Profibus現場總線設計概要

1 引言

　　采用fcs(總線控制系統)的企業用于生產管理的局域網能夠與用于自動控制的現場總線網絡緊密銜接。現場總線是將自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備互連的實時控制通訊網絡，遵循iso/osi開放系統互連參考模型的全部或部分通訊協議。fcs 則是用開放的現場總線控制通訊網絡將自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備互連的實時網絡控制系統。

2 現場總線概要　

　它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。現場總線設備能處理各種參數、運行狀態信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至網絡故障的情況下獨立工作，大大提高了整個控制系統的可靠性和容錯能力。

　 由于現場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現場總線已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構，不再需要一個中央控制計算機，實現真正的分布式控制。從根本上改變了現有dcs集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡化了系統結構，提高了可靠性。

　　工作在現場設備前端，作為工廠網絡底層的現場總線，是專為在現場環境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現送電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。

　 傳統的控制系統每個儀表都需要一條線連到中央控制室，在中央控制室裝備一個大配線架。而在fcs系統中多臺現場設備可串行連接在一條總線上，這樣只需極少的線進入中央控制室，大量節省了布線費用，同時也降低了中央控制室的造價。由于現場總線系統中分散在設備前端的智能設備能直接執行多種傳感、控制等，也不再需要dcs系統的信號調理、轉換、隔離技術等功能單元及其復雜接線，用工控pc機作為操作站，從而節省了一大筆硬件投資，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。

　由于現場總線的以上特點，特別是現場總線系統結構的簡化，使控制系統的設計、安裝、投運到正常生產運行及其檢修維護，都體現出優越性。

3 現場總線案例

　profibus是德國國家標準din 19245和歐洲標準en 50170的現場總線，也是iec標準iec
61158，并且已經轉化為中國gb國家標準。由profibus-dp、profibus-pa、profibus-fms組成了profibus系列。profibus-dp、profibus-pa通信模型參照了iso/osi參考模型的第1層(物理層)和第2層(數據鏈路層)；profibus-fms采用了第1層、第2層和第7層(應用層)，第7層又分為現場總線報文規范(fms，fiedldbus
message specification)和低層接口(lli，lower layer interface)，另外還增加了用戶層。如表1所示profibus通信模型。profibus提供了三種通信協議類型。

　　profibus- dp這種精簡的結構確保了數據傳輸的高速有效。直接數據鏈路映像(ddlm，direct data link
mapper)提供了訪問第2層的用戶接口，用戶接口規定了用戶和系統以及各類設備可以調用的應用功能，并描述了各種設備的設備行為。物理層采用rs-485傳輸技術或光纖傳輸技術。dp協議的用戶層包括dp基本功能、dp擴展功能和dp行規

　　profibus-pa使用擴展的profibus- dp協議進行數據傳輸，另外還規定了現場設備的設備行規。根據iec 61158-2標準，這種傳輸技術可以確保其本質安全，并通過設備對現場設備供電。

　 profibus-fms包括了應用協議并向用戶提供通信服務。lli協調不同的通信關系，并向fms提供不依賴設備的對第2層的訪問接口。第2層現場總線數據鏈路(fdl，fieldbus data link)用于完成總線訪問控制及保證數據的可靠性。

　　3.1 profibus-dp和profibus-fms傳輸技術

　profibus-dp和profibus-fms采用rs-485傳輸技術。他們相同的傳輸技術和總線存取協議，可以在同一根電纜上運行。一個總線段內的導線采用屏蔽雙絞電纜，段的兩端各有一個終端器，rs-485總線段結構如圖1所示。傳輸速率可在9.6kbts-12mkbts之間選用，所選用的波特率對連接到總線上的所有的設備都適用。每段最多連接32個站，通過中繼器可以增加段數，則總線上的站最多可以連接126個。

圖1 rs-485總線段結構

　　(1)總線連接。如圖2所示，總線站與總線之間連接采用9針d型連接器，d型連接器插座安裝在總線站內，插頭安裝在總線電纜上，針腳分配見表2所示。數據線a數據線b兩端接有總線終端器，其包含一個下拉電阻(與數據基準電位dgnd相連)和一個上拉電阻(與供電電壓vp相連)。總線上沒有數據發送時，即在兩個報文之間總線為空閑狀態時，兩個總線終端電阻保證了在總線上有一個確定的空閑電位，兩個總線終端電阻必須始終有電源供電。

圖2 profibus-pa總線連接

　(2) 傳輸序列。profibus-dp和profibus-fms的編碼方式為nrz碼。一個字符幀在profibus總線上為11位：1個起始位，8個數據位，1個奇偶校驗位和1個停止位。在傳輸期間，二進制“1”對應于rxd/txd-p線上的正電位，而在rxd/txd-n線上為負電位。各報文間空閑狀態對應于二進制“1”。

　　3.2 profibus-pa的iec 61158-2傳輸技術

　　profibus-pa采用符合iec61158-2標準的傳輸技術，這種技術是一種同步協議，它可以確保本質安全，并通過總線對現場設備供電。每段只有一個電源作為供電裝置，當站收發信息時不對總線供電，每個站的現場設備消耗的是常量穩態電流。