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摘要：简要概述了Profibus现场总线技术的概念和通信方式。着重介绍了基于Profibus现场总线技术的现场总线控制系统的特点、结构形式及仪表接口开发技术。分析了现场总线分散控制系统的理论依据。并举例说明了Profibus现场总线技术的典型应用。
关键词：现场总线;分散控制;串行通信
中图分类号：G4 文献标识码：A
0引言
目前，自动化控制系统及仪表，正向数字化、智能化和网络化（或分散化）的方向发展，现代工业中的计算机集成制造系统CIMS是由工厂级、车间级和现场级等构成的一个分层的大规模控制系统。在这种系统中，现场信号的变送、传输和执行等工作往往采用模拟信号连接，信息交换较少，限制了上层控制功能的发挥。另外，为了充分发挥现场仪表对量程和零点远程设定及故障自诊断等功能，也要求现场仪表同上层控制器进行数字通信。在这种需求的推动下，一种全数字式的现场网络技术——现场总线技术（Fieldbus Technology）出现了。按照IEC1158定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数字总线。
Profibus（ Process Field Bus）是一种不依赖于厂家设备的开放式现场总线标准，它符合EN50170欧洲标准，世界各主要的自动化技术生产厂家均为其生产的设备提供Profibus接口，它的应用领域包括了加工制造、过程和建筑自动化等行业，应用范围包括了从设备级的自动控制到车间级的自动化。
1 PROFIBUS现场总线技术
与其它现场总线系统相比，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。目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和楼宇自动化等。
1.1 现场总线的结构
Profibus现场总线包括三种类型的总线形式：通用自动化Profibus-FMS總线、工业自动化Profibus-DP总线和过程自动化Profibus-PA总线，以适应于高速和时间苛求的数据传输以及大范围的复杂通信场合。Profibus现场总线结构如图1所示。
Profibus的模型结构以IS07498国际标准开放系统互联OSI作为参考模型。物理层定义了物理的传输特性;数据链路层，在Profibus中称为现场数据链路层（FDL），定义了总线的存取协议;FMS在应用层定义了现场总线的信息规范和低层接口，其它层未加以定义。另外，在用户接口，FMS，DP，PA各自定义了自己的行业规范。
Profibus提供了三种类型传输技术：用于DP和FMS的RS485传输技术，如采用屏蔽的双绞线，每段32个站，最大传输距离1200m，带中继器可增至127个站，数据传输率可选用9.6 bit/s和12M bit/s之间的范围等。用于PA的IEC-1158.2传输技术，又称为H1，它能满足化工和石化工业的要求，它可保持其本征安全性并使现场设备通过总线供电。
Profibus现场总线设备分为主站和从站，主站决定总线的数据通信，当它得到总线控制权时，不用外界请求就可以主动向其它主站或从站传发信息，如PLC、工业PC机、编程器等。从站仅对收到主站的信息给以确认，或当主站发出请求时发送信息，如各种传感器和执行器等。Profibus总线是多主多从结构，在数据链路层采用混合介质存取方式，即主站之间的令牌传递方式和主从之间的点一点或多点通信方式。
Profibus的最大电文长度为255个字节，电文由标识符、源及目的地址、数据长度、数据、命令字和循环校验码（CSRD）等构成，有效数据最长246字节，总线循环时间与数据传输的波特率、电文长度及站的个数有关。
1.2现场总线的特点
开放性：PROFIBUS 是一个完全开放的、与制造商无关的、无知识产权保护的现场总线标准，全球有超过250 家公司可以生产超过2000 种支持PROFIBUS 的系统和设备。
可靠性：PROFIBUS 总线上的数据传输是完全基于数字信号实现的;可以直接连接现场智能设备，减少大量接线点;减少了由于接线不牢或接线不规范引起的故障;A/D转换的环节，提高了自动化系统的采集精度，为精确控制提供保障;可以通过专用剥线工具和PROFIBUS接头，减少接线风险;同时PROFIBUS接头可以保证总线上任何一个节点故障不影响系统通讯;支持冗余总线系统，系统可靠性高。
灵活扩展：采用PROFIBUS总线结构的控制系统，扩展非常方便灵活。
实时性：采用PROFIBUS总线的系统具有很高的实时性，这是由PROFIBUS总线系统的数据传输速率高所决定的。PROFIBUS-DP总线的传输速率可达12M，是目前通讯速率最高的现场总线。
2 Profibus现场总线技术的应用领域与系统软件
Profibus现场总线网络各层规范是公开的，按这些规范设计设备网络接口，不同的设备可以实现网络互联，用户可以根据需要选择不同厂家的设备，只要求提供有关设备的GDS文件，就可以相互构成系统，这样就为用户构成分布式系统提供了更大的灵活性。
Profibus的多主多从结构可以方便地构成集散式和分布式的控制系统。
2.1工厂自动化系统
采用Profibus现场总线的工厂自动化系统一般由DP，PA总线作为下层直接与设备连接，进行数据采集和控制，这两种总线之间可以通过耦合器相连。FMS总线为车间级总线，对车间设备的运行进行监控。Profibus总线的上一层是通过网间连接器接到全厂局域网，为全厂的管理如供应、生产、销售计划等各个环节提供数据支持。该局域网接入国际互联网，还可以通过国际互联网网络对现场设备运行情况进行远程访问。 2.2车间级自动化系统
制造和加工工业的车间，往往主要由几条流水线或几台大型设备组成，Profibus总线在车间级的一种典型应用是采用若干个DP总线（在防爆区采用PA总线），分别负责每条流水线作业或大型设备，各DP总线均连接到FMS总线上，由FMS级总线进行车间级任务协调、优化和部分管理工作，如图2所示。
2.3设备级的自动化系统
设备级数据采集和控制分别采用DP和PA总线形式。采用Profibus现场总线技术，仅用一对屏蔽双绞线就可以将地理上分散的设备连接在一起构成一个控制系统，不仅安装方便，节省电缆费用，而且通过现场总线进行数字式通信，提高了系统的可靠性，易于实现许多智能功能。如图3所示，具有Profibus接口的设备，可以通过该接口直接连接到Profibus总线上，不具有Profibus接口的设备，则通过远程I/0或PLC连接到Profibus总线上。
2.4 Profibus现场总线系统的软件
由Profibus总线构成的现场总线控制器的软件包括：Profibus总线设备的配置软件、驱动软件、组态软件和应用程序等，它们具有以下功能：主站和远程从站的参数设定，主站对从站的数据读写，图形组态，数据库建立与维护，数据统计、报表打印，故障报警，应用程序的开发、调试、运行等。其中，配置软件和驱动软件由设备厂商提供，组态软件可采用组态王、Wizcon， Fix等通用型软件。
3 PROFIBUS的应用实例
马钢第三炼钢厂高效方坯连铸机采用全弧型渐近矫直机型，连铸半径为8m，铸坯断面为140mm X 140mm，定尺长度为16000mm，单炉浇注钢水量为65t，浇注时间为28min/炉，年产合格钢坯量70.93万t，钢水收得率97%。
连铸机控制系统由基础自动化级和过程控制级组成，其中基础自动化级配备一套公用PLC， 6套铸流PLC，分别对连铸机实施顺序和逻辑控制。控制系统采用了西门子S7-400系列PLC，下挂Profibus-DP网，并通过DP/PA链接器将总线仪控设备接入工业控制网络，仪控系统全部通过Profibus-PA现场总线方式完成检测与控制。真正实现了“集中管理，分散控制”的目的。同时，全数字化通信模式的抗干扰能力强、测量控制精确度高，借助数字双向传输的特点和先进的设备管理软件，可实现参数远程设定，采集丰富的仪表信息，有利设备故障诊断，改善管理状况。过程控制级通过工业以太网与基础自动化级的PLC相连，并依靠控制模型和数据库对基础自动化系统实施指导、管理和跟踪。
由于采用Profibus-PA总线，节省了仪控系统的相关硬件费用，如I/0模块、电源隔离器、控制柜、控制室方面的费用和施工布线的费用，与常规系统相比，仅仪控系统就比原概算节省投资30%尤为重要的是，由于现场总线仪表具有自诊断功能，因此，可以预先诊断和维护在线设备，提前排除故障，减少停机时间，提高了生产的安全性，同时大大降低了系统运行、维护费用，為整个高效连铸机的安全顺产提供了重要的技术保障。
结束语
Profibus现场总线是目前众多现场总线中较著名的一种，它能提供从传感器直至优化管理层的透明网络。基于Profibus现场总线技术的现场控制器真正体现了过程自动化的分散控制概念，控制策略可以从地理上分散到各个现场总线器件中，而不是像传统的DCS系统，所有的控制策略是在其内部做出的。现场总线控制系统成为控制系统发展的方向，积极开发基于现场总线的控制系统，推进工业自动化的发展成为当今的重要课题。
参考文献
[1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京清华大学出版社，1999.
[2] 惠敏焱.PROFIBUS：开放的、通用的和标准的现场总线[M].北京：中国机电一体化协会.1998.
[3] 成继勋， 沈洪远. 广义现场总线标准与工业以太网[J]. 电气自动化， 2002（ 4）： 8- 11.
[4] 高 峰. 工业以太网与PRUFIBUS的比较研究及其在物流系统中的应用[D]. 济南：山东大学， 2005.
[5] 李正军. 现场总线技术及其应用技术[M]. 北京：机械工业出版社， 2005.
关键词：现场总线;分散控制;串行通信
中图分类号：G4 文献标识码：A
0引言
目前，自动化控制系统及仪表，正向数字化、智能化和网络化（或分散化）的方向发展，现代工业中的计算机集成制造系统CIMS是由工厂级、车间级和现场级等构成的一个分层的大规模控制系统。在这种系统中，现场信号的变送、传输和执行等工作往往采用模拟信号连接，信息交换较少，限制了上层控制功能的发挥。另外，为了充分发挥现场仪表对量程和零点远程设定及故障自诊断等功能，也要求现场仪表同上层控制器进行数字通信。在这种需求的推动下，一种全数字式的现场网络技术——现场总线技术（Fieldbus Technology）出现了。按照IEC1158定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数字总线。
Profibus（ Process Field Bus）是一种不依赖于厂家设备的开放式现场总线标准，它符合EN50170欧洲标准，世界各主要的自动化技术生产厂家均为其生产的设备提供Profibus接口，它的应用领域包括了加工制造、过程和建筑自动化等行业，应用范围包括了从设备级的自动控制到车间级的自动化。
1 PROFIBUS现场总线技术
与其它现场总线系统相比，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。目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和楼宇自动化等。
1.1 现场总线的结构
Profibus现场总线包括三种类型的总线形式：通用自动化Profibus-FMS總线、工业自动化Profibus-DP总线和过程自动化Profibus-PA总线，以适应于高速和时间苛求的数据传输以及大范围的复杂通信场合。Profibus现场总线结构如图1所示。
Profibus的模型结构以IS07498国际标准开放系统互联OSI作为参考模型。物理层定义了物理的传输特性;数据链路层，在Profibus中称为现场数据链路层（FDL），定义了总线的存取协议;FMS在应用层定义了现场总线的信息规范和低层接口，其它层未加以定义。另外，在用户接口，FMS，DP，PA各自定义了自己的行业规范。
Profibus提供了三种类型传输技术：用于DP和FMS的RS485传输技术，如采用屏蔽的双绞线，每段32个站，最大传输距离1200m，带中继器可增至127个站，数据传输率可选用9.6 bit/s和12M bit/s之间的范围等。用于PA的IEC-1158.2传输技术，又称为H1，它能满足化工和石化工业的要求，它可保持其本征安全性并使现场设备通过总线供电。
Profibus现场总线设备分为主站和从站，主站决定总线的数据通信，当它得到总线控制权时，不用外界请求就可以主动向其它主站或从站传发信息，如PLC、工业PC机、编程器等。从站仅对收到主站的信息给以确认，或当主站发出请求时发送信息，如各种传感器和执行器等。Profibus总线是多主多从结构，在数据链路层采用混合介质存取方式，即主站之间的令牌传递方式和主从之间的点一点或多点通信方式。
Profibus的最大电文长度为255个字节，电文由标识符、源及目的地址、数据长度、数据、命令字和循环校验码（CSRD）等构成，有效数据最长246字节，总线循环时间与数据传输的波特率、电文长度及站的个数有关。
1.2现场总线的特点
开放性：PROFIBUS 是一个完全开放的、与制造商无关的、无知识产权保护的现场总线标准，全球有超过250 家公司可以生产超过2000 种支持PROFIBUS 的系统和设备。
可靠性：PROFIBUS 总线上的数据传输是完全基于数字信号实现的;可以直接连接现场智能设备，减少大量接线点;减少了由于接线不牢或接线不规范引起的故障;A/D转换的环节，提高了自动化系统的采集精度，为精确控制提供保障;可以通过专用剥线工具和PROFIBUS接头，减少接线风险;同时PROFIBUS接头可以保证总线上任何一个节点故障不影响系统通讯;支持冗余总线系统，系统可靠性高。
灵活扩展：采用PROFIBUS总线结构的控制系统，扩展非常方便灵活。
实时性：采用PROFIBUS总线的系统具有很高的实时性，这是由PROFIBUS总线系统的数据传输速率高所决定的。PROFIBUS-DP总线的传输速率可达12M，是目前通讯速率最高的现场总线。
2 Profibus现场总线技术的应用领域与系统软件
Profibus现场总线网络各层规范是公开的，按这些规范设计设备网络接口，不同的设备可以实现网络互联，用户可以根据需要选择不同厂家的设备，只要求提供有关设备的GDS文件，就可以相互构成系统，这样就为用户构成分布式系统提供了更大的灵活性。
Profibus的多主多从结构可以方便地构成集散式和分布式的控制系统。
2.1工厂自动化系统
采用Profibus现场总线的工厂自动化系统一般由DP，PA总线作为下层直接与设备连接，进行数据采集和控制，这两种总线之间可以通过耦合器相连。FMS总线为车间级总线，对车间设备的运行进行监控。Profibus总线的上一层是通过网间连接器接到全厂局域网，为全厂的管理如供应、生产、销售计划等各个环节提供数据支持。该局域网接入国际互联网，还可以通过国际互联网网络对现场设备运行情况进行远程访问。 2.2车间级自动化系统
制造和加工工业的车间，往往主要由几条流水线或几台大型设备组成，Profibus总线在车间级的一种典型应用是采用若干个DP总线（在防爆区采用PA总线），分别负责每条流水线作业或大型设备，各DP总线均连接到FMS总线上，由FMS级总线进行车间级任务协调、优化和部分管理工作，如图2所示。
2.3设备级的自动化系统
设备级数据采集和控制分别采用DP和PA总线形式。采用Profibus现场总线技术，仅用一对屏蔽双绞线就可以将地理上分散的设备连接在一起构成一个控制系统，不仅安装方便，节省电缆费用，而且通过现场总线进行数字式通信，提高了系统的可靠性，易于实现许多智能功能。如图3所示，具有Profibus接口的设备，可以通过该接口直接连接到Profibus总线上，不具有Profibus接口的设备，则通过远程I/0或PLC连接到Profibus总线上。
2.4 Profibus现场总线系统的软件
由Profibus总线构成的现场总线控制器的软件包括：Profibus总线设备的配置软件、驱动软件、组态软件和应用程序等，它们具有以下功能：主站和远程从站的参数设定，主站对从站的数据读写，图形组态，数据库建立与维护，数据统计、报表打印，故障报警，应用程序的开发、调试、运行等。其中，配置软件和驱动软件由设备厂商提供，组态软件可采用组态王、Wizcon， Fix等通用型软件。
3 PROFIBUS的应用实例
马钢第三炼钢厂高效方坯连铸机采用全弧型渐近矫直机型，连铸半径为8m，铸坯断面为140mm X 140mm，定尺长度为16000mm，单炉浇注钢水量为65t，浇注时间为28min/炉，年产合格钢坯量70.93万t，钢水收得率97%。
连铸机控制系统由基础自动化级和过程控制级组成，其中基础自动化级配备一套公用PLC， 6套铸流PLC，分别对连铸机实施顺序和逻辑控制。控制系统采用了西门子S7-400系列PLC，下挂Profibus-DP网，并通过DP/PA链接器将总线仪控设备接入工业控制网络，仪控系统全部通过Profibus-PA现场总线方式完成检测与控制。真正实现了“集中管理，分散控制”的目的。同时，全数字化通信模式的抗干扰能力强、测量控制精确度高，借助数字双向传输的特点和先进的设备管理软件，可实现参数远程设定，采集丰富的仪表信息，有利设备故障诊断，改善管理状况。过程控制级通过工业以太网与基础自动化级的PLC相连，并依靠控制模型和数据库对基础自动化系统实施指导、管理和跟踪。
由于采用Profibus-PA总线，节省了仪控系统的相关硬件费用，如I/0模块、电源隔离器、控制柜、控制室方面的费用和施工布线的费用，与常规系统相比，仅仪控系统就比原概算节省投资30%尤为重要的是，由于现场总线仪表具有自诊断功能，因此，可以预先诊断和维护在线设备，提前排除故障，减少停机时间，提高了生产的安全性，同时大大降低了系统运行、维护费用，為整个高效连铸机的安全顺产提供了重要的技术保障。
结束语
Profibus现场总线是目前众多现场总线中较著名的一种，它能提供从传感器直至优化管理层的透明网络。基于Profibus现场总线技术的现场控制器真正体现了过程自动化的分散控制概念，控制策略可以从地理上分散到各个现场总线器件中，而不是像传统的DCS系统，所有的控制策略是在其内部做出的。现场总线控制系统成为控制系统发展的方向，积极开发基于现场总线的控制系统，推进工业自动化的发展成为当今的重要课题。
参考文献
[1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京清华大学出版社，1999.
[2] 惠敏焱.PROFIBUS：开放的、通用的和标准的现场总线[M].北京：中国机电一体化协会.1998.
[3] 成继勋， 沈洪远. 广义现场总线标准与工业以太网[J]. 电气自动化， 2002（ 4）： 8- 11.
[4] 高 峰. 工业以太网与PRUFIBUS的比较研究及其在物流系统中的应用[D]. 济南：山东大学， 2005.
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