Profibus在网络化测控系统的中的技术原理及其应用

《测控技术与测控网络系统》结课论文

Profibus在网络化测控系统的中的技术原

理及其应用

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Profibus在网络化测控系统的中的技术原理及其应用

摘要：首先简介了当前网络化测控系统的发展过程，现状，趋势，然后举例说明PROFIBUS总线的基本原理，最后分析了PROFIBUS总线的优缺点以及发展前景。

关键字：测控网络，现场总线，PROFIBUS,应用前景

一.当前网络化测控系统发展过程，现状，趋势。

网络信息技术的迅猛发展和广泛应用，使许多科学技术和生产领域发生了巨大的变革。网络信息技术与智能测控技术的结合，产生了基于网络环境的智能测控新领域，两者的融合正使信息和控制两大领域的相关理论和技术得到迅速发展。工业现场测控网络、远程智能测控、网络化分布式智能测控等正成为国内外研究的热点。这些网络化智能测控技术的发展和广泛深入应用必将极大地改变人们的生产方式、工作方式和生活方式，引起技术的、经济的、社会形态的变革。

1.工业现场测控网络技术

1.1集散控制系统

早期的测控系统是由单片机、PC机、工控机等为核心的多个分散单元构成，借助于S－100或STD等总线形成测控系统，这样的测控系统由于采用集中式控制方式,系统的可靠性低,现场连线长且多,稳定性较差，抗干扰能力较弱，难以实现大范围的有效测控。之后出现了集散控制系统（DCS），其核心思想是集中监视、分散控制，上位操作员站用于集中监视管理功能。 DCS的联网手段和网络结构均不灵活，缺乏开放性。不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享。集散控制系统实质上是一种封闭专用的、不具互操作性的网络控制环境。

1.2现场总线控制系统

在用户对网络控制系统提出的开放化、彻底分散化和降低成本的迫切要求下，现场总线控制系统应运而生。现场总线（Fieldbus）是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型标准。现场总线控制系统（FCS）是用开放的现场总线通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的分布式实时网络控制系统。现场总线是一种开放的、具有可互操作性的实时通讯网，FCS将控制功能彻底下

放分散到现场各控制器和仪表设备，提高了现场控制仪表设备的智能化程度和功能自治性，系统有更高的可靠性和灵活性、较低的安装及维护成本。

FCS是工作站—现场智能仪表设备的二层分布式结构，FCS废弃了DCS的控制站，把DCS控制站分散到现场仪表设备，实现了彻底的全分布式网络测控。功能的分散使得风险分散，因此FCS比DCS有较高的可靠性。

90年代兴起的现场总线技术对工业测控系统的发展带来了很大的影响，其产生的巨大经济效益使得欧美大型控制设备生产集团在近十年来围绕现场总线的国际标准展开了激烈的竞争，导致了多种标准并存的局面。国际电工委员会（IEC）在2000年1月通过了IEC61158国际标准，该标准包括8种类型的现场总线标准：FF－H1，ControlNet,Profibus,P-NET,FF-HSE,SwiftNet,WorldFIP及Interbus。每种类型的现场总线采用完全不同的通信协议，难以实现这些总线的相互兼容，这种多种现场总线并存竞争的局面还将长期存在。现场总线技术对于面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术起到了巨大的推动作用，然而其标准的多样性和开放的不彻底性又不尽人意。

1.3工业以太网

以太网技术应用于工业测控所形成的工业以太网，其最大的优势在于它应用的广泛性和开放性。作为IT领域的主流网络技术，以太网经历了近三十年的发展，已经形成了十分巨大的硬件、软件和人才资源，很多成熟的技术和产品都可以直接移植或借鉴到工业以太网上来。采用工业以太网，可以实现彻底的技术开放和标准统一，可以和企业信息网Intranet及全球互联网Internet实现无缝连接，能便利地实现管控一体化及现场测控网、Intranet、Internet三级网络的有机融合，实现先进的全企业的、跨地域的分布式管理和测控，极大地提高生产和管理效率。

以太网技术的迅猛发展为其进入工业现场测控领域奠定了坚实的基础，工业以太网成为发展的必然趋势。可以预测，工业以太网的飞速发展将结束目前在现场总线标准上的纷争，将大大提高企业自动化、网络化和信息化的水平。

2.基于Internet的嵌入式系统远程测控技术

嵌入式Internet正成为当前国内外IT业发展的热点领域，也是测控网络发展的重要方向。目前，许多公司都在致力于嵌入式Internet技术的开发，已提出了多种嵌入式系统与Internet互联的解决方案。如：emWare公司的EMIT技术、Microchip公司的iPIC系列单片机、SceNIx公司的SX系列单片机、Seiko公司的iChipS7600A芯片、P&S公司的WebchipPS2000芯片以及Dallas公司的DS80C400网络微控制器及其TINI技术等就是一些典型的产品和技术。

3.基于Multi-Agent的网络化智能测控

90年代开始，多智能体系统（MAS,Multi-AgentSystem）成为分布式人工智能的研究热点，其理论尚在不断发展和完善中。MAS由多个Agent组成，Agent是运行于动态环境中具有较高自治能力的智能体，它可以是系统、智能节点、机器或一个软件程序等。Agent能在目标任务的驱动下主动采取包括学习、通信、社交等手段感知、适应其外部环境的动态变化，并做出相应的反应。MAS中的各Agent之间具有较为松散和相对独立的分布式关系，多Agent之间能相互对话、相互适应、协同工作，完成单个Agent不能完成的任务。MAS理论和方法是传统的、常规的测控理论和技术难以或无法解决的对复杂现场环境、分布对象进行智能测控的有效解决手段。

目前，在分布式测控领域，MAS的研究在国外逐渐增多，国内也在起步，但大多这些研究或者停留在理论层面，或者只具备不多的Agent特性，并且少有与控制算法有机融合。复杂工业过程智能测控的需求以及单元自动化系统的普遍存在、工业测控网络的发展必将加速基于Multi-Agent的网络化智能测控技术的成熟和广泛应用。

网络化智能测控技术的发展方兴未艾，是一个十分活跃和具有挑战性的领域，它是计算机与自动化学科相互交叉结合的产物，与计算机网络、自动控制、分布式人工智能等理论和技术有着密切的关系。这些理论和技术的融合发展必将促进现代智能控制新技术、新系统和新理论的产生，将广泛应用于工业测控、航空航天、交通监管、智能楼宇与家居、汽车自动控制等领域。

二.举例说明PROFIBUS总线基本原理

1. Profibus的概述

Profibus是德国于90年代初制订的国家工业现场总线协议标准，代号

DTN19245，目前Profibus现场总线技术已被列为IEC61158国际标准，是不依赖于设备生产商、开放的、国际化的现场总线标准之一，也是世界上应用最广泛的现场总线技术，应用于制造自动化、流程工业自动化、楼宇、交通、电力等领域的自动化控制系统中。

2. PROFIBUS的组成

（1）Profibus-DP是一种高速(数据传输速率9. 6kb/s-12Mb/s)、经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散外设之间的通信，适合于加工自动化领域，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求，

(2) Profibus-PA用于过程控制，用IECII58-2标准，传输速率为31. 25kb/s，提供本质安全特性，适用于安全性要求较高以及由总线供电的场合;

(3) Profibus- FMS意为现场信息规范，主要解决车间级通信问题，完成中等传输速率的循环或非循环数据交换任务，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控 制器、低压开关等一般自动化。

DP、PA以及FMS的完美结合使得Profibus现场总线在结构和性能上优越于其他现场总线。

3. Profibus-DP参考模型

Profibus协议结构是根据lS07498国际标准，以开放式系统互联网络作为参考模型的。

(1). Profibus-DP定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及 系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同Profibus- DP设备的设备行为。

Profibus-DP物理层与ISO/OSI参考模型的第一层相同，采用EIA-RS485协议，根据数据传 输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输媒体。

Profibus-DP数据链路层协议媒体访问控制(MAL)部分采用受控访问的令牌总线和主从方式。其中令牌总线与局域网lEE四024协议一致，令牌在总线上的各主站间传 递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表与从站或与其他主站进行通信。主从方式的数据链路协议与局域网标准不同，它符合HDLC中的非平衡正常响应模式(NRM)。该模式的工作特点是:总线上一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立-条逻辑链路;主站发出命令，从站给出响应;从站可以连续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为3个阶段:数据链路建立、帧传输和链路释放。

(2).Profibus-FMS定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范和低层接口。Profi bus-FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。协调不同的通信关 系并提供不依赖设备的第二层访问接口。

(3).Profibus- P A的数据传输采用扩展的Profibus-DP协议。另外， Profibus-PA还描述了现场设 备行为的PA行规。根据IEC1158-2标准，

Profibus-PA的传输技术可确保其安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在Profibus-DP上扩展PA网络。

4. Porfibus总线访问控制方式

Porfibus支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间 采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主—从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取 对所有站点广播(不要求应答)或有选择地向一组站点广播。Profibus的传输速率为96～12kbps最大传输距离在12kbps时为 1000m，15Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。

5 .PROFIBUS总线具有下面特点:

（1）.用一根串行的数字总线替代传统的并行24V信号和4～2OmA模拟信号

（2）.通过一根双芯屏蔽电缆连接中央控制器和现场设备

（3）.同样适用于防爆环境和有安全要求的应用:一个系统适合于不同的应用

（4）.数据和电源通过同一根电缆传输（PA）

（5）.对于所有的设备，只需要一个通用的组态和工程工具

（6）.连接不同厂商的设备

（7）.开放的、不依赖于厂商的现场总线，并符合IEC61158国际标准（Type3）

6. Profibus在水电站廊道排水系统的应用

用基于Profibus现场总线的分布式网络结构，采用单主站/多从站方式，包括现场单元、集控单元和现场总线通信3个部分。现场控制单元完成现场信息的采集，独立控制各个集水井的排水操作。集控站对分散的排水系统进行管理，并能远程控制排水泵的启停。高速的现场通信网络完成分散于现场的现场单元与位于中控室的集控站之间的数据传输。系统具有易扩展性和较高的可靠性。

现场控制单元选用3台Siemens S7-315-2DP PLC以控制执行机构的启停、开关等，充分发挥PLC的逻辑输入/输出功能; 2台工业控制计算机，内插数据采集和模拟输出模块，用以采集仿真对象的环境场特征值，给变频器提供模拟信号等，以发挥数字计算机模拟信号处理的能力，配置为Pentium III 850MHz、128MBRAM、40GB硬盘以及带32MBRAM的显示适配器。在2台服务器以及2台工业控制计算机内分别配有一块用以连接ProfibusS7网络的适配卡CP5613，在PLC中同时配有一块CP542-5卡， CP5613是一块具有Profibus现场总线协议的通信 卡，用以组成一个真正意义上分布式控制系统， CP5613的通信协议采用的是Profibus，但其物理层采用是RS-485标准通信规范，即还是采用双绞线阳45方式传输数据，传输介质采用A类双绞线。

7.Profibus系统在循环流化床锅炉控制系统（电力行业）的应用方案

以电厂循环流化床锅炉机组控制系统为例，介绍一下现场总线技术在电厂的应用。

电厂控制分成:过程控制系统和辅机控制系统

主机控制系统:

· 数据采集 （DAS）

· 模拟量控制 （MCS）

· 发电机-变压器组和厂用电源系统顺序控制 SCS（G/A）]

· 锅炉炉膛安全监控系统 （FSSS）

· 汽轮机电液控制系统 （DEH）

· 辅机控制系统:

· 输煤程控:

· 化学水处理:

· 除尘除灰:

· 脱硫系统:

近年来，循环流化床锅炉在国内外都得到了广泛的应用，其高效、节能、环保等优点是众所周知的

7.1 系统构成

控制系统选用了西门子公司的过程控制系统。采用西门子工控机，配有STEP7 V5.2 编程软件，WinCC6.0监控软件为上位机监控系统。

下位机监控系统组成:两套西门子PLC—CPU 417-2DP,四个ET2OOM工作站。以PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA作为其现场总线，CP连接的以支持Profibus协议的PROFIBUS作为系统总线。

7.2 监控系统:

监控系统由一个操作员站和一个工程师站组成。操作员站主要完成与下位机的数据交换（数据采集），显示各种已组态好的系统流程画面、参数显示画面、控制画面、趋势曲线、报警画面，报表打印及控制参数设置等功能。使操作员可以及时的了解整个锅炉的运行情况，并采用有效的控制，以保证生产稳定运行。工程师站主要完成整个监控系统的运行组态，监控数据库组态及显示，各种显示

及控制画面的组态，报警组态，事件纪录及显示和实事及历史趋势显示。

7.3 控制方案说明

在控制方案中床温及锅炉负荷采用模糊控制;锅炉液位、过热蒸汽温度，炉膛压力、料床高度、除氧压力、除氧器液位都采用了传统的PID调节回路。 在WINCC中建立模糊控制规则输入表。通过多变量模糊控制设计工具，并且在WinCC画面中编辑了脱硫配方的计算及锅炉效率，水、煤、气、电等参数累计及瞬时的显示。WINCC中建立模糊控制规则输入表建立连接，即可将模糊控制规则下载到PLC中去。规则控制表可根据锅炉的实际工作情况进行适时修改。 由于西门子冗余系统采用了时间同步的专利技术，可以保证以最快的速度进行主从切换，而且其现场总线网络也采用了冗余的PROFIBUS技术，保证了系统的可靠性。对于仪表总线可采Y-LINK连接到Profibus PA仪表上。 系统过程控制级的硬件结构如下图所示。

在这个系统中，充分体现了西门子新一代过程控制系统的优势。使用的组态软件是西门子的STEP75.2，由于其友好的用户功能，标准化的PLC编程语言，结构化的编程思想，优良的测试功能，用户带来了很大的方便。利用其集成的标准PID控制软件包，能很好的实现传统的PID调节。利用模糊控制软件包可建立模糊系统。模糊控制可用于自动化的所有层次，从单独的控制器到整个系统的优化。将模糊控制与经典的PID控制器相结合，可以达到最优的控制目的。 对于系统的监视和控制，西门子的WlNCC 6.0，它是在PC基础上的全面开放的新一代的人机界面监控系统。WINCC提供成熟可靠的操作，无论简单、复杂

任务，都能有效的组合，恰当的处理。

三.生产生活中的实例

造纸厂电力火灾监控

采用PROFIBUS现场总线分布式网络结构技术，在总线上连接现场监控设备，控制室的控制设备。

通过上位机管理软件时刻监控现场的运行情况，及时发现报警信息。通过RS485接口，标准MODBUS协议与各种标准系统相连。

该系统能有效地对漏电及由于漏电可能引起火灾进行预报和监控，能准确监控电气线路的故障和异常状态，能发现电气火灾的火灾隐患，及时报警提醒人员去消除这些隐患。

四.PROFBUS总线优缺点，发展前景

1.缺点：对于网络的扩展，PROFIBUS只能机械的增加OLM或Repeater等，而且增加的地点多为固定的，产品结构受一定的限制，开发成本比较高。

2.优点及发展前景：

（1）节省硬件和安装费用, 减少硬件成份 (I/O, 终端块、隔离栅), 更容易、更快捷和低成本的安装。

（2）节省工程费用更容易组态(对所有设备只需一套工具)，更容易保养和维修， 更容易和更快捷的系统起动。

（3）更大的制造灵活性，改进功能 减少故障时间 准确、可靠的诊断数据 可靠的数字传输技术。

（4）Profibus总线有强大的背景：Profibus总线具有独特国际用户组织，现在已成为德国标准，并以Siemens公司为主要支持。

总之，与其他现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。并大量采用成熟、开放和通用的技术以适用各个领域，目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和自动化等。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信设想，已在10多万个成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40%，PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务，并会向着网络结构简单化发展。

结束语

PROFIBUS作为一种国际性的现场总线标准，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，发挥着重大作用，具有极其可观的发展前景。

参考文献：

阳宪惠．现场总线技术及其应用(第2版)，清华大学出版社

柴猛．PROFIBUS现场总线技术概述，油气田地面工程

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/a9c1.html