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摘要：在现有的各种现场总线标准中，PROFIBUS总线是一种比较流行的现场总线标准，而用于自动控制系统和设备级分散v0之间通信的PROFIBUS-DP是市场上占有领先地位的总线技术，尤其是分散控制控制系统中的应用。
PROFIBUS技术在国外的应用和研究已经相当的成熟，而目前，在我国烟草行业PROFIBUS也得到了广泛的应用，本论文首先对现场总线技术进行概述，然后介绍了国内某卷烟厂制丝线电控系统中应用PROFIBUS-DP实现主站与现场的I/O子站、变频器、流量计等设备之间数据交换；应用PROFIBUS-PA总线实现主站对温度传感器等传感器及对阀门定位器等控制器件的数据通讯等。
关键词：卷烟厂制丝线 现场总线PROFIBUS-DPPROFIBUS-PA智能从站
中图分类号：C37 文献标识码：A
1、引言
现场总线技术是当今自动化领域发展的热点之一，它将目前迅猛发展的网络通讯技术、数据库技术等众多的计算机管理理念引入工业控制领域。它是控制技术、测量控制仪表技术和计算机网络技术三者的结合，代表了今后工业控制技术发展的方向。
PROFIBUS现场总线技术己经广泛应用于加工制造、过程控制和楼宇自动化等领域，是目前世界上应用的最成熟的现场总线技术之一。根据应用领域分为PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-PA, PROFIBUS-DP三个兼容部分。
PROFIBUS-DP：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统中设备级分散vo-之间的通信而设计，使用PROFIBUS-DP模块可取代价格昂贵的24V或0-20mA并行信号线，用于分布式控制系统的高速数据传输。
PROFIBUS-FMS：解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、可编程序控制器、低压开关设备等一般自动化控制。
PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，标准的本质安全的传输技术，实现了IEC 1158-2中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。
目前世界上近300家自动化技术生产厂家为它们生产的近5000种产品提供PROFIBUS接口，在烟草行业，随着技术改造的逐步深人，PROFIBUS產品应用日益增加，特别是带PROFIBUS-DP接口的产品，广泛应用在卷烟厂制丝生产线、滤嘴成型、卷接、卷烟/滤棒储存输送等设备的自动控制系统、传感器、人机界面（HMI）及驱动器件上，大大简化和方便了设备安装、检验及维护，进步了设备的可靠性及有效作业率。烟草制丝生产线采用流水线作业，生产线上使用了大量的智能检测设备和智能控制器件非常适合PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA现场总线的应用。
2、PROFIBUS现场总线在烟草制丝生产线上的应用。
烟草制丝生产线流程较长，设备布局较为分散，而且由于近年来烟草加工工艺的要求日益严格，从原来的结果控制转变为现在的过程控制，对控制精度的要求也越来越高，所以制丝生产线上增加了很多水分仪、温度传感器、流量计等检测设备，和变频器、薄膜阀定位器等控制设备；工艺数据管理和工艺数据分析也要求烟草制丝生产线上的各个加工段的控制系统接收上位机下发的批牌号和工艺参数，并在控制段内下发执行；通过上位机的数采程序向中控室数据库提供各种过程数据，以便进行统计分析并生成报表。如此大量的数据交换依靠以往的DCS分散控制系统是很难实现的。
而PROFIBUS现场总线的特点是：
(1)系统的开放性:用户可按自己的需要和考虑，通过现场总线把来自不同供应商的产品组成大小随意的开放互连系统。
(2)互操作性与互用性:互连设备间、系统间的信息传送与沟通;不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。
(3)现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
(4)系统结构的高度分散性:现场总线己构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
(5)对现场环境的适应性:工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等，能够很好的满足烟草制丝生产线的需求，因此近年来在烟草制丝生产线得到了普遍应用。下图为国内某卷烟厂制丝生产线的网络拓扑结构图：
附图1：某卷烟厂制丝线控制系统网络拓扑结构图
从图中我们可以看到制丝生产线上的I/O子站、检测设备、控制设备、人机界面、ET200S等都兼容到PROFIBUS现场总线系统中。
2.1 PROFIBUS-DP在烟草制丝生产线上的使用。
随着FCS（FIELD CONTROL SYSTEM）不断发展，采用PROFIBUS-DP总线接口的成型产品愈来愈多，其应用也越来越广。由于PROFIBUS-DP总线前面所述的种种优点，我们在对制丝生产线的电控系统进行设计时，一般采用带PROFIBUS-DP接口的PLC、工控机、触摸屏、驱动系统、I/O模块等器件构成PROFIBUS总线网络DP为Decentralized Periphery的缩写，即分散化外围设备。如前所述，PROFIBUS-DP做为PROFIBUS的三个兼容部分之一，主要应用于现场设备级，它的响应时间从几Ls到几百ms，数据传输速率为9.6Kbps-12Mbps，传输的数据容量为每个报文多达244个字节，传输介质为双屏蔽双绞线或光纤。PROFIBUS-DP可以广泛地应用于电气传动领域，低压电控配电成套设备，数控加工设备，楼宇自动化等。
以制丝生产线叶片加工段控制系统为例，其PROFIBUS-DP总线为多主站主站系统：主电控柜中的西门子CPU414—2DP作为PROFIBUS-DP总线系统中的一类主站(DPM 1)，通过CPU上集成的PROFIBUS-DP接口处理与指定从站间用户的数据交换；一台西门子MP370触摸屏作为PROFIBUS-DP总线系统中的二类主站(DPM2)，用来做叶片控制段的操作员工作站，操作人员通过触摸屏进行设备操作，监控设备运行状态，修改工艺参数，查阅设备故障信息；22个ET200S作为PROFIBUS-DP I/O子站以IM151-1为通讯模块，配置数字量输入模块用于接收生产现场的光电开关、接近开关等数字量信号，配置数字量输出模块用于控制中间继电器、指示灯等设备的动作，配置馈电器用于驱动电机运行并检测电机工作状态和故障信息；12台配置PROFIBUS-DP网卡的丹佛斯FC300系列变频器用于控制储柜底带电机以及喂料机提升带的转速，在step7硬件组态中通过GSD文件识别它们，并组态与主站之间的通讯字节，一般为一个控制字用于控制电机启动停止以及正反转，一个状态字用来显示变频器的运行状态及故障信息，一个整数用来发送主站设置的运行频率设定值，另外一个整数用来反馈变频器的实际转速；红外水分仪用来在线检测生产线上的物料含水率，它也是在step7硬件组态中通过GSD文件识别，并组态通讯字节地址用于传送检测水分值，接收烟牌号，设置水分检测通道和水分仪的零点和斜率；电磁流量计数据交换较为简单一个浮点数用来传递检测到的流量数据和一个单字节的故障代码。由于叶片控制段站点较多，控制距离较长，布线较为复杂，为避免总线信号衰减和在PROFIBUS-DP上做分支，我们这总线系统上配置了几个中继器。
PROFIBUS-DP现场总线的数据传输速率为9.6Kbps-12Mbps，因为叶片段控制系统站点较多，数据交换量较大，为兼顾数据交换速度和通讯的稳定性（通讯速度越高其通讯稳定性就会降低，丢包、数据错误出现的机率就越大），我们将总线通讯速度设定为1.5Mbps。
PROFIBUS-DP现场总线通讯速度快，通讯稳定性好，兼容性较强，但由于其总线的线型连接，在总线上一个节点出现总线接头氧化或接触不良的情况后，其后的站点都会随之通讯故障；而总线终端电阻接触不良则会受到附近变频器等设备的电磁干扰，造成部分站点或全部站点通讯故障。总线接头接触不良和终端电阻接触不良是我们在使用PROFIBUS-DP现场总线出现频率最高的故障，约占总故障率的50%。
2.1 PROFIBUS-PA在烟草制丝生产线上的使用。
PROFIBUS-PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。另外，PA还描述了设备行为的PA行规。PA的传输技术可确保其本征安全性，而且还可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。
PROFIBUS-PA使用IEC1158-2传输技术。IEC1158-2传输技术可保持其本质安全性并使现场设备通过总线供电，此技術是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称之为H1。用于PROFIBUS-PA的IEC1158-2传输技术原理如下：
・每段只有一个电源，供电装置；
・站发送信息时不向总线供电；
・每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流；
・现场设备的作用如无源的电流吸收装置；
・主总线两端起无源终端线的作用；
・允许使用线、树型和星型网络；
・设计时可采用冗余的总线段，用以提高可靠性；
・每段最32个站点，总数最多126个。
附图2：某卷烟厂叶片段控制系统硬件组态图
在上图所示控制系统中PROFIBUS-PAＡ总线通过西门子的DP LINKE和DP-PA Coupler接入到PROFIBUS-DP总线系统中，PROFIBUS-PA用于过程自动化，它的数据通讯更注重稳定性和本质安全性，它的通讯速度较低，为31.25kbps。PROFIBUS-PA的通讯电缆除进行数据交换外，还承担着为设备提供电源的作用，所以PROFIBUS-PA总线上的设备不必再敷设电源线，有效的减少了线缆敷设量。
PROFIBUS-PA总线较之PROFIBUS-DP总线的网络拓扑结构更为灵活可支持线、树型和星型网络及它们的混合模式。某卷烟厂叶片段控制上的PA设备通过西门子的PA网络三通作为分支连接器连接为树形网络。
叶片段控制系统中PA总线上的设备主要为E+H的TMT184温度传感器和SAMSON的气动薄膜阀定位器。其中TMT184温度传感器用于检测热风温度和筒壁温度，在硬件组态中组态为一个浮点数用来输入温度检测值，一个字节用来传送设备信息；SAMSON的气动薄膜阀定位器则用来控制加水加气阀门的开度，在硬件组态中组态为一个浮点数用来输出薄膜阀开度设定值，一个字节用来传送设备信息。
3、总结：PROFIBUS现场总线已经在某卷烟厂运行5年时间，PROFIBUS现场总线通讯响应速度快实时性较好，通讯稳定性强极少发生丢包、数据错误的通讯故障，数据交换容量大，可以有效满足烟草制丝工艺对过程数据的需求；通用性好具有良好的兼容性，有大量的支持PROFIBUS通讯协议的仪器仪表及其他设备供我们选用，具有良好的可扩展性，可以根据我们的需要方便、快捷的增加设备站点。PROFIBUS现场总线投入运行后较之以往的集散控制系统设备故障率大大降低，生产线运行连续性稳定性增强，有效保证了产品质量；通讯速度快、数据交换量大有很好的满足当前烟草制丝生产线对过程工艺数据和生产数据的需求，可以通过数据分析找出生产过程中存在的问题，为提高产品质量打下基础，从设备层面上满足为烟草制丝生产线完成从结果控制向过程控制的需要。
PROFIBUS技术在国外的应用和研究已经相当的成熟，而目前，在我国烟草行业PROFIBUS也得到了广泛的应用，本论文首先对现场总线技术进行概述，然后介绍了国内某卷烟厂制丝线电控系统中应用PROFIBUS-DP实现主站与现场的I/O子站、变频器、流量计等设备之间数据交换；应用PROFIBUS-PA总线实现主站对温度传感器等传感器及对阀门定位器等控制器件的数据通讯等。
关键词：卷烟厂制丝线 现场总线PROFIBUS-DPPROFIBUS-PA智能从站
中图分类号：C37 文献标识码：A
1、引言
现场总线技术是当今自动化领域发展的热点之一，它将目前迅猛发展的网络通讯技术、数据库技术等众多的计算机管理理念引入工业控制领域。它是控制技术、测量控制仪表技术和计算机网络技术三者的结合，代表了今后工业控制技术发展的方向。
PROFIBUS现场总线技术己经广泛应用于加工制造、过程控制和楼宇自动化等领域，是目前世界上应用的最成熟的现场总线技术之一。根据应用领域分为PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-PA, PROFIBUS-DP三个兼容部分。
PROFIBUS-DP：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统中设备级分散vo-之间的通信而设计，使用PROFIBUS-DP模块可取代价格昂贵的24V或0-20mA并行信号线，用于分布式控制系统的高速数据传输。
PROFIBUS-FMS：解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、可编程序控制器、低压开关设备等一般自动化控制。
PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，标准的本质安全的传输技术，实现了IEC 1158-2中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。
目前世界上近300家自动化技术生产厂家为它们生产的近5000种产品提供PROFIBUS接口，在烟草行业，随着技术改造的逐步深人，PROFIBUS產品应用日益增加，特别是带PROFIBUS-DP接口的产品，广泛应用在卷烟厂制丝生产线、滤嘴成型、卷接、卷烟/滤棒储存输送等设备的自动控制系统、传感器、人机界面（HMI）及驱动器件上，大大简化和方便了设备安装、检验及维护，进步了设备的可靠性及有效作业率。烟草制丝生产线采用流水线作业，生产线上使用了大量的智能检测设备和智能控制器件非常适合PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA现场总线的应用。
2、PROFIBUS现场总线在烟草制丝生产线上的应用。
烟草制丝生产线流程较长，设备布局较为分散，而且由于近年来烟草加工工艺的要求日益严格，从原来的结果控制转变为现在的过程控制，对控制精度的要求也越来越高，所以制丝生产线上增加了很多水分仪、温度传感器、流量计等检测设备，和变频器、薄膜阀定位器等控制设备；工艺数据管理和工艺数据分析也要求烟草制丝生产线上的各个加工段的控制系统接收上位机下发的批牌号和工艺参数，并在控制段内下发执行；通过上位机的数采程序向中控室数据库提供各种过程数据，以便进行统计分析并生成报表。如此大量的数据交换依靠以往的DCS分散控制系统是很难实现的。
而PROFIBUS现场总线的特点是：
(1)系统的开放性:用户可按自己的需要和考虑，通过现场总线把来自不同供应商的产品组成大小随意的开放互连系统。
(2)互操作性与互用性:互连设备间、系统间的信息传送与沟通;不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。
(3)现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
(4)系统结构的高度分散性:现场总线己构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
(5)对现场环境的适应性:工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等，能够很好的满足烟草制丝生产线的需求，因此近年来在烟草制丝生产线得到了普遍应用。下图为国内某卷烟厂制丝生产线的网络拓扑结构图：
附图1：某卷烟厂制丝线控制系统网络拓扑结构图
从图中我们可以看到制丝生产线上的I/O子站、检测设备、控制设备、人机界面、ET200S等都兼容到PROFIBUS现场总线系统中。
2.1 PROFIBUS-DP在烟草制丝生产线上的使用。
随着FCS（FIELD CONTROL SYSTEM）不断发展，采用PROFIBUS-DP总线接口的成型产品愈来愈多，其应用也越来越广。由于PROFIBUS-DP总线前面所述的种种优点，我们在对制丝生产线的电控系统进行设计时，一般采用带PROFIBUS-DP接口的PLC、工控机、触摸屏、驱动系统、I/O模块等器件构成PROFIBUS总线网络DP为Decentralized Periphery的缩写，即分散化外围设备。如前所述，PROFIBUS-DP做为PROFIBUS的三个兼容部分之一，主要应用于现场设备级，它的响应时间从几Ls到几百ms，数据传输速率为9.6Kbps-12Mbps，传输的数据容量为每个报文多达244个字节，传输介质为双屏蔽双绞线或光纤。PROFIBUS-DP可以广泛地应用于电气传动领域，低压电控配电成套设备，数控加工设备，楼宇自动化等。
以制丝生产线叶片加工段控制系统为例，其PROFIBUS-DP总线为多主站主站系统：主电控柜中的西门子CPU414—2DP作为PROFIBUS-DP总线系统中的一类主站(DPM 1)，通过CPU上集成的PROFIBUS-DP接口处理与指定从站间用户的数据交换；一台西门子MP370触摸屏作为PROFIBUS-DP总线系统中的二类主站(DPM2)，用来做叶片控制段的操作员工作站，操作人员通过触摸屏进行设备操作，监控设备运行状态，修改工艺参数，查阅设备故障信息；22个ET200S作为PROFIBUS-DP I/O子站以IM151-1为通讯模块，配置数字量输入模块用于接收生产现场的光电开关、接近开关等数字量信号，配置数字量输出模块用于控制中间继电器、指示灯等设备的动作，配置馈电器用于驱动电机运行并检测电机工作状态和故障信息；12台配置PROFIBUS-DP网卡的丹佛斯FC300系列变频器用于控制储柜底带电机以及喂料机提升带的转速，在step7硬件组态中通过GSD文件识别它们，并组态与主站之间的通讯字节，一般为一个控制字用于控制电机启动停止以及正反转，一个状态字用来显示变频器的运行状态及故障信息，一个整数用来发送主站设置的运行频率设定值，另外一个整数用来反馈变频器的实际转速；红外水分仪用来在线检测生产线上的物料含水率，它也是在step7硬件组态中通过GSD文件识别，并组态通讯字节地址用于传送检测水分值，接收烟牌号，设置水分检测通道和水分仪的零点和斜率；电磁流量计数据交换较为简单一个浮点数用来传递检测到的流量数据和一个单字节的故障代码。由于叶片控制段站点较多，控制距离较长，布线较为复杂，为避免总线信号衰减和在PROFIBUS-DP上做分支，我们这总线系统上配置了几个中继器。
PROFIBUS-DP现场总线的数据传输速率为9.6Kbps-12Mbps，因为叶片段控制系统站点较多，数据交换量较大，为兼顾数据交换速度和通讯的稳定性（通讯速度越高其通讯稳定性就会降低，丢包、数据错误出现的机率就越大），我们将总线通讯速度设定为1.5Mbps。
PROFIBUS-DP现场总线通讯速度快，通讯稳定性好，兼容性较强，但由于其总线的线型连接，在总线上一个节点出现总线接头氧化或接触不良的情况后，其后的站点都会随之通讯故障；而总线终端电阻接触不良则会受到附近变频器等设备的电磁干扰，造成部分站点或全部站点通讯故障。总线接头接触不良和终端电阻接触不良是我们在使用PROFIBUS-DP现场总线出现频率最高的故障，约占总故障率的50%。
2.1 PROFIBUS-PA在烟草制丝生产线上的使用。
PROFIBUS-PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。另外，PA还描述了设备行为的PA行规。PA的传输技术可确保其本征安全性，而且还可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。
PROFIBUS-PA使用IEC1158-2传输技术。IEC1158-2传输技术可保持其本质安全性并使现场设备通过总线供电，此技術是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称之为H1。用于PROFIBUS-PA的IEC1158-2传输技术原理如下：
・每段只有一个电源，供电装置；
・站发送信息时不向总线供电；
・每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流；
・现场设备的作用如无源的电流吸收装置；
・主总线两端起无源终端线的作用；
・允许使用线、树型和星型网络；
・设计时可采用冗余的总线段，用以提高可靠性；
・每段最32个站点，总数最多126个。
附图2：某卷烟厂叶片段控制系统硬件组态图
在上图所示控制系统中PROFIBUS-PAＡ总线通过西门子的DP LINKE和DP-PA Coupler接入到PROFIBUS-DP总线系统中，PROFIBUS-PA用于过程自动化，它的数据通讯更注重稳定性和本质安全性，它的通讯速度较低，为31.25kbps。PROFIBUS-PA的通讯电缆除进行数据交换外，还承担着为设备提供电源的作用，所以PROFIBUS-PA总线上的设备不必再敷设电源线，有效的减少了线缆敷设量。
PROFIBUS-PA总线较之PROFIBUS-DP总线的网络拓扑结构更为灵活可支持线、树型和星型网络及它们的混合模式。某卷烟厂叶片段控制上的PA设备通过西门子的PA网络三通作为分支连接器连接为树形网络。
叶片段控制系统中PA总线上的设备主要为E+H的TMT184温度传感器和SAMSON的气动薄膜阀定位器。其中TMT184温度传感器用于检测热风温度和筒壁温度，在硬件组态中组态为一个浮点数用来输入温度检测值，一个字节用来传送设备信息；SAMSON的气动薄膜阀定位器则用来控制加水加气阀门的开度，在硬件组态中组态为一个浮点数用来输出薄膜阀开度设定值，一个字节用来传送设备信息。
3、总结：PROFIBUS现场总线已经在某卷烟厂运行5年时间，PROFIBUS现场总线通讯响应速度快实时性较好，通讯稳定性强极少发生丢包、数据错误的通讯故障，数据交换容量大，可以有效满足烟草制丝工艺对过程数据的需求；通用性好具有良好的兼容性，有大量的支持PROFIBUS通讯协议的仪器仪表及其他设备供我们选用，具有良好的可扩展性，可以根据我们的需要方便、快捷的增加设备站点。PROFIBUS现场总线投入运行后较之以往的集散控制系统设备故障率大大降低，生产线运行连续性稳定性增强，有效保证了产品质量；通讯速度快、数据交换量大有很好的满足当前烟草制丝生产线对过程工艺数据和生产数据的需求，可以通过数据分析找出生产过程中存在的问题，为提高产品质量打下基础，从设备层面上满足为烟草制丝生产线完成从结果控制向过程控制的需要。