基于Profibus的现场控制系统研究

张文杰

摘 要：20世纪80年代末、90年代初，现场总线在国际上发展形成，主要用于自动化领域的现场智能设备互联通讯。随着工业的进一步发展，自动化技术的水平也日渐提高。现场总线（Fieldbus）作为计算机技术、通信技术、仪表技术以及控制技术高度集成与综合的产物，已经成为当今自动化领域技术发展的热点之一，其主要功能便是解决现场设备间的通信以及信息传递。现如今，国际上已经开发出数十种现场总线技术。其中由西门子开发的过程现场总线Profibus（Process Field Bus）现场总线技术，于1989年已成为现场总线的国际标准，它是一种开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，在多种自动化领域中均占据主导地位。

关键词：自动化；总线Profibus；研究

前言

西门子公司开发的Profibus，是用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。虽然现在西门子已经开始大力推广旗下的工业以太网Profinet产品，但Profibus在市场上依旧占据着一席之地。文章通过对现场总线Profibus的研究探讨，进一步了解其特点和发展趋势，为设计和调试人员对Profibus的使用作一些参考。

1 现场总线的特征

近年来，工业的迅猛发展，使得现场总线成为了一种认可度高、广为使用的工业数据总线。它的主要任务是对工业现场的各种控制装置、执行装置和智能化仪表进行数据的通信以及设备与上一级控制系统的数据通信。如今的现场总线，已经具备了以下特征：（1）全数字化通信；（2）开放型的互联网络；（3）互可操作性与互用性；（4）现场设备的智能化；（5）系统结构的高度分散性；（6）对现场环境的适应性。由于现场总线具有上述一系列优点，使得它在国际上广受欢迎。

2 现场总线的分类

现在国际上已经开发出了数十种现场总线，按其传输数据的大小可分为三类：传感器总线，属于位传输；设备总线，属于字节传输；现场总线，属于数据流传输。由西门子公司开发的Profibus现场总线是以传输数据流为基础，它是基于RS485通信协议开发的一种现场通讯方式。RS485传输采用屏蔽双绞线电缆，段的终端各有一个终端器。传输速率从9.6kbps-12Mbps，所选用的波特率适用于连接到总线上的所有设备[1]。与其他现场总线相比，Profibus的最大优点是以稳定的国际标准EN50710作为保障，并且经过实际应用验证，具有普遍性。而与Profinet相比，Profibus的工作原理是依靠差分信号传输数据的，由于两者在通信介质上完全不同（Profibus基于RS485串行总线，Profinet基于工业以太网）[2]，Profibus也继承了RS485的缺点，即易受环境干扰，受限于最大传输速率，使得实时性没有高速传输数据的Profinet好。但是对于一般情况下，对工作条件要求不高的工业设备来说，Profibus所提供的工作环境已经足够使用。

3 Profibus的组成

Profibus由三个兼容部分组成，即Profibus-DP（Decentralized Periphery），Profibus-PA（Process Automation），Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification），其中（1）Profibus-DP用于现场层的高速数据传输；（2）Profibus-PA适用于Profibus过程自动化；（3）Profibus-FMS旨在解决车间监控级通信任务，提供大量的通信服务，但是现在已很少使用。

4 以Profibus作为现场总线的网络架构的分类

以Profibus作为现场总线，其网络架构可分为：（1）一类主站，包括PLC、PC，还有支持主站功能的通讯处理器；（2）Profibus从站，包括各类分布式I/O，支持Profibus-DP接口的传动装置，支持从站功能的通讯处理器，还有其他可支持的输入输出、智能设备；（3）Profibus网络部件包括通信介质，如电缆，总线部件：中继器、总线连接器等；（4）人机界面设备（二类主站），由通讯处理器连接到网络计算机及编程设备，或者各种诊断工具及网络配置等。

5 Profibus-DP在其网络内的任务

Profibus-DP在其网络内可分为DP主站和DP从站。

DP主站的主要任务有：（1）启动DP主站的时候初始化主站系统，通过读取其中的诊断数据，检查从站是否准备就绪，并且检查主站是否已经组态正确，配置了该从站，然后配置从站；（2）检查从站组态与主站组态是否相一致，如果一致的话，则开始与从站进行循环数据传输，否则通过读取診断信息，报告其中的错误信息；（3）与DP从站循环数据传输；（4）对DP从站进行监控测试；（5）采样收集站内的诊断信息；（6）处理作业请求，包括其中的输入输出同步控制，DP主站的起停控制等；（7）读取其他类主站的共享输入输出数据；（8）若DP主站出现停止或有故障时，使得DP系统进入安全状态。

DP从站的主要任务有：（1）接收由主站传输的组态参数和配置参数，以及来自主站的过程数据；（2）为DP主站提供过程数据；（3）为DP主站提供诊断数据；（4）为二类DP主站提供读取的输入输出数据等[3]。图1是工业现场的一个Profibus网络组态案例。

如图1所示的案例使用西门子工业设备，以CPU315-2 DP作为系统的一类主站，进行数据处理并控制各个子站；以计算机WINCC作为系统的二级主站，通过CP5611接口与CPU相连接，用于对整个生产线各设备和相关参数进行图形化管理和操作，与PLC互相通信，并且WinCC还有报警、数据存储等一系列功能，可实现一个集中可视的数据处理监控端；各个DP从站，用于现场的信号采集，并且与CPU控制单元通过Profibus进行快速、周期性的数据交换；网络部件——中继器，用于完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度，还有各种仪表设备、编码器等等，用于现场实时数据的检测并将信号传输回PLC。

6 结束语

综上所述，Profibus在现代工业系统中仍然发挥着很大的作用，并且由于它具备通讯稳定、传输速率高、使用安装方便等一系列优点，在设计选型中也广受欢迎。采用Profibus作为通讯方式需要对其系统结构和工作原理有一定的认知和理解，这样在现场调试和使用过程中出现各种问题时，才会对故障原因有清晰的判断，才能使自动化系统更好地为人们服务。

参考文献

[1]雷呈喜.基于PROFIBUS总线技术的柔性制造培训系统研究[D].哈尔滨工业大学，2006.

[2]张琦，尹嘉娃.PROFIBUS与PROFINET现场总线比较与应用[J].湖南工业大学学报，2014，3.

[3]龙凯.基于PROFIBUS控制系统的设计研究[D].武汉科技大学，2008.