2018年04月26日 | PROFIBUS现场总线技术及发展趋势分析

PROFIBUS，是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS传送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS是一种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，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

PROFIBUS特点

Profibus作为业界应用最广泛的现场总线技术，除具有一般总线的优点外还有自身的特点，具体表现如下：

　　（1）最大传输信息长度为255B，最大数据长度为244B，典型长度为120B。

　　（2）网络拓扑为线型、树型或总线型，两端带有有源的总线终端电阻。

　　（3）传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9.6Kb/s到12Mb/s不等。

　　（4）站点数取决于信号特性，如对屏蔽双绞线，每段为32个站点（无转发器），最多127个站点带转发器。

　　（5）传输介质为屏蔽/非屏蔽双绞线或光纤。

　　（6）当用双绞线时，传输距离最长可达9.6km，用光纤时，最大传输长度为90km。

　　（7）传输技术为DP和FMS的RS-485传输、PA的IEC1158-2传输和光纤传输。

　　（8）采用单一的总线方位协议，包括主站之间的令牌传递与从站之间的主从方式。

　　（9）数据传输服务包括循环和非循环两类。

PROFIBUS现场总线的组成

PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP（ Decentralized Periphery）．PROFIBUS－PA（Process AutomaTIon ）．PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message SpecificaTIon ）。

PROFIBUS–DP： 一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代办24VDC或4－20mA信号传输。

PORFIBUS－PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。

PROFIBUS－FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构．实时多主网络。

PROFIBUS的传输技术

PROFIBUS提供了3种数据传输技术：用于DP/FMS的RS-传输技术，用于PA的IEC1158-2传输技术，光纤传输技术。

1、用于DP/FMS的RS-485传输技术（H2）

由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术，采用了电缆是屏蔽双绞铜线。

2、用于PA的IEC1158-2传输技术（H1）

IEC1158-2是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，用于PROFIBUS-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本质安全性，并通过总线对现场设备供电。

3、光纤传输技术

PROFIBUS系统在很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输距离。光纤的特性随所用的材料类型而变化，距离小于50m时可用价格低廉的塑料纤维导体，距离小于1km时可使用玻璃纤维导体。

PROFIBUS的应用

典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构，基于现场总线Profibus-DP/PA控制系统位于工厂自动化系统中的低层，即现场级和车间级。现场总线Profibus是面向现场级和车间级的数字化通信网络。

1.现场设备层

主要功能是连接现场设备，如分散式I/O、传感器、驱动器、执行机构、开关、［3］灯设备，完成现场设备控制及设备间连锁控制。主站负责总线通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备生产工艺控制程序均储存在主站中，并由主站执行。

2.车间监控层

车间级监控用来完成车间中生产设备之间的连接，如一个车间三条生产线主控制器之间的连接，完成车间级设备监控。车间级监控包括生产设备状态在线监控、设备故障报警及维护等。通常还具有诸如生产统计、生产调度等车间级生产管理功能。车间级监控通常要设立车间监控室，在操作员工作站及打印设备上。车间级监控网络可采用Profibus-FMS，它是一个多主网络，在这一级，数据传输速度不是最重要的，而是要能够传送大容量信息。

3.工厂管理层

车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为主网的一个子网，通过交换机、网桥或路由器等连接到厂区骨干网上，将车间数据集成到工厂管理层。

车间管理层通常所说的以太网，即IEEE802.3和IETFTCP/IP的通信协议标准。工厂骨干网可根据工厂实际情况，采用如FDDI或ATM等网络。

PROFIBUS的发展现状

1）多种总线共存，其中PROFIBUS总线的应用贯穿各大领域：据美国ARC公司的市场调查，世界市场对各种现场总线的需求为：过程自动化15%（FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP），医药领域18%（FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP），加工制造15%（PROFIBUS-DP、DeviceNet），交通运输15%（PROFIBUS-DP、DeviceNet），航空、国防34%（PROFIBUS-FMS、LonWorks、ControlNet、DeviceNet），农业未统计（P-NET、CAN、PROFIBUS-PA/DP、DeviceNet、ControlNet），楼宇未统计（LonWorks、PROFIBUS-FMS、DeviceNet）。由此可见，随着时间的推移，占有市场80％左右的总线将只有六七种，而且其应用领域比较明确，如 FF、PROFIBUS-PA适用于冶金、石油、化工、医药等流程行业的过程控制，PROFIBUS-DP、 DeviceNet适用于加工制造业，LonWorks、PROFIBUS-FMS、DeviceNet适用于楼宇、交通运输、农业。但这种划分又不是尽对的，相互之间又互有渗透。

2）Profibus总线应用领域不断拓展：在一定应用领域中已取得良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向其它领域发展。如Profibus在DP的基础上又开发出PA，以适用于流程产业。

3）Profibus总线强大的背景：Profibus总线具有独特国际用户组织，现在已成为德国标准，并以Siemens公司为主要支持。另外，Profibus在竞争中与其它多种总线协调共存。

PROFIBUS的发展前景

与其他现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。并大量采用成熟、开放和通用的技术以适用各个领域，目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和自动化等。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信设想，已在10多万个成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40%，PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务，并会向着网络结构简单化发展。