摘要：為適應市場經濟的競爭，目前各油田減少設備檢修維護成本，實行狀態(tài)檢修，要將各分散的工藝段自動化系統(tǒng)形成一整體，便于對設備狀態(tài)進行監(jiān)控，運用PROFIBUS現(xiàn)場總線技術，就可徹底解決這一自動化孤島整合與一體的問題，使油田基于設備狀態(tài)的檢修成為可能。
　　關鍵詞：PROFIBUS；通訊協(xié)議；系統(tǒng)結構；PROFIBUS 網(wǎng)絡設計
　　中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A
　　
　　1 概述
　　
　　PROFIBUS（PROCESS FIELD-BUS）誕生于1987年，1989年被立項為德國國家標準DIN19245、91、92、93、95年，PROFIBUS-FMS（DIN 19245，第1，2部分）-DP（DINl9245，第3部分）和-PA（DINl9245，第4部分）先后被批準實施。1996年3月，PROFIBUS被CENELEC-歐洲電工標準化委員會批準為歐洲標準EN50170（第2卷）。它以每年20-30％的驚人速度發(fā)展，目前全世界PROFIBUS設備安裝總數(shù)已達200多萬臺，由200多家企業(yè)生產的PROFIBUS產品已達1600多種以上，應用實例多達20多萬個，總投資達45億多美元。在我國，相應的組織機構是CPO-China PROFIBUS Organization，成立于1997年7月3日。國內為數(shù)眾多的企業(yè)運用PROFIBUS-DP成功地實現(xiàn)了從食品、機械、樓宇、煙草、鋼鐵、電站直至環(huán)保工程的自動化，并取得了明顯的經濟效益。
　　在現(xiàn)場級（Field Level）的現(xiàn)場設備與控制室內的自控裝置之間進行的串行數(shù)據(jù)傳輸通訊的數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)，稱為現(xiàn)場總線系統(tǒng)（Fieldbus Systems）�，F(xiàn)場總線技術推動了現(xiàn)場智能設備和智能儀表的發(fā)展，使傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)與現(xiàn)場總線融合于一體，不僅形成了一個信息網(wǎng)絡技術、全集成自動化系統(tǒng)，還推動了以現(xiàn)場設備為基礎形成的網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng) FCS 的出現(xiàn)、發(fā)展和廣泛應用。目前在全球范圍內被廣泛認可的現(xiàn)場總線系統(tǒng)包括：PROFIBUS、FF、ControlNet、PROFINET、PNET等十大總線系統(tǒng)。
　　
　　2 PROFIBUS 現(xiàn)場總線的自動化系統(tǒng)結構
　　
　　2.1PROFIBUS 現(xiàn)場總線通訊協(xié)議
　　PROFIBUS協(xié)議滿足ISO／OSI網(wǎng)絡化參考模型對開放性現(xiàn)場總線系統(tǒng)的要求，構成從傳感器／執(zhí)行器、現(xiàn)場級、單元級直至管理級的透明的通訊系統(tǒng)。根據(jù)EN50170，它有三個成員或三種類型，即FMS、DP、PA，分別適用于不同的領域，這三種類型均使用統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議。
　　1.PROFIBUS DP：在參考模型中，使用第1、2層和用戶層。主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應用于工廠與樓宇自動化中場級之間的高速數(shù)據(jù)通訊。
　　2.PROFIBUS PA：電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統(tǒng)中本質安全要求的放爆場合，是PROFIBUS-DP向現(xiàn)場的延伸。
　　3.PROFIBUS FMS：使用參考模型中的第1、第2和第7層，定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動化系統(tǒng)中系統(tǒng)級和車間級的過程數(shù)據(jù)交換，可提供34種FMS服務，實現(xiàn)對變量的訪問、程序調用和運行控制及事件管理等。
　　
　　2.2PROFIBUS 現(xiàn)場總線的自動化系統(tǒng)結構
　　PROFIBUS 現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)分成現(xiàn)場控制層、監(jiān)控層和企業(yè)管理層三層。
　　
　　2.2.1 現(xiàn)場控制層
　　現(xiàn)場控制層由現(xiàn)場智能設備、現(xiàn)場智能儀表、遠程I/O 和網(wǎng)絡設備構成�，F(xiàn)場控制涉及PROFIBUS 協(xié)議PROFIBUS-DP 和PROFIBUS-PA 兩個部分。
　�。�1）PROFIBUS-DP 是高速網(wǎng)絡，通訊速率達到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠程I/O、執(zhí)行機構、智能馬達控制器、人機界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設備， 一條PROFIBUS-DP 總線可以最多連接123 個從站設備。PROFIBUS-DP 的拓撲結構可以是總線型、星型和樹型，通訊介質可以是屏蔽雙絞線、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線時，不加中繼器最遠通訊距離可達1.2 公里，最多可以采用9 個中繼器，最遠通訊距離可達9 公里。采用光纖時，最遠通訊距離可達100 公里以上，其中采用多膜光纖，兩點間最遠距離可達3 公里，采用單膜光纖時，兩點間最遠距離可達3 公里。
　�。�2） PROFIBUS-PA 是低速現(xiàn)場級網(wǎng)絡，通訊速率為31.25kb/s，支持點對點連接、總線型、混合型、樹型拓撲結構。PROFIBUS-PA 主要用于連接現(xiàn)場智能儀表，如壓力、溫度、液位、流量等變送器及其執(zhí)行機構等�？梢圆捎闷帘坞p絞線電纜，也可采用非屏蔽雙絞線電纜，可通過總線供電。
　　2.2.2監(jiān)控層
　　監(jiān)控層由高速工業(yè)以太網(wǎng)以及連接在總線上的擔任監(jiān)控作務的工作站或顯示操作站、工程師站、PLC/DCS 控制器組成。隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)的通訊速率也在不斷提高，目前工業(yè)級的千兆以太網(wǎng)已經在工業(yè)自動化領域大量應用。
　　2.2.3企業(yè)管理層
　　企業(yè)管理層由各種服務器和客戶機組成，主要由SIS、MIS 和ERP 系統(tǒng)構成。其主要目的是在分布式網(wǎng)絡環(huán)境下，將各工藝段（例如DCS 系統(tǒng)、輔助程控系統(tǒng)等）的數(shù)據(jù)和信息（如過程數(shù)據(jù)、報警信息和設備狀態(tài)等）進行匯總，從而集成企業(yè)的各種信息，實現(xiàn)與Internet 的連接，完成管理、決策和商務應用的各種功能。通過管理層，公司和集團領導可以實時監(jiān)控現(xiàn)場設備，并通過授權還可以對各系統(tǒng)進行組態(tài)。
　　
　　3 PROFIBUS 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)點
　　
　　3.1開放性
　　PROFIBUS 是一個完全開放的、與制造商無關的、無知識產權保護的現(xiàn)場總線標準，全球有超過250 家公司可以生產超過2000 種支持PROFIBUS 的系統(tǒng)和設備。PROFIBUS 的開放性保證了不同制造廠商的產品的互連。例如西門子公司的DCS 或PLC 可以通過PROFIBUS 連接第三方的遠程I/O、智能設備和儀表，這些連接只需要產品制造商提供相應的GSD文件或EDD 文件，然后進行簡單組態(tài)即可實現(xiàn)。目前國際知名的自動化系統(tǒng)制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON、FOXBORO 等和知名的儀表制造商如：SIEMENS、EMERSON 等都可以提供豐富的支持PROFIBUS 的產品。知名的PLC 品牌如：SIEMENS、MODICON、AB 也都支持PROFIBUS 總線。
　　
　　3.2可靠性
　　PROFIBUS 現(xiàn)場總線已安裝運行節(jié)點數(shù)超過1000 萬個，大大高于其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)，它是IEC61158 的重要組成部分，并于2001 年成為中國的行業(yè)標準JB/T 10308.3-2001。PROFIBUS 的可靠性表現(xiàn)在以下幾個方面：
　　1．PROFIBUS 總線上的數(shù)據(jù)傳輸是完全基于數(shù)字信號實現(xiàn)的，這樣可以大幅提高信號傳輸過程中的抗干擾能力。
　　2．采用PROFIBUS 總線直接連接現(xiàn)場智能設備，可以減少大量接線點，減少了由于接線不牢或接線不規(guī)范引起的故障。
　　3．PROFIBUS 連接智能設備，減少了A/D 轉換的環(huán)節(jié)，提高了自動化系統(tǒng)的采集精度，為精確控制提供保障。
　　4．PROFIBUS 上各設備的連接非常簡單，并可以通過專用剝線工具和PROFIBUS 接頭，減少接線風險；同時PROFIBUS 接頭可以保證總線上任何一個節(jié)點故障不影響系統(tǒng)通訊。
　　5．支持冗余總線系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。
　　
　　3.3擴展靈活
　　采用PROFIBUS 總線結構的控制系統(tǒng)，擴展非常方便靈活，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
　　1．拓撲結構靈活，可以支持總線型、星型、樹型、冗余環(huán)型等多種拓撲結構。
　　2．支持光纖和雙絞線作為通訊介質，采用多模光纖時，兩個光電模塊間的距離可達3KM，采用單模光纖時，兩個光電模塊間的距離可達26KM；采用雙絞線不加中繼的最遠通訊距離可達1KM，采用中繼時最遠可達9KM。
　　3．一條PROFIBUS-DP 總線最多可以連接123個DP從站，所有滿足PROFIBUS-DP通訊規(guī)約的設備都可以連接到系統(tǒng)中。目前全球有超過1200 家公司可以生產超過2000 種支持PROFIBUS 的產品，因此具有很強的開放性和可擴展性。
　　4．提供多種接口設備，用于將冗余DP總線轉換成單DP總線和將冗余DP總線轉換成PA總線，可以將DP 總線轉換成Asi 總線等，非常便于擴展。
　　5．PROFIBUS 同時可以支持PROFIsafe 協(xié)議，一條總線上既可以傳輸標準數(shù)字信號，也可以同時傳輸故障安全的信號。
　　6．提供可用于危險領域的接口模塊，可以支持在危險區(qū)域的應用。
　　
　　3.4實時性
　　采用PROFIBUS 總線的系統(tǒng)具有很高的實時性，這是由PROFIBUS 總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率高所決定的。PROFIBUS-DP 總線的傳輸速率可達12M，是目前通訊速率最高的現(xiàn)場總線。
　　3.4.1PROFIBUS-DP 總線的響應時間
　　計算PROFIBUS-DP 總線的響應時間可以按下面的計算公式進行計算：
　　t Cycle_DP = （317 x （nSlaves） + 11 x （nBytes） ） x Tbit
　　317 是一個常數(shù)，表示一個DP 從站建立通訊連接所需的數(shù)據(jù)位；
　　第一個N 表示整個PROFIBUS-DP 總線上的從站數(shù)量；
　　第二個N 表示整個PROFIBUS-DP 總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總數(shù)，單位為字節(jié)。
　　如果總線系統(tǒng)中還有PA 總線，則PA 總線的響應時間為：
　　t Cycle_PA-channel = （317 x （nSlaves） + 8 x （nBytes） ） x Tbit
　　整個PROFIBUS-DP 系統(tǒng)的響應時間為：
　　t Cycle = t Cycle_PA-channel + t Cycle_DP + t Acylic
　　3.4.2PROFIBUS 總線系統(tǒng)的實時性
　　從上面的公式可以看到，一個典型的通過PA 總線連接的智能儀表的響應時間為10ms；
　　一個典型的通過PA 總線連接的執(zhí)行機構的響應時間為15ms；
　　一個PROFIBUS-DP 從站的響應時間

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