ROFIBUS现场总线技术在FMS中的应用研究

张卫星

（苏州工业职业技术学院，江苏 苏州 215104）

1 PROFIBUS概述

PROFIBUS是Process Fieldbus的缩写，是由德国西门子公司提出的一种现场总线标准，现在已成为了一种国际性的开放式现场总线标准,即EN50-170欧洲标准。目前世界上许多自动化技术生产厂家都为它们生产的设备提供PROFIBUS接口。PROFIBUS已经广泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化，应用范围非常广泛。PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS—DP，PROFIBUS—PA，PROFIBUS—FMS。 PROFIBUS为多主从结构，可方便的构成集中式、集散式和分布式控制系统，针对不同的控制场合，它分为3个系列。

（1）PROFIBUS-DP。PROFIBUS-DP用于传感器和执行器级的高速数据传输，一般构成单主站系统，也支持多主站系统，可用于设备及控制系统和分散式I/O的通信，主要应用于制造业自动化系统中的过程控制级和设备级通信。

（2）PROFIBUS-PA。对安全性要求较高的场合。将自动化系统和过程控制系统与现场设备连接起来，提高系统的功能和安全可靠性。

（3）PROFIBUS-FMS。主要解决车间一级通用型通信任务，它主要考虑的是系统的功能，而不是相应时间，应用过程通常是随机的信息交换。

PROFIBUS基本性能:PROFIBUS是主从通信和令牌通信的结合。该系统分为主站和从站。主站和从站之间靠主站的查询和从站的响应进行通信。主站和主站之间靠得到总线控制权(令牌)进行通信。

2 PROFIBUS-DP协议结构和系统配置

图1 PROFIBUS-DP协议结构图

（1）PROFIBUS-DP协议结构。PROFIBUS-DP是PROFIBUS现场总线系列中应用最为广泛的一种，用于设备层的高速数据传送。根据ISO/OSI开放系统互连模型标准，PROFIBUS-DP协议结构定义了第一、第二层和用户接口，第三到七层未加描述，高层的协议用户接口层和直接数据链接映射层（DDLM）两个子层来实现，在底层，传输物理介质的访问由现场数据链路层（FDL）协议来实现。FDL描述了主动站点或被动站点都可以连接到一个网络上，一个令牌在主动站点之间循环，形成一个逻辑环，令牌授予站点访问网络的权限。被动站点不能够获取令牌，只能响应主动站点发过来的请求。PROFIBUS-DP协议结构图如图1所示。

PROFIBUS-DP协议是基于主－从原则的：每个主站初始化后，都进入周期性的数据交换阶段，然后主站有规律的轮询它的从站。PROFIBUS总线存取协议包括主站之间采用令牌传送方式，主站和从站之间采用主从方式，如图2所示。因此通过这种方式有可能实现3中系统配置：主—从系统，主—主系统，混合系统。

图2 PROFIBUS总线存取协议

（2）PROFIBUS-DP的系统构成和配置。在同一条总线上最多可连接126个设备（主站或从站），每个DP系统由不同类型的设备组成，这些设备分为3类：①DP主站（1类）：典型的1类主站设备有PLC或PC等，它在确定的周期内与分散的从站循环地交换数据。②DP主站（2类）：2类DP主站是编程器、组态设备或操作面板。主要用于系统维护和诊断等。③DP从站：是进行I/O信息采集和发送的外围设备。

单主站系统：总线系统运行时只有一个主站在总线上活动，主站是中央控制部件，从站通过传输介质分散地与主站连接，单主站系统可实现最短的总线循环时间。

多主站系统：总线上可连接若干个主站，任何一个主站都可以读取从站的输入输出映像。

3 PROFIBUS在FMS中的应用方案

当前，企业信息化正在全面展开，上层网络技术越来越先进，相比之下，处于制造底层或工业现场的网络却没有得到相应的改进和提高，这种滞后使得企业设备单元层之间的信息通信成为企业信息化的“孤岛”。

现场总线技术是一种工业现场网络通信技术，它的出现和迅速发展为解决FMS发展中出现的上述问题提供了很好的解决方案。传统的FMS中，系统单元层与设备层之间的实时信息传递主要采用RS232、拍接口方式、制造自动化协议MAP(Manufacturing Automation Protocol)网络方式或集散控制系统DCS(Distributed Control System)方式。相对于目前先进的高速FMS而言，前几种方式的采集传输速度太低、开放性不够等缺点，已经无法满足要求。而且随着微电子技术的发展特别是微控芯片的不断诞生并应用到工业生产中，相继出现了许多智能设备，这些智能设备不是传统的单功能的现场仪表，而是具有综合功能的智能仪表。这些智能设备的使用，使得FMS控制结构开始从集中控制向分布式控制模式发展，而现场总线技术正是顺应这一潮流的主要技术。

在FMS运行时，单元层与设备层之间的实时通信是整个系统高效、有序工作的关键，由于现场信息量大，能否及时准确地获取生产过程中的信息对上位机来说至关重要。

我们通过PROFIBUS现场总线技术来解决FMS中的实时通信问题，下图为FMS通信网络系统如图3所示。

图3 FMS通信网络系统

该系统采用设备层、过程控制层和管理层三级通信结构。设备层包括加工中心和数控机床的CNC系统、工业机器人控制柜、输送小车控制器、以及各类物料库的控制系统，主要负责对设备进行实时控制、信息采集和信息反馈。过程控制层由主控计算机、和工业组态软件组成，负责各单元的作业计划的制定、系统状态的监控等，管理层的主要任务是为编制生产计划、分配作业任务、系统的调度以及CNC代码传输等。该系统通信结构的特点是：层次分明，上层向下层下达得命令，下层向上层反馈命令执行状态，同层次各站点之间的协调由上层来完成。

在上级网络通信中，采用的是工业以太网通信实现，实现数据的传输、管理，指令的传达、沟通，资源的配置、共享，站点的监控等。中央控制计算机使用西门子公司的CP5611通信卡（型号为6GK1561-1AA00），直接插在PCI插槽中，由工业以太网交换机（型号为SCALANCE X-108）将其接入到网络中，该工业以太网交换机能够提供100Mbps的网络速度。该中央控制计算机不但可通过以太网与工作站计算机进行数据交换、状态监控等，还可通过西门子的以太网通讯模块（如CP343-1或CP243-1）与可编程控制器进行底层的数据采集和网络的拓展。在该系统中，管理层可通过以太网能够将生产任务、生产调度、数控程序以及PLC程序等信息传递给过程控制层。这种控制方式具有简单、可维护性和低成本等优点。

在底层的通信中，选用PROFIBUS现场总线通讯，实现站点与站点的通讯，令牌的传递和移交等。在该系统中采用单主站系统，以主控制器西门子可编程控制器S7-314C-2 DP作为一类主站，它本身带有总线接口，其他的PLC作为从站，主站把信号发送到PROFIBUS总线上，可对从站PLC进行数据传输以及分散式I/O设备进行控制。

使用PROFIBUS系统，必须对系统及各站点进行配置和参数化工作，我们用SIMATCI S7编程软件来对网络进行配置，系统需要在STEP-7环境下对网络进行组态，并编写系统控制的PLC程序。图4为本系统主站S7-300PLC的硬件组态图，系统为一类单主站系统，连接到PROFIBUS网络上的站点按照地址顺序组成一个逻辑拓扑环，主站获得令牌后便可对从站进行发送或读取数据的操作。

图4 主站硬件组态图

图5 PROFIBUS网络组态图

当主站硬件组态后，就可对系统进行PROFIBUS网络进行组态，网络中的各种参数在组态时完成，PROFIBUS网络中数据的传输通过调用系统功能块来实现，则在PROFIBUS网络中，主站PLC的程序对从站的控制就非常方便。PROFIBUS网络组态图如图5所示。

整个系统全部实现全数字化操作控制，通过PROFIBUS现场总线通讯完成，简化了系统结构，提高系统的抗干扰能力。整个系统采用PROFIBUS现场总线控制技术，系统全部控制功能的实现都由现场总线通讯完成。只靠一条通讯电缆传输。系统中不再有整束电缆，也省去了成千上万个线路接点。大大提高系统的可靠性，节约了控制电缆。同时实现了从操作到控制的全数字化。彻底杜绝了现场干扰对控制系统运行的影响。

4 结语

现场总线PROFIBUS具有信息传输具有实时性强、信息交换频繁的特点，要求系统网络有较高的安全和容错功能。现场总线PROFIBUS是一种高速廉价、安全成熟的通信模块，适用于离散型自动化控制领域，是设备级控制和分散控制的理想选择。该FMS系统借助于Profibus现场总线，实现各控制单.元相互间联结，有效地减少了控制线路，简化了系统控制结构。采用现场总线保证了系统的技术先进性和普及性。而且现场总线易于扩展升级，为系统的进一步提升提供了足够的空间。

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