PROFIBUS控制系统层次及组成解析

图3-1 控制系统的结构

图3-2 几种主要现场总线的应用范围

1.控制系统的层次

控制系统是有不同层次的，图3-1简明地表示出控制系统的结构。左边的文字表示系统的逻辑层次，由上到下分别为协调级、工厂级、车间级、现场级和操作器与传感器级，现场总线涉及的是最低两级。右边文字表示系统的物理设备层次，由上到下依次为主计算机、PLC、工业逻辑控制器、操作器与传感器（现场设备，如感应开关、位置开关、电磁阀、接触器等）。

对应不同的系统层次，现场总线有着不同的应用范围。图3-2列举了几种主要现场总线的应用范围。纵坐标由下往上表示设备由简单到复杂，即由简单传感器/执行器、复杂传感器/执行器、小型PLC和工业控制机到中型PLC、工作站再到大型PLC、DCS监控机等，数据通信量由小到大，设备功能也由简单到复杂。横坐标表示通信数据传输的方式，从左到右，依次为二进制的位传输、8位及8位以上的字传输、128位及以上的帧传输以及更大数据量传输的文件传输。

一个典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构，基于PROFIBUS-DP/PA构成的控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。现场总线PROFIBUS是面向现场级与车间级的数字化通信网络，如下图3-3所示。

图3-3 PROFIBUS构成的面向现场级与车间级的数字化通信网络

（1）现场设备层

现场设备层的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、开关设备等，完成现场设备控制及设备间联锁控制，如一台加工设备控制、一条装配输送线或一条生产线上现场设备之间的联锁控制。主站（PLC、PC或其他控制器）负责总线通信管理及所有从站的通信，总线上所有设备的生产工艺控制程序存储在主站中，并由主站执行。

现场控制层由现场智能设备、现场智能仪表、远程I/O和网络设备构成。现场控制涉及PROFIBUS协议中PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA两个部分。

PROFIBUS-DP是高速网络，通信速率可达到12Mbit。PROFIBUS-DP可以连接远程I/O、执行机构、智能电动机控制器、人机界面HMI、阀门定位器、变频器等智能设备，一条PROFIBUS-DP网络可以最多连接123个设备。PROFIBUS-DP的拓扑结构可以是总线形、星形和树形，通信介质包括屏蔽双绞线、光纤、无线和滑束线，也支持红外传输，采用双绞线，不加中继器时最远通信距离可达1.2km，最多可以采用9个中继器，最远通信距离可达9km。采用光纤时，最远通信距离可达100km以上，其中采用多膜光纤时，两点间最远距离可达3km，采用单膜光纤时，两点间最远距离可达13km。

PROFIBUS-PA是基于总线供电方式符合本征安全要求的仪表总线（功能上等效于FF总线）。PA系统的通用速率为31.25kbit/s，与系统结构和总线长度无关，支持点对点连接、总线型、混合型、树形拓扑结构。PROFIBUS-PA主要用于连接现场智能仪表，如压力、温度、液位、流量等变送器及其执行机构等。可以采用屏蔽双绞线电缆，也可以采用非屏蔽双绞线电缆，通过总线供电。

（2）车间监控层

车间级监控用来完成车间主生产设备之间的连接，如一个车间中的三条生产线的主控制器之间的连接，以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，有操作员工作站及打印设备。车间级监控网络可采用PROFIBUS-FMS，它是一个多主网，这一级数据传输速度不是最重要的，但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。车间管理网作为工厂主网的一个子网。子网通过交换机、网桥或路由等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。

车间管理层采用通常所说的以太网，即IEC 802.3、TCP/IP的通信协议标准。厂区骨干网可根据工厂实际情况，采用如FDDI或ATM等网络。

管理层由各种服务器和客户机组成，主要由SIS、MIS和ERP系统构成。其主要目的是在分布式网络环境下，将生产过程各工艺段（如DCS系统、程控系统等）的数据和信息（如过程数据、报警信息和设备状态等）进行汇总，从而集成企业的各种信息，实现与In-ternet的连接，完成管理、决策和商务应用的各种功能。通过管理层，公司和集团领导可以实时监控现场设备，通过授权还可以对各系统进行组态。

根据工厂管理、生产过程及功能要求，CIMS体系结构可分为5层，即工厂级、车间级、单元级、工作站级和现场级。简化的CIMS则分为3层，即工厂级、车间级和现场级。在一个现代化工厂环境中，在大规模的工业生产过程控制中，工业数据结构同样分为这三个层次，与简化的网络层次相对应。

现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制、连机控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级MIS系统数据库提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行。因此，现场级与车间级监控及信息集成系统是实现工厂自动化及CIMS系统的基础。

传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统包括基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统，其主要特点之一是现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点）的所谓I/O接线方式，传递4～20mA信号（传送模拟量信息）或24V DC（传送开关量信息）信号，如图3-4所示。传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要缺点如下：

1）信息集成能力不强。控制器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4～20mA模拟量信号或24V DC等开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。底层数据不全、信息集成能力不强，不能完全满足CIMS系统对底层数据的要求。

2）系统不开放、可集成性差、专业性不强。除现场设备均靠标准4～20mA/24V DC连接，系统其他软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出接口，允许其他厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，面向行业的监控系统很少。

3）可靠性不易保证。对于大范围的分布式系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。

4）可维护性不高。由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。

图3-4 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统(https://www.xing528.com)

图3-5 现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统

基于现场总线技术的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统如图3-5所示。基于现场总线的自动化监控及信息集成系统主要优点如下：

1）增强了现场级信息集成能力。现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好地满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4～20mA信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制外，还可完成远程参数化工作。

2）开放式、互操作性、互换性、可集成不同厂家产品。同厂商的产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其他厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。

3）系统可靠性高、可维护性好。基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。

4）降低了系统及工程成本。对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。

2.基于PROFIBUS现场总线控制系统组成

根据PROFIBUS技术原理，一个最小系统至少由一个PROFIBUS（1类）主站和若干PROFIBUS从站组成。主站在一个限定时间内（Token Hold Time）对总线有控制权，从站只是响应主站的请求，它们对总线没有控制权。

1）1类主站。1类主站完成总线通信控制与管理，完成周期性数据访问。PLC、PC可做1类主站的控制器。1类主站可有以下几种配置：

①由PLC作为PROFIBUS 1类主站，如S7-300（-2DP、CP342-5），S7-400（-2DP、CP442-5）；主站配置的软件有配置和控制软件，如STEP7；从站提供GSD文件。PLC作为PROFIBUS 1类主站构成的系统，广泛应用于单机控制系统，如图3-6所示。

图3-6 PLC做PROFIBUS 1类主站构成应用广泛的单机控制系统

②PC＋网卡作为PROFIBUS 1类主站，PC为CP5611、CP5613等，网卡如CP5；主站配置的软件有配置和驱动软件，如COMPROFIBUS、SIMATICNET；控制软件如WinAC、WinCC等；从站提供GSD文件。

③HMI作为1类主站，HMI、PLC、主站一体化系统如图3-7所示。系统中连接其他通信协议（如RS-232/485，自定义协议、MODBUS、MPI、Ethernet、CAN、DeviceNet、Inter-Bus等）的监控系统如图3-8所示。

图3-7 HMI、PLC、主站一体化系统

采用其他公司PLC或网卡做PROFIBUS 1类主站需注意的事项有：

①PLC中插入第三方的PROFIBUS通信模块，应使用与其相关的配置软件。

②技术指标。最大多少从站、每个从站最大I/O、最大波特率等。

③配置软件功能。如有些配置软件不支持复杂的GSD文件结构、少数配置软件不支持用户参数化功能等。

2）2类主站。2类主站包括操作员工作站（如PC加图形监控软件）、编程器、HMI、操作员接口等，2类主站完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。

3）从站。下列设备可做PROFIBUS上的一个从站：

①PLC（智能型I/O）。PLC可做PROFIBUS上的一个从站。PLC自身有程序存储功能，PLC的CPU部分执行程序并按程序指令驱动I/O。作为PROFIBUS主站的一个从站，在PLC存储器中有一段特定区域作为与主站通信的共享数据区。主站可通过通信间接控制从站PLC的I/O。

②分散式I/O（非智能型I/O）。通常由电源、通信适配器、接线端子组成。分散式I/O不具有程序存储和程序执行功能，通信适配器接收主站指令，按主站指令驱动I/O，并将I/O输入及故障诊断等信息返回给主站。通常分散型I/O由主站统一编址，这样在主站编程时使用分散式I/O与使用主站的I/O没有什么区别。

③驱动器、传感器、执行机构等现场设备。即带PROFIBUS接口的现场设备，可由主站在线完成系统配置、参数修改、数据交换等功能。至于哪些参数可进行通信及参数格式则由PROFIBUS行规决定。

图3-8 系统中连接其他通信协议的监控站系统