[連載]現(xiàn)場總線（PROFIBUS）技術(shù)簡介（一）

第一章：現(xiàn)場總線技術(shù)及PROFIBUS

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線技術(shù)、PROFIBUS

1.1 現(xiàn)場總線技術(shù)的由來

1.1.1 CIMS體系結(jié)構(gòu)及工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層次劃分

根據(jù)工廠管理、生產(chǎn)過程及功能要求，CIMS體系結(jié)構(gòu)可分為5層，即工廠級、車間級、單元級、工作站級和現(xiàn)場級。簡化的CIMS則分為3層，即工廠級、車間級和現(xiàn)場級。在一個現(xiàn)代化工廠環(huán)境中，在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同樣分為這三個層次，與簡化的網(wǎng)絡(luò)層次相對應(yīng)。如圖1-1所示。

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圖1-1：簡化的CIMS網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1.1.2 現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成是工廠自動化及CIMS不可缺少的重要部分。

現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設(shè)備單機控制、連機控制、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場設(shè)備運行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、統(tǒng)計等功能，保證現(xiàn)場設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)及運行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠管理層，向工廠級MIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)。同時也可接受工廠管理層下達的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場級與車間級監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)是實現(xiàn)工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

1.1.3 傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)

傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)（包括：基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng)），其主要特點之一是，現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設(shè)備的一個測控點）所謂I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關(guān)量信息）信號。如圖1-2所示：

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圖1-2：傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)

1.1.4 系統(tǒng)主要缺點

（1）信息集成能力不強： 控制器與現(xiàn)場設(shè)備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號或24VDC等開關(guān)量信號，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設(shè)備參數(shù)、故障及故障紀錄等數(shù)據(jù)很難得到。底層數(shù)據(jù)不全、信息集成能力不強，不能完全滿足CIMS系統(tǒng)對底層數(shù)據(jù)的要求。

（2）系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強：除現(xiàn)場設(shè)備均靠標準4-20mA/24VDC連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能使用一家產(chǎn)品。不同廠家產(chǎn)品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統(tǒng)很少留出接口，允許其它廠商將自己專長的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，面向行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)很少。

（3）可靠性不易保證：對于大范圍的分布式系統(tǒng)，大量的I/O電纜及敷設(shè)施工，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。

（4）可維護性不高：由于現(xiàn)場級設(shè)備信息不全，現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能不強。另一方面也很難完成現(xiàn)場設(shè)備的遠程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護性。

1.1.5 現(xiàn)場設(shè)備的串行通信接口是現(xiàn)場總線技術(shù)的原形

由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，許多傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置等現(xiàn)場設(shè)備智能化，即內(nèi)置CPU控制器，完成諸如線性化、量程轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波甚至回路調(diào)節(jié)等功能。因此，對于這些智能現(xiàn)場設(shè)備增加一個串行數(shù)據(jù)接口（如RS-232/485）是非常方便的。有了這樣的接口，控制器就可以按其規(guī)定協(xié)議，通過串行通信方式（而不是I/O方式）完成對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。如果設(shè)想全部或大部分現(xiàn)場設(shè)備都具有串行通信接口并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現(xiàn)場設(shè)備連接，完成對所有現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控，這就是現(xiàn)場總線技術(shù)的初始想法。

1.1.6 現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生

基于以上初始想法，使用一根通信電纜，將所有具有統(tǒng)一的通信協(xié)議通信接口的現(xiàn)場設(shè)備連接，這樣，在設(shè)備層傳遞的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信號，而是基于現(xiàn)場總線的數(shù)字化通信，由數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)。