客戶不管。 （4）積極跟蹤、勇于進(jìn)?。∪绻?yàn)閲?guó)際IEC還沒(méi)有統(tǒng)一現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，就不敢使用這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)是大可不必的。這將會(huì)使企業(yè)喪失一次盡早提高企業(yè)自動(dòng)化水平的機(jī)會(huì)，或喪失一次提高本企業(yè)產(chǎn)品水平的機(jī)會(huì)，從而導(dǎo)致企業(yè)在未來(lái)同行競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。國(guó)際IEC要統(tǒng)一現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)不是一朝一夕的事，坐等時(shí)機(jī)流逝為下策，只有積極跟蹤、勇敢進(jìn)取方為企業(yè)發(fā)展上策。 第二章：現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS技術(shù)要點(diǎn) 　　本章從PROFIBUS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)角度，概要說(shuō)明了PROFIBUS技術(shù)要點(diǎn)。使讀者可快速了解PROFIBUS技術(shù)概貌。 2.1 PROFIBUS概貌 （1） PROFIBUS是一種國(guó)際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。 （2） PROFIBUS由三個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA（Process Automation）、PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）。 （3） PROFIBUS-DP：是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號(hào)傳輸。 （4） PROFIBUS-PA：專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。 （5） PROFIBUS-FMS：用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。 （7） PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。 　　2.2 PRFIBUS基本特性 　　2.2.1 PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu) 　　PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國(guó)際準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Open System Interconnection—SIO）作為參考模型的。該模型共有七層，如下圖2-1所示： 圖2-1：PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu) （1） PROFIBUS-DP：定義了第一、二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說(shuō)明了各種不同PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為。 （2） PROFIBUS-FMS：定義了第一、二、七層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范（Fieldbus Message Specification-FMS）和低層接口（Lower Layer Interface—LLI）。FMS包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強(qiáng)有力的通信服務(wù)。LLI協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不依賴設(shè)備的第二層訪問(wèn)接口。 （3） PROFIBUS-PA：PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的PROFIBUS-DP協(xié)議。另外，PA還描述了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的PA行規(guī)。根據(jù)IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)，PA的傳輸技術(shù)可確保其本征安全性，而且可通過(guò)總線給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。使用連接器可在DP上擴(kuò)展PA網(wǎng)絡(luò)。 　　2.2.2 PROFIBUS傳輸技術(shù) 　　PROFIBUS提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型： · 用于DP和FMS的RS485傳輸。 · 用于PA的IEC1158-2傳輸。 · 光纖 　　2.2.2.1用于DP/FMS的RS485傳輸技術(shù) 　　由于DP與FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線訪問(wèn)協(xié)議，因而，這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時(shí)操作。 RS-485傳輸是PROFIBUS最常用的一種傳輸技術(shù)。這種技術(shù)通常稱之為H2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。 RS-485傳輸技術(shù)基本特征： · 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌壕€性總線，兩端有有源的總線終端電阻。 · 傳輸速率：9.6K bit/s～12M bit/s · 介質(zhì)：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（EMC）。 · 站點(diǎn)數(shù)：每分段32個(gè)站（不帶中繼），可多到127個(gè)站（帶中繼）。 · 插頭連接：最好使用9針D型插頭。 　　2.2.2.2 RS-485傳輸設(shè)備安裝要點(diǎn) （1） 全部設(shè)備均與總線連接。 （2） 每個(gè)分段上最多可接32個(gè)站（主站或從站）。 （3） 每段的頭和尾各有一個(gè)總線終端電阻，確保操作運(yùn)行不發(fā)生誤差。兩個(gè)總線終端電阻必須永遠(yuǎn)有電源。見(jiàn)圖2-2所示。 （4） 當(dāng)分段站超過(guò)32個(gè)時(shí)，必須使用中繼器用以連接各總線段。串聯(lián)的中繼器一般不超過(guò)3個(gè)。見(jiàn)圖2-3所 （5） 電纜最大長(zhǎng)度取決于傳輸速率。如使用A型電纜，則傳輸速率與長(zhǎng)度如下表2-1： 表2-1 （6） A型電纜參數(shù)： 阻抗：135-165W 電容：〈 30pf/m 回路電阻：110W 線規(guī)：0.64mm 導(dǎo)線面積：>0.34mmW （7） RS-485的傳輸技術(shù)的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)最好使用9針D型插頭，插頭針腳定義和接線見(jiàn)圖2-2所示。 （8） 當(dāng)連接各站時(shí)，應(yīng)確保數(shù)據(jù)線不要擰絞，系統(tǒng)在高電磁發(fā)射環(huán)境（如汽車制造業(yè)）下運(yùn)行應(yīng)使用帶屛蔽的電纜，屏蔽可提高電磁兼容性（EMC）。 （9） 如用屏蔽編織線和屏蔽箔，應(yīng)在兩端與保護(hù)接地連接，并通過(guò)盡可能的大面積屏蔽接線來(lái)復(fù)蓋，以保持良好的傳導(dǎo)性。另外建議數(shù)據(jù)線必須與高壓線隔離。 （10） 超過(guò)500Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)應(yīng)避免使用短截線段，應(yīng)使用市場(chǎng)上現(xiàn)有的插頭可使數(shù)據(jù)輸入和輸出電纜直接與插頭連接，而且總線插頭可在任何時(shí)候接通或斷開而并不中斷其它站的數(shù)據(jù)通信。 　　2.2.2.3 用于PA的IEC1158-2傳輸技術(shù) （1） 數(shù)據(jù)IEC1158-2的傳輸技術(shù)用于PROFIBUS-PA，能滿足化工和石油化工業(yè)的要求。它可保持其本征安全性，并通過(guò)總線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。 （2） IEC1158-2是一種位同步協(xié)議，通常稱為H1。 （3） IEC1158-2技術(shù)用于PROFIBUS-PA，其傳輸以下列原理為依據(jù)： · 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)，不向總線供電。 · 每站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所消耗的為常量穩(wěn)態(tài)基本電流。 · 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備其作用如同無(wú)源的電流吸收裝置。 · 主總線兩端起無(wú)源終端線作用。 · 允許使用線性、樹型和星型網(wǎng)絡(luò)。 · 為提高可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)可采用冗余的總線段。 · 為了調(diào)制的目的，假設(shè)每個(gè)總線站至少需用10mA基本電流才能使設(shè)備啟動(dòng)。通信信號(hào)的發(fā)生是通過(guò)發(fā)送設(shè)備的調(diào)制，從±9 mA到基本電流之間。 （4） IEC1158-2傳輸技術(shù)特性: · 數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)字式、位同步、曼徹斯特編碼。 · 傳輸速率：31.25K bit/s，電壓式。 · 數(shù)據(jù)可靠性：前同步信號(hào)，采用起始和終止限定符避免誤差。 · 電纜：雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式。 · 遠(yuǎn)程電源供電：可選附件，通過(guò)數(shù)據(jù)線。 · 防爆型：能進(jìn)行本征及非本征安全操作。 · 拓?fù)洌壕€型或樹型，或兩者相結(jié)合。 · 站數(shù)：每段最多32個(gè)，總數(shù)最多為126個(gè)。 · 中繼器：最多可擴(kuò)展至4臺(tái)。 　　2.2.2.4 IEC1158傳輸設(shè)備安裝要點(diǎn) （1） 分段藕合器將IEC1158-2傳輸技術(shù)總線段與RS-485傳輸技術(shù)總線段連接。藕合器使RS-485信號(hào)與IEC1158-2信號(hào)相適配。它們?yōu)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程電源供電，供電裝置可限制IEC1158-2總線的電流和電壓。 （2） PROFIBUS-PA的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆袠湫秃途€型結(jié)構(gòu)，或是兩種拓?fù)涞幕旌?，?jiàn)圖2-3 圖2-3 （3） 現(xiàn)場(chǎng)配電箱仍繼續(xù)用來(lái)連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并放置總線終端電阻器。采用樹型結(jié)構(gòu)時(shí)連在現(xiàn)場(chǎng)總線分段的全部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都并聯(lián)地接在現(xiàn)場(chǎng)配電箱上。 （4） 建議使用下列參考電纜，也可使用更粗截面導(dǎo)體的其它電纜。 · 電纜設(shè)計(jì)： 雙絞線屏蔽電纜 · 導(dǎo)線面積（額定值）： 0.8mm2（AWG18） · 回路電阻（直流）： 44W/Km · 阻抗（31.25千赫時(shí)）： 100W±20% · 39千赫時(shí)衰減： 3dB/Km · 電容不平衡度： 2nF/Km （5） 主總線電纜的兩端各有一個(gè)無(wú)源終端器，內(nèi)有串聯(lián)的RC元件，R=100W，C=1mF。當(dāng)總線站極性反向連接時(shí)，它對(duì)總線的功能不會(huì)有任何影響。 （6） 連接到一個(gè)段上的站數(shù)目最多是32個(gè)。如果使用本征安全型及總線供電，站的數(shù)量將進(jìn)一步受到限制。即使不需要本征安全性，遠(yuǎn)程供電裝置電源也要受到限制。 （7） 線路最長(zhǎng)長(zhǎng)度的確定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先計(jì)算一下電流的需要，從表2-2中選用一種供電電源單元，再根據(jù)表2-3中線的長(zhǎng)度選定哪種電纜。 表2-2標(biāo)準(zhǔn)供電裝置（操作值） （8） 外接電源：如果外接電源設(shè)備，根據(jù)EN50020標(biāo)準(zhǔn)帶有適當(dāng)?shù)母綦x裝置，將總線供電設(shè)備與外接電源設(shè)備連在本征安全總線上是允許的。 　　2.2.2.5 光纖傳輸技術(shù) （1） PROFIBUS系統(tǒng)在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，可使用光纖導(dǎo)體，以增加高速傳輸?shù)木嚯x。 （2） 可使用兩種光纖導(dǎo)體，一是價(jià)格低廉的塑料纖維導(dǎo)體，供距離小于50米情況下使用。另一種是玻璃纖維導(dǎo)體，供距離大于1公里情況下使用。 （3） 許多廠商提供專用總線插頭可將RS-485信號(hào)轉(zhuǎn)換成光纖導(dǎo)體信號(hào)或?qū)⒐饫w導(dǎo)體信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS-485信號(hào)。 　　2.2.3 PROFIBUS總線存取協(xié)議 （1） 三種PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過(guò)OSI參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報(bào)文處理。 （2） 在PROFIBUS中，第二層稱之為現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層（Fieldbus Data Link—FDL）。介質(zhì)存取控制（Medium Access Control—MAC）具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，MAC必須確保在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。 （3） PROFIBUS協(xié)議的設(shè)計(jì)要滿足介質(zhì)存取控制的兩個(gè)基本要求： · 在復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時(shí)間間隔中，任何一個(gè)站點(diǎn)要有足夠的時(shí)間來(lái)完成通信任務(wù)。 · 在復(fù)雜的程序控制器和簡(jiǎn)單的I/O設(shè)備（從站）間通信，應(yīng)盡可能快速又簡(jiǎn)單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。 因此，PROFIBUS總線存取協(xié)議，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。 （4） 令牌傳遞程序保證每個(gè)主站在一個(gè)確切規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到總線存取權(quán)（令牌）。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進(jìn)行。 （5） 主站得到總線存取令牌時(shí)可與從站通信。每個(gè)主站均可向從站發(fā)送或讀取信息。因此，可能有以下三種系統(tǒng)配置： · 純主—從系統(tǒng) · 純主—主系統(tǒng) · 混合系統(tǒng) （6） 圖2-4是一個(gè)由3個(gè)主站、7個(gè)從站構(gòu)成的PROFIBUS系統(tǒng)。3個(gè)主站之間構(gòu)成令牌邏輯環(huán)。當(dāng)某主站得到令牌報(bào)文后，該主站可在一定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行主站工作。在這段時(shí)間內(nèi)，它可依照主—從通訊關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主—主通訊關(guān)系表與所有主站通信。 圖2-4：3個(gè)主站、7個(gè)從站構(gòu)成的PROFIBUS系統(tǒng) （7） 在總線系統(tǒng)初建時(shí)，主站介質(zhì)存取控制MAC的任務(wù)是制定總線上的站點(diǎn)分配并建立邏輯環(huán)。在總線運(yùn)行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。 （8） 第二層的另一重要工作任務(wù)是保證數(shù)據(jù)的可靠性。PROFIBUS第二層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式可保證數(shù)據(jù)的高度完整性。 （9） PROFIBUS第二層按照非連接的模式操作，除提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)邏輯數(shù)據(jù)傳輸外，還提供多點(diǎn)通信，其中包括廣播及有選擇廣播功能。 　　2.3 PROFIBUS-DP 　　PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時(shí)間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。 　　2.3.1 PROFIBUS-DP的基本功能 （1） 傳輸技術(shù)：RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。 （2） 總線存取：各主站間令牌傳遞，主站與從站間為主—從傳送。支持單主或多主系統(tǒng)?？偩€上最多站點(diǎn)（主—從設(shè)備）數(shù)為126。 （3） 通信：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（控制指令）。循環(huán)主—從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主—主數(shù)據(jù)傳送。 （4） 運(yùn)行模式：運(yùn)行、清除、停止。 （5） 同步：控制指令允許輸入和輸出同步。同步模式：輸出同步；鎖定模式：輸入同步。 （6） 功能：DP主站和DP從站間的循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送。各DP從站的動(dòng)態(tài)激活和可激活。DP從站組態(tài)的檢查。強(qiáng)大的診斷功能，三級(jí)診斷信息。輸入或輸出的同步。通過(guò)總線給DP從站賦予地址。通過(guò)總線對(duì)DP主站（DPM1）進(jìn)行配置。每DP從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為246字節(jié)。 （7） 可靠性和保護(hù)機(jī)制：所有信息的傳輸按海明距離HD=4進(jìn)行。DP從站帶看門狗定時(shí)器（Watchdog Timer）。對(duì)DP從站的輸入/輸出進(jìn)行存取保護(hù)。DP主站上帶可變定時(shí)器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。 （8） 設(shè)備類型：第二類DP主站（DPM2）是可進(jìn)行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。第一類DP主站（DPM1）是中央可編程序控制器，如PLC、PC等。DP從站是帶二進(jìn)制值或模擬量輸入輸出的驅(qū)動(dòng)器、閥門等。 　　2.3.1.1 PROFIBUS-DP基本特征 （1） 速率：在一個(gè)有著32個(gè)站點(diǎn)的分布系統(tǒng)中，PROFIBUS-DP對(duì)所有站點(diǎn)傳送512 bit/s輸入和512 bit/s輸出，在12M bit/s時(shí)只需1毫秒。 （2） 診斷功能：經(jīng)過(guò)擴(kuò)展的PROFIBUS-DP診斷能能對(duì)故障進(jìn)行快速定位。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分三級(jí)： · 本站診斷操作：本站設(shè)備的一般操作狀態(tài)，如溫度過(guò)高、壓力過(guò)低。 · 模塊診斷操作：一個(gè)站點(diǎn)的某具體I/O模塊故障。 · 通道診斷操作：一個(gè)單獨(dú)輸入/輸出位的故障。 　　2.3.1.2 PROFIBUS-DP系統(tǒng)配置和設(shè)備類型 PROFIBUS-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。在同一總線上最多可連接126個(gè)站點(diǎn)。系統(tǒng)配置的描述包括：站數(shù)、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)格式、診斷信息格式及所使用的總線參數(shù)。每個(gè)PROFIBUS-DP系統(tǒng)可包括以下三種不同類型設(shè)備： （1） 一級(jí)DP主站（DPM1）：一級(jí)DP主站是中央控制器，它在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站（如DP從站）交換信息。典型的DPM1如PLC或PC。 （2） 二級(jí)DP主站（DPM2）：二級(jí)DP主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時(shí)使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。 （3） DP從站：DP從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備（I/O設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、HMI、閥門等）。 （4） 單主站系統(tǒng)：在總線系統(tǒng)的運(yùn)行階段，只有一個(gè)活動(dòng)主站。如圖2-5所示： 圖2-5：?jiǎn)沃髡鞠到y(tǒng) （2） 多主站系統(tǒng)：總線上連有多個(gè)主站。這些主站與各自從站構(gòu)成相互獨(dú)立的子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)包括一個(gè)DPM1、指定的若干從站及可能的DPM2設(shè)備。任何一個(gè)主站均可讀取DP從站的輸入/輸出映象，但只有一個(gè)DP主站允許對(duì)DP從站寫入數(shù)據(jù)。如圖2-6所示： 2.3.1.3 系統(tǒng)行為 系統(tǒng)行為主要取決于DPM1的操作狀態(tài)，這些狀態(tài)由本地或總線的配置設(shè)備所控制。主要有以下三種狀態(tài)： · 停止：在這種狀態(tài)下，DPM1和DP從站之間沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸。 · 清除：在這種狀態(tài)下，DPM1讀取DP從站的輸入信息并使輸出信息保持在故障安全狀態(tài)。 · 運(yùn)行：在這種狀態(tài)下，DPM1處于數(shù)據(jù)傳輸階段，循環(huán)數(shù)據(jù)通信時(shí)，DPM1從DP從站讀取輸入信息并向從站寫入輸出信息。 （1） DPM1設(shè)備在一個(gè)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)，以有選擇的廣播方式將其本地狀態(tài)周期性地 發(fā)送到每一個(gè)有關(guān)的DP從站。如圖2-6所示。 （2） 如果在DPM1的數(shù)據(jù)傳輸階段中發(fā)生錯(cuò)誤，DPM1將所有有關(guān)的DP從站的輸出數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)入清除狀態(tài)，而DP從站將不在發(fā)送用戶數(shù)據(jù)。在次之后，DPM1轉(zhuǎn)入清除狀態(tài)。 　　2.3.1.4 DPM1和DP從站間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸 　　DPM1和相關(guān)DP從站之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸是由DPM1按照確定的遞歸順序自動(dòng)進(jìn)行。在對(duì)總線系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)時(shí)，用戶對(duì)DP從站與DPM1的關(guān)系作出規(guī)定，確定哪些DP從站被納入信息交換的循環(huán)周期，哪些被排斥在外。 DPM1和DP從站間的數(shù)據(jù)傳送分三個(gè)階段：參數(shù)設(shè)定、組態(tài)、數(shù)據(jù)交換。在參數(shù)設(shè)定階段，每個(gè)從站將自己的實(shí)際組態(tài)數(shù)據(jù)與從DPM1接受到的組態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。只有當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)與所需的組態(tài)數(shù)據(jù)相匹配時(shí)，DP從站才進(jìn)入用戶數(shù)據(jù)傳輸階段。因此，設(shè)備類型、數(shù)據(jù)格式、長(zhǎng)度以及輸入輸出數(shù)量必須與實(shí)際組態(tài)一致。 　　2.3.1.5 DPM1和系統(tǒng)組態(tài)設(shè)備間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸 除主—從功能外，PROFIBUS-DP允許主—主之間的數(shù)據(jù)通信，這些功能使組態(tài)和診斷設(shè)備通過(guò)總線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。 　　2.3.1.6 同步和鎖定模式 　　除DPM1設(shè)備自動(dòng)執(zhí)行的用戶數(shù)據(jù)循環(huán)傳輸外，DP主站設(shè)備也可向單獨(dú)的DP從站、一組從站或全體從站同時(shí)發(fā)送控制命令。這些命令通過(guò)有選擇的廣播命令發(fā)送的。使用這一功能將打開DP從站的同步及鎖定模式，用于DP從站的事件控制同步。 主站發(fā)送同步命令后，所選的從站進(jìn)入同步模式。在這種模式中，所編址的從站輸出數(shù)據(jù)鎖定在當(dāng)前狀態(tài)下。在這之后的用戶數(shù)據(jù)傳輸周期中，從站存儲(chǔ)接收到輸出的數(shù)據(jù)，但它的輸出狀態(tài)保持不變；當(dāng)接收到下一同步命令時(shí)，所存儲(chǔ)的輸出數(shù)據(jù)才發(fā)送到外圍設(shè)備上。用戶可通過(guò)非同步命令退出同步模式。 鎖定控制命令使得編址的從站進(jìn)入鎖定模式。鎖定模式將從站的輸入數(shù)據(jù)鎖定在當(dāng)前狀態(tài)下，直到主站發(fā)送下一個(gè)鎖定命令時(shí)才可以更新。用戶可以通過(guò)非鎖定命令退出鎖定模式。 　　2.3.1.7 保護(hù)機(jī)制 　　對(duì)DP主站DPM1使用數(shù)據(jù)控制定時(shí)器對(duì)從站的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行監(jiān)視。每個(gè)從站都采用獨(dú)立的控制定時(shí)器。在規(guī)定的監(jiān)視間隔時(shí)間中，如數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生差錯(cuò)，定時(shí)器就會(huì)超時(shí)。一旦發(fā)生超時(shí)，用戶就會(huì)得到這個(gè)信息。如果錯(cuò)誤自動(dòng)反應(yīng)功能“使能”，DPM1將脫離操作狀態(tài)，并將所有關(guān)聯(lián)從站的輸出置于故障安全狀態(tài)，并進(jìn)入清除狀態(tài)。 對(duì)DP從站使用看門狗控制器檢測(cè)主站和傳輸線路故障。如果在一定的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)現(xiàn)沒(méi)有主機(jī)的數(shù)據(jù)通信，從站自動(dòng)將輸出進(jìn)入故障安全狀態(tài)。 　　2.3.2 擴(kuò)展DP功能 DP擴(kuò)展功能是對(duì)DP基本功能的補(bǔ)充，與DP基本功能兼容。 　　2.3.2.1 DPM1與DP從站間的擴(kuò)展數(shù)據(jù)通信 （1） DPM1與DP從站間非循環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸。 （2） 帶DDLM讀和DDLM寫的非循環(huán)讀/寫功能，可讀寫從站任何希望數(shù)據(jù)。 （3） 報(bào)警響應(yīng)，DP基本功能允許DP從站用診斷信息向主站自發(fā)地傳輸事件，而新增的DDLM-ALAM-ACK功能被用來(lái)直接響應(yīng)從DP從站上接收的報(bào)警數(shù)據(jù)。 （3） DPM2與從站間的非循環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸。 2.3.3 電子設(shè)備數(shù)據(jù)文件（GSD） 為了將不同廠家生產(chǎn)的PROFIBUS產(chǎn)品集成在一起，生產(chǎn)廠家必須以GSD文件（電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件）方式提供這些產(chǎn)品的功能參數(shù)（如I/O點(diǎn)數(shù)、診斷信息、波特率、時(shí)間監(jiān)視等）。標(biāo)準(zhǔn)的GSD數(shù)據(jù)將通信擴(kuò)大到操作員控制級(jí)。使用根據(jù)GSD文件所作的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中。如圖2-7所示。 [align=left] 圖2-7：基于GSD文件開放式組態(tài) GSD文件可分為三個(gè)部分： （1） 總規(guī)范：包括了生產(chǎn)廠商和設(shè)備名稱、硬件和軟件版本、波特率、監(jiān)視時(shí)間間隔、總線插頭指定信號(hào)。 （2） 與DP有關(guān)的規(guī)范：包括適用于主站的各項(xiàng)參數(shù)，如允許從站個(gè)數(shù)、上裝/下裝能力。 （3） 與DP從站有關(guān)的規(guī)范：包括了與從站有關(guān)的一切規(guī)范，如輸入/輸出通道數(shù)、類型、診斷數(shù)據(jù)等。 2.3.4 PROFIBUS—DP行規(guī) PROFIBUS—DP協(xié)議明確規(guī)定了用戶數(shù)據(jù)怎樣在總線各站之間傳遞，但用戶數(shù)據(jù)的含義是在PROFIBUS行規(guī)中具體說(shuō)明的。另外，行規(guī)還具體規(guī)定了PROFIBUS—DP如何用于應(yīng)用領(lǐng)域。使用行規(guī)可使不同廠商所生產(chǎn)的不同設(shè)備互換使用，而工廠操作人員毋須關(guān)心兩者之間的差異，因?yàn)榕c應(yīng)用有關(guān)的參數(shù)含義在行規(guī)中均作了精確的規(guī)定說(shuō)明。下面是PROFIBUS-DP行規(guī)，括弧中數(shù)字是文件編號(hào)： · NC/RC行規(guī)（3.052） · 編碼器行規(guī)（3.062） · 變速傳動(dòng)行規(guī)（3.071） · 操作員控制和過(guò)程監(jiān)視行規(guī)（HMI） 　　2.4 PROFIBUS-PA 　　PROFIBUS—PA適用于PROFIBUS的過(guò)程自動(dòng)化。PA將自動(dòng)化系統(tǒng)和過(guò)程控制系統(tǒng)與壓力、溫度和液位變送器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來(lái)，PA可用來(lái)替代4—20mA的模擬技術(shù)。PROFIBUS—PA具有如下特性： （1） 適合過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用的行規(guī)使不同廠家生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有互換性。 （2） 增加和去除總線站點(diǎn)，即使在本征安全地區(qū)也不會(huì)影響到其它站。 （3） 在過(guò)程自動(dòng)化的PROFIBUS—PA段與制造業(yè)自動(dòng)化的PROFIBUS—DP總線段之間通過(guò)藕合器連接，并使可實(shí)現(xiàn)兩段間的透明通信。 （4） 使用與IEC1158—2技術(shù)相同的雙絞線完成遠(yuǎn)程供電和數(shù)據(jù)傳送。 （5） 在潛在的爆炸危險(xiǎn)區(qū)可使用防爆型“本征安全”或“非本征安全”。 　　2.4.1 PROFIBUS—PA傳輸協(xié)議 　　PROFIBUS—PA采用PROFIBUS—DP的基本功能來(lái)傳送測(cè)量值和狀態(tài)。并用擴(kuò)展的PROFIBUS—DP功能來(lái)制訂現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)和進(jìn)行設(shè)備操作。PROFIBUS—PA第一層采用IEC1158—2技術(shù)，第二層和第一層之間的接口在DIN19245系列標(biāo)準(zhǔn)的第四部分作出了規(guī)定。 　　2.4.2 PROFIBUS—PA設(shè)備行規(guī) 　　PROFIBUS—PA行規(guī)保證了不同廠商所生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的互換性和互操作性，它是PROFIBUS—PA的一個(gè)組成部分。PA行規(guī)的任務(wù)是選用各種類型現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備真正需要通信的功能，并提供這些設(shè)備功能和設(shè)備行為的一切必要規(guī)格。 目前，PA行規(guī)已對(duì)所有通用的測(cè)量變送器和其它選擇的一些設(shè)備類型作了具體規(guī)定，這些設(shè)備如： · 測(cè)壓力、液位、溫度和流量的變送器 · 數(shù)字量輸入和輸出 · 模擬量輸入和輸出 · 閥門 · 定位器 　　2.5 PROFIBUS-FMS 　　PROFIBUS—FMS的設(shè)計(jì)旨在解決車間監(jiān)控級(jí)通信。在這一層，可編程序控制器（如PLC、PC機(jī)等）之間需要比現(xiàn)場(chǎng)層更大量的數(shù)據(jù)傳送，但通信的實(shí)時(shí)性要求低于現(xiàn)場(chǎng)層。 　　2.5.1 PROFIBUS-FMS應(yīng)用層 應(yīng)用層提供了供用戶使用的通信服務(wù)。這些服務(wù)包括訪問(wèn)變量、程序傳遞、事件控制等。PROFIBUS—FMS應(yīng)用層包括下列兩部分： · 現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范（Fieldbus Message Specification-FMS）：描述了通信對(duì)象和應(yīng)用服務(wù)。 · 低層接口（Lower Layer Interface-LLI）：FMS服務(wù)到第二層的接口。 2.5.2 PROFIBUS-FMS通信模型 PROFIBUS—FMS利用通信關(guān)系將分散的應(yīng)用過(guò)程統(tǒng)一到一個(gè)共用的過(guò)程中。在應(yīng)用過(guò)程中，可用來(lái)通信的那部分現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備稱虛擬設(shè)備VFD（Virtual field Device）。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與VFD之間設(shè)立一個(gè)通信關(guān)系表。通信關(guān)系表是VFD 通信變量的集合，如零件數(shù)、故障率、停機(jī)時(shí)間等。VFD通過(guò)通信關(guān)系表完成對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信。 　　2.5.3 通信對(duì)象與通信字典（OD） （1） FMS面向?qū)ο笸ㄐ?，它確認(rèn)5種靜態(tài)通信對(duì)象：簡(jiǎn)單變量、數(shù)組、記錄、域和事件，還確認(rèn)2種動(dòng)態(tài)通信對(duì)象：程序調(diào)用和變量表。 （2） 每個(gè)FMS設(shè)備的所有通信對(duì)象都填入對(duì)象字典（OD）。對(duì)簡(jiǎn)單設(shè)備，OD可以予定義，對(duì)復(fù)雜設(shè)備，OD可以本地或遠(yuǎn)程通過(guò)組態(tài)加到設(shè)備中去。靜態(tài)通信對(duì)象進(jìn)入靜態(tài)對(duì)象字典，動(dòng)態(tài)通信對(duì)象進(jìn)入動(dòng)態(tài)通信字典。每個(gè)對(duì)象均有一個(gè)唯一的索引，為避免非授權(quán)存取，每個(gè)通信對(duì)象可選用存取保護(hù)。 　　2.5.4 PROFIBUS-FMS服務(wù) 　　FMS服務(wù)項(xiàng)目是ISO 9506制造信息規(guī)范MMS（Manufacturing Message Specification）服務(wù)項(xiàng)目的子集。這些服務(wù)項(xiàng)目在現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用中已被優(yōu)化，而且還加上了通信對(duì)象的管理和網(wǎng)絡(luò)管理。 PROFIBUS—FMS提供大量的管理和服務(wù)，滿足了不同設(shè)備對(duì)通信提出的廣泛需求，服務(wù)項(xiàng)目的選用取決于特定的應(yīng)用，具體的應(yīng)用領(lǐng)域在FMS行規(guī)中規(guī)定。 　　2.5.5 低層接口（LLI） 　　第七層到第二層服務(wù)的映射由LLI來(lái)解決，其主要任務(wù)包括數(shù)據(jù)流控制和聯(lián)接監(jiān)視。用戶通過(guò)稱之為通信關(guān)系的邏輯通道與其他應(yīng)用過(guò)程進(jìn)行通信。FMS設(shè)備的全部通信關(guān)系都列入通信關(guān)系表CRL（Communication Relationship List）。每個(gè)通信關(guān)系通過(guò)通信索引（CREF）來(lái)查找，CRL中包含了CREF和第二層及LLI地址間的關(guān)系。 　　2.5.6 網(wǎng)絡(luò)管理 　　FMS還提供網(wǎng)絡(luò)管理功能，有由現(xiàn)場(chǎng)總線管理層第七層來(lái)實(shí)現(xiàn)。其主要功能有：上、下關(guān)系管理、配置管理、故障管理等。 　　2.5.7 PROFIBUS-FMS行規(guī) 　　FMS提供了范圍廣泛的功能來(lái)保證它的普遍應(yīng)用。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，具體需要的功能范圍必須與具體應(yīng)用要求相適應(yīng)。設(shè)備的功能必須結(jié)合應(yīng)用來(lái)定義。這些適應(yīng)性定義稱之為行規(guī)。行規(guī)提供了設(shè)備的可互換性，保證不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備具有相同的通信功能。FMS對(duì)行規(guī)做了如下規(guī)定（括號(hào)中的數(shù)字是文件編號(hào)）： · 控制間的通信（3.002） · 摟宇自動(dòng)化（3.011） · 低壓開關(guān)設(shè)備（3.032） 　　2.6 PROFIBUS特點(diǎn)綜述 　　與其它現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩(wěn)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性。目前已應(yīng)用的領(lǐng)域包括加工制造、過(guò)程控制和樓宇自動(dòng)化等。PROFIBUS開放性和不依賴于廠商的通信的設(shè)想，已在10多萬(wàn)成功應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)。市場(chǎng)調(diào)查確認(rèn)，在德國(guó)和歐洲市場(chǎng)中PROFIBUS占開放性工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的市場(chǎng)份額超過(guò)40%。 PROFIBUS有國(guó)際著名自動(dòng)化技術(shù)裝備的生產(chǎn)廠商支持，它們都具有各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并能提供廣泛的優(yōu)質(zhì)新產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。[/align]