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测控技术与测控网络系统论文

测控技术与测控网络系统 

（论文） 

题  目：

PROFIBUS 

     2013年 5月4日 

P R O F I B U S 

摘要 

     PROFIBUS是面向工厂自动化和流程自动化的一种国际性的现场总线标准。

它已被广泛应用于制造业自动化（汽车制造，装瓶系统，仓储系统）、过程自动化（石油化工，造纸和纺织品工业企业）、楼宇自动化（供热空调系统）、交通管理自动化、电子工业和电力输送等行业。

在可编程控制器、传感器、执行器、低压电器开关等设备之间传递数据信息。

关键词：

 PROFIBUS，网络化测控系统，现场总线，总线存取 

一．当前网络化测控系统的现状和发展趋势：

     测控技术的两个方面，一个是测一个是控。

“测”是依靠传感器和信号传输电路，即测控电路；“控”则是依靠现代计算机的计算  处理能力，根据数据得出相应结果，通过反馈等方式控制整个系统。

计算机已经成为测控技术中的中坚力量，于是，网络技术也就自然而然的越来越成为测控技术满足实际需求的关键支持。

但是不可否认，测控电路依然是测控技术发展的基础，和另一个重要的发展方向。

目前，应用较多的现代控制策略主要有自适应控制、变结构控制、鲁棒控制和预测控制等。

就应用而言，现代测控技术在当今社会的各个行业中,起着举足轻重的作用。

其中，现场仪表与控制室装置之间通信采用模拟信号4～20mA，数字控制仪表内部的信号处理为数字信号，但输入仍为4～20mA，控制装置之间和控制装置与上位计算机之间采用数字通信技术。

例如目前数字控制仪表，DCS系统，PLC系统，FCS系统等。

     从20世纪80年代中期以来，CIMS日渐成为制造工业的热点，原因在于CIMS是在新的生产组织原理和概念指导下形成的一种新型生产模式。

大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。

随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，现代检测技术将朝着检测结果高精度、系统智能化、检测结果数字化、检测功能多元化、检测器件微型化、检测系统自动化的放向发展，它将广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等许多科学领域。

测量单元微小型化、智能化测量控制与仪器仪表大量采用新的传感器、大规模和超大规模集成电路、计算机及专家系统等信息技术产品，不断向微小型化、智能化发展，从目前出现的“芯片式仪器仪表”，“芯片实验室”、“芯片系统”等看，测量单元的微小型化和智能化将是长期发展趋势。

从应用技术看，微小型化和智能化测量单元的嵌入式连接和联网应用技术得到重视。

测控范围向立体化、全球化扩展，测量控制向系统化、网络化发展。

随着仪器仪表所测控的既定区域不断向立体化、全球化甚至星球的发展，仪器仪表和测控装置向测控装置系统化、网络化方向发展。

例如卫星测控系统，运载火箭上配置的各种传感器就达到数千，而卫星上各种测控装置构成一个完整的自动测控系统，然后和多个地面站的测控系统构成一个广域测控系统。

二．现场总线简介：

1、基金会现场总线（FF）.FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。

后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。

FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。

 2、CAN.控制器局域网,最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域。

 3、Lonworks.采用Lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业，被誉为通用控制网络。

 4、PROFIBUS .PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。

由PROFIBUS--DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS－PA系列组成。

5、HART .HART最早由Rosemount公司开发。

其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品.

图1典型现场总线及特性对照表

三．PROFIBUS简介：

PROFIBUS是ProcessFieldbus的缩写，是面向工厂自动化和流程自动化的一种国际性的现场总线标准。

它已被广泛应用于制造业自动化（汽车制造，装瓶系统，仓储系统）、过程自动化（石油化工，造纸和纺织品工业企业）、楼宇自动化（供热空调系统）、交通管理自动化、电子工业和电力输送等行业。

在可编程控制器、传感器、执行器、低压电器开关等设备之间传递数据信息，承担控制网络的各项任务。

到2005年12月，在全世界安装的PROFIBUS节点已达1540万个。

仅在2005年这一年中，PROFIUS的节点数就增加了280万个之多。

PROFIBUS中主要包含有PROFIBUS—DP，PROFlBUS—FMS，PROFIBUS-PA三个子集，以满足工厂网络中的多种应用需求。

PROFIBUS的三个子集的特点如下：

    PROFIBUS—DP是专为自动控制系统与设备分散I/O之间的通信而设计的，用于分布式控制系统设备间的高速数据传输。

DP V0:

规定了周期性数据交换的所需要的基本功能，提供了对PROFIBUS的数据链路层DDL的基本技术描述以及站点诊断、模块诊断和特定通道的诊断功能。

DP V1：

包括有依据过程自动化的需求而增加的功能，特别是用于参数赋值、操作、智能现场设备的可视化和报警处理等。

DP V2：

包括有根据驱动技术的需求而增加的其它功能，如同步从站模式，实现运动控制中时钟同步的数据传输、从战对从站通信，驱动器设定值的标准化配置等等。

PROFIBUS-FMS适用于承担车间级通用型数据通信，可提供通用信量大的相关服务，完成中等传输速度的周期性和非周期性通信任务。

PROFIBUS-PA是专为过程自动化而设计的，采用IEC 1158-2中规定的通信规程，适用于安全性较高的本质安全应用，及需要总线供电的场合。

图2PROFIBUS的通信参考模型及其子集间的关系

PROFIBUS 的DP和FMS均采用RS-485作为物理层的连接接口，传输速度在9.6Kb/s—12Mb/s之间可选。

图3   PROFIBUS在工厂网络中的应用层次应用范围

PROFEIBUS的通信参考模型：

PROFIBUS以OSI开放系统互联模型为参考，PROFIBUS-DP采用了通信参考模型的第一层、第二层和用户接口，PROFIBUS-FMS定义了第1、2和7层，PROFIBUS-PA在数据链路层采用扩展的基于Token-Passing的主从分时轮询协议，物理层采用IEC 1158-2标准。

PROFIBUS DP和PROFIBUS PA必须通过耦合器相联。

图4   由耦合器连接的PA和DP网段 

四．PROFIBUS-DP的工作过程

PROFIBUS-DP的基本特点：

1.网络中所有从站具有同样的优先权； 2.网络可以是单主站或多主站结构； 

3.可以进行循环和非循环通信。

第一类主站和从站间的通信是循环的、不间断的；和2类主站有关的通信都是非循环数据通信，可以通过DP-V1来实现； 4.为了安全原因，只能有一个主站对相应的从站进行控制（写入数据）； 5.一类主站和二类主站均可以读取从站的数据； 6.每个从站可以有多达244字节的输入和输出数据； 7.传输速率可以高达12Mbps。

PROFIBUS的主站和从站：

1类主站：

1类主站指有能力控制若干从站、完成总线通信控制与管理的设备。

如PLC、PC等均可作为一类主站。

2类主站：

2类主站指有能力管理1类主站的组态数据和诊断数据的设备，还可以具有1类主站所具有的全部通信能力，用于完成各站点的数据读写、系统组态、监视、故障诊断等。

如编程器、操作员工作站、操作员接口等都是2类主站。

 从站：

提供I/O数据并可以分配给1类主站的现场设备，也可以提供报警等非周期性数据。

从站在主站的控制下完成组态、参数修改、数据交换等。

从站由主站统一编制，接收主站指令，按主站的指令驱动I/O，并将I/O的输入及故障诊断等信息返回给主站。

驱动器、传感器、执行机构等带有PROFIBU接口的I/O现场设备均可以作为从站。

图5一个简单的PROFIBUS系统

PROFIBUS-DP的总线存取过程：

各主站之间采用令牌（Token）交换的规则，按序交换令牌。

令牌相当于一种权力，谁握有令牌，谁就有对总线的使用权力，没有令牌的一方只有等待。

令牌只有一个，所以同一时间内只能有一个主站拥有令牌，这就避免了多人发布命令而造成的混乱。

在拥有令牌的时间内，该主站必须完成它应该完成的任务。

从站只能接受主站的请求而产生响应，它不能向主站提出请求。

每个主站都有它自己所控制的从站，它不能控制其他主站的从站，但它可以读取其他从站的数据。

第二类主站可以对任何从站进行读取操作，但这种操作是非循环的。

图6令牌传递与主从通信

图7PROFIBUS的令牌逻辑环

主站工作过程：

    当主站从组态工程工具（2类主站）接收到它的参数配置后，它就开始同属于它的从站进行通信了。

主站的参数配置包括参数化/组态数据，以及它所控制和联系的从站地址。

主站正是通过参数化和组态这两个报文认识属于它的从站的，主站只和它自己的从站进行联系。

    上电时，主站先和从站联系检查它们的时基（波特率），主站通过组态报文把波特率送给从站，使从站自动适应主站所设置的波特率。

从站监控它所接收到的每一个报文，一旦发现任何不正确的通信结果或现象，主站立即通过诊断报文得到消息，从站会自动将它的输出设置到安全状态。

随后主站会重新对从站进行参数化和组态。

    上电或复位后，主站和它的从站的通信顺序按地址号从小到大进行，主站之间的令牌传递也是按地址号从小到大进行的。

从站工作过程：

     从站的状态机制集成在ASICs的硬件中，用户不能对它进行干预。

     Power_On  在上电时，从站可以从2类主站接收“设置从站地址”（Set-Slave-Address）报文，改变从站地址。

也只有在上电时从站才能改变地址。

 Wait_Parameterization  在最初的内部起动后，进入等待参数化（Wait_Prm）阶段，这时从站可以接收诊断请求报文或参数化报文，但不能接收其他任何报文。

参数化报文中包含许多标准化的信息，如是否支持同步/锁定（Sync/Freeze）方式、主站地址以及其他用户定义的功能。

     Wait_Configuration  接下来进入等待组态（Wait_Cfg）阶段，组态报文主要定义数据交换中输入/输出字节的数量，从站会核查该组态是否适合自己，并把结果报告给主站。

对每个主站来说，它可以在从站的任何状态下得到“获取组态”（Get_Cfg）报文。

Data_Exchange如果参数化报文和组态报文都被从站接受的话，说明对该从站成功完成了组态。

接下来主站和从站就可以自动进入数据交换阶段了。

Diagnosis诊断报文有高的优先级，从站状态机构的状态、参数化/组态的正确与否，以及用户所设定的诊断内容都包含在诊断报文中，从站在任何状态下都可以响应主站诊断报文的请求。

在从站初始化时，从站可能会发送回一个错误信息或状态信息。

Watchdog从站利用看门狗功能监控总线的通信情况，保证主站处于激活状态，保证通信及过程数据一直处于更新状态。

看门狗的时间是在参数配置报文中确定的。

在每一次正常的通信回合后，它都能被复位。

如果有意外发生，看门狗时间溢出，则从站状态机构自动返回到Wait_Prm状态，并把输出设置到安全状态（根据是否设置安全状态而定）。

五．基于PROFIBUS的现场总线系统在油田中的应用

为了将油井的生产管理由人工管理变成自动化管理，实现油井的远程实时监控，提出了采用SIEMENS OSM形成一个双环冗余的工业以太网的方法，以应用油井远程监控系统（RTU／SCADA）解决油井生产管理的自动化问题．该系统基于PROFIBUS现场总线，采用SIEMENS OSM形成一个双环冗余的工业以太网，在网络或器件出现问题时均能保证网络的通畅，可实现油井的远程实时监控、计量站无人值守、联合站生产参数和设备运行状态自动检测等，对实现油井管理的自动化、提高工作效率、保证数据采集的准确性及加强现场事故的应急处理等都起到了重要的作用． 1、采油平台设计 

陆采平台使用SIEMENS PCS7冗余控制器AS414-4H和分布式I／O ET200M组成RTU，实现数据采集及控制要求．AS414-4H与ET-200M使用PROFIBUS现场总线连接，连接时使用一个带光纤接口的IMl53高性能接口模板．工艺参数远传以光纤为介质，使用西门子的OSM．各平台示意图如图9所示，1号陆采平台的光纤网络连接中控室和2号陆采平台．

图9采油平台示意图

2、光纤网络设计 

光纤网络采用SIEMENS OSM形成一个双环冗余的工业以太网，在网络或器件出现问题时均能保证数据传送的通畅，实现双网冗余热备份运行． 双环冗余网络连接的示意图如图10所示．

 图10   双环冗余网络连接示意图

3、控制中心设计控制中心包括冗余服务器2台，操作员站2台，工程师站l台，数据库／历史站l台，冗余集线器2套，AS414-4H控制器1台．每台计算机安装2块CPl613网卡，其中操作员站和工程师站接到一台集线器上，其余接到环行网络的另一集线器上．控制中心示意图如图11所示．

图11控制中心示意图

1.数据库历史                    5. 操作员站 

2.冗余服务器                    6. SIEMENS PCS7冗余控制器   3.工程师站                      7.双绞线转光纤模块 4.工业以太网（双管冗余）          8.具有光纤接口的M153 

六．基于PROFIBUS的现场总线系统在污水处理中的应用 

某采油厂之联合站是一个集油、气、水联合处理的大型工作站。

它的岗位较多，有中心控制室、油岗、水岗、加热炉等，并且比较分散，距离较远。

Danfoss变频器应用于水岗中过滤罐的反冲洗泵及搅拌器的驱动。

反冲洗液量要求定量、定时，且搅拌器要与反冲洗泵协调工作，同时要求反冲洗过程可以在中心控制室监控，又可以在水岗监控。

采用Danfoss变频器带Profibus功能，通过现场总线Profibus DP协议，只用一根双绞屏蔽线即可实现制程流程控制及Danfoss变频器参数的设定、相关数据的读取。

系统 Siemens工控机一台，Siemens PLC 300一套，Siemens操作面板OP37一台，Danfoss变频器两台（含Profibus卡），离心泵两台，搅拌器十六台。

控制方案   联合站污水岗共有2台55 kW反冲洗泵，16台18.5 kW反冲洗搅拌器。

选用1台VLT 5062，带2台反冲洗泵，由Siemens PLC控制两台泵间的切换。

1台VLT 5032带16台反冲洗搅拌器，由Siemens PLC来实现16台反冲洗搅拌器间的切换以及与反冲洗泵的协调工作。

驱动反冲洗泵的变频器接受反冲洗流量计回授的4～20 mA流量信号构成制程闭回路，以控制反冲洗液量。

泵起动信号由控制中心或水岗操作员面板经Profibus现场总线给出。

当流量达到时反冲洗变频器（VLT 5062）给反冲洗搅拌变频器（VLT 5032）一个允许起动信号，搅拌开始。

定时到达后停止，等待反冲下一个滤罐。

图12联合站污水岗总线连接

系统特点  本系统采用了过程自动化控制中的现场总线Profibus协议，使整个系统的

安装、试车、监控、维护变得简便易行。

 在现场总线Profibus协议的使用过程中应注意以下重点：

 Danfoss变频器中Profibus卡的安装； Profibus卡的总线地址设定；Danfoss变频器中8、9组参数的设定； Danfoss变频器（已装Profibus卡）在现场总线Profibus协议上的挂接（在Siemens PLC硬件组态中进行）； 将变频器的状态通过总线读出，传送到各个监控室。

因为使用了现场总线这些工作变得及其简便； 整个系统在实际使用过程中，系统响应快，操作简便，反冲液量平稳，搅拌效果良好，节能显著（反冲洗泵达46%，搅拌器节能达31%），污水处理效果高于设计标准。

参考文献：

《现场总线技术及其应用》  阳宪惠     清华大学出版社  

《自动检测和过程控制》    刘元扬     冶金工业出版社