張衛(wèi)星

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

1 PROFIBUS概述

PROFIBUS是Process Fieldbus的縮寫，是由德國西門子公司提出的一種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已成為了一種國際性的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),即EN50-170歐洲標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上許多自動化技術(shù)生產(chǎn)廠家都為它們生產(chǎn)的設(shè)備提供PROFIBUS接口。PROFIBUS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于加工制造、過程和樓宇自動化，應(yīng)用范圍非常廣泛。PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為PROFIBUS—DP，PROFIBUS—PA，PROFIBUS—FMS。 PROFIBUS為多主從結(jié)構(gòu)，可方便的構(gòu)成集中式、集散式和分布式控制系統(tǒng)，針對不同的控制場合，它分為3個(gè)系列。

（1）PROFIBUS-DP。PROFIBUS-DP用于傳感器和執(zhí)行器級的高速數(shù)據(jù)傳輸，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)，也支持多主站系統(tǒng)，可用于設(shè)備及控制系統(tǒng)和分散式I/O的通信，主要應(yīng)用于制造業(yè)自動化系統(tǒng)中的過程控制級和設(shè)備級通信。

（2）PROFIBUS-PA。對安全性要求較高的場合。將自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備連接起來，提高系統(tǒng)的功能和安全可靠性。

（3）PROFIBUS-FMS。主要解決車間一級通用型通信任務(wù)，它主要考慮的是系統(tǒng)的功能，而不是相應(yīng)時(shí)間，應(yīng)用過程通常是隨機(jī)的信息交換。

PROFIBUS基本性能:PROFIBUS是主從通信和令牌通信的結(jié)合。該系統(tǒng)分為主站和從站。主站和從站之間靠主站的查詢和從站的響應(yīng)進(jìn)行通信。主站和主站之間靠得到總線控制權(quán)(令牌)進(jìn)行通信。

2 PROFIBUS-DP協(xié)議結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置

圖1 PROFIBUS-DP協(xié)議結(jié)構(gòu)圖

（1）PROFIBUS-DP協(xié)議結(jié)構(gòu)。PROFIBUS-DP是PROFIBUS現(xiàn)場總線系列中應(yīng)用最為廣泛的一種，用于設(shè)備層的高速數(shù)據(jù)傳送。根據(jù)ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS-DP協(xié)議結(jié)構(gòu)定義了第一、第二層和用戶接口，第三到七層未加描述，高層的協(xié)議用戶接口層和直接數(shù)據(jù)鏈接映射層（DDLM）兩個(gè)子層來實(shí)現(xiàn)，在底層，傳輸物理介質(zhì)的訪問由現(xiàn)場數(shù)據(jù)鏈路層（FDL）協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。FDL描述了主動站點(diǎn)或被動站點(diǎn)都可以連接到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，一個(gè)令牌在主動站點(diǎn)之間循環(huán)，形成一個(gè)邏輯環(huán)，令牌授予站點(diǎn)訪問網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限。被動站點(diǎn)不能夠獲取令牌，只能響應(yīng)主動站點(diǎn)發(fā)過來的請求。PROFIBUS-DP協(xié)議結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

PROFIBUS-DP協(xié)議是基于主－從原則的：每個(gè)主站初始化后，都進(jìn)入周期性的數(shù)據(jù)交換階段，然后主站有規(guī)律的輪詢它的從站。PROFIBUS總線存取協(xié)議包括主站之間采用令牌傳送方式，主站和從站之間采用主從方式，如圖2所示。因此通過這種方式有可能實(shí)現(xiàn)3中系統(tǒng)配置：主—從系統(tǒng)，主—主系統(tǒng)，混合系統(tǒng)。

圖2 PROFIBUS總線存取協(xié)議

（2）PROFIBUS-DP的系統(tǒng)構(gòu)成和配置。在同一條總線上最多可連接126個(gè)設(shè)備（主站或從站），每個(gè)DP系統(tǒng)由不同類型的設(shè)備組成，這些設(shè)備分為3類：①DP主站（1類）：典型的1類主站設(shè)備有PLC或PC等，它在確定的周期內(nèi)與分散的從站循環(huán)地交換數(shù)據(jù)。②DP主站（2類）：2類DP主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板。主要用于系統(tǒng)維護(hù)和診斷等。③DP從站：是進(jìn)行I/O信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備。

單主站系統(tǒng)：總線系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)只有一個(gè)主站在總線上活動，主站是中央控制部件，從站通過傳輸介質(zhì)分散地與主站連接，單主站系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最短的總線循環(huán)時(shí)間。

多主站系統(tǒng)：總線上可連接若干個(gè)主站，任何一個(gè)主站都可以讀取從站的輸入輸出映像。

3 PROFIBUS在FMS中的應(yīng)用方案

當(dāng)前，企業(yè)信息化正在全面展開，上層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)越來越先進(jìn)，相比之下，處于制造底層或工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)卻沒有得到相應(yīng)的改進(jìn)和提高，這種滯后使得企業(yè)設(shè)備單元層之間的信息通信成為企業(yè)信息化的“孤島”。

現(xiàn)場總線技術(shù)是一種工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它的出現(xiàn)和迅速發(fā)展為解決FMS發(fā)展中出現(xiàn)的上述問題提供了很好的解決方案。傳統(tǒng)的FMS中，系統(tǒng)單元層與設(shè)備層之間的實(shí)時(shí)信息傳遞主要采用RS232、拍接口方式、制造自動化協(xié)議MAP(Manufacturing Automation Protocol)網(wǎng)絡(luò)方式或集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)方式。相對于目前先進(jìn)的高速FMS而言，前幾種方式的采集傳輸速度太低、開放性不夠等缺點(diǎn)，已經(jīng)無法滿足要求。而且隨著微電子技術(shù)的發(fā)展特別是微控芯片的不斷誕生并應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，相繼出現(xiàn)了許多智能設(shè)備，這些智能設(shè)備不是傳統(tǒng)的單功能的現(xiàn)場儀表，而是具有綜合功能的智能儀表。這些智能設(shè)備的使用，使得FMS控制結(jié)構(gòu)開始從集中控制向分布式控制模式發(fā)展，而現(xiàn)場總線技術(shù)正是順應(yīng)這一潮流的主要技術(shù)。

在FMS運(yùn)行時(shí)，單元層與設(shè)備層之間的實(shí)時(shí)通信是整個(gè)系統(tǒng)高效、有序工作的關(guān)鍵，由于現(xiàn)場信息量大，能否及時(shí)準(zhǔn)確地獲取生產(chǎn)過程中的信息對上位機(jī)來說至關(guān)重要。

我們通過PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)來解決FMS中的實(shí)時(shí)通信問題，下圖為FMS通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 FMS通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用設(shè)備層、過程控制層和管理層三級通信結(jié)構(gòu)。設(shè)備層包括加工中心和數(shù)控機(jī)床的CNC系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人控制柜、輸送小車控制器、以及各類物料庫的控制系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、信息采集和信息反饋。過程控制層由主控計(jì)算機(jī)、和工業(yè)組態(tài)軟件組成，負(fù)責(zé)各單元的作業(yè)計(jì)劃的制定、系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控等，管理層的主要任務(wù)是為編制生產(chǎn)計(jì)劃、分配作業(yè)任務(wù)、系統(tǒng)的調(diào)度以及CNC代碼傳輸?shù)?。該系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：層次分明，上層向下層下達(dá)得命令，下層向上層反饋命令執(zhí)行狀態(tài)，同層次各站點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)由上層來完成。

在上級網(wǎng)絡(luò)通信中，采用的是工業(yè)以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、管理，指令的傳達(dá)、溝通，資源的配置、共享，站點(diǎn)的監(jiān)控等。中央控制計(jì)算機(jī)使用西門子公司的CP5611通信卡（型號為6GK1561-1AA00），直接插在PCI插槽中，由工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)（型號為SCALANCE X-108）將其接入到網(wǎng)絡(luò)中，該工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)能夠提供100Mbps的網(wǎng)絡(luò)速度。該中央控制計(jì)算機(jī)不但可通過以太網(wǎng)與工作站計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、狀態(tài)監(jiān)控等，還可通過西門子的以太網(wǎng)通訊模塊（如CP343-1或CP243-1）與可編程控制器進(jìn)行底層的數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)的拓展。在該系統(tǒng)中，管理層可通過以太網(wǎng)能夠?qū)⑸a(chǎn)任務(wù)、生產(chǎn)調(diào)度、數(shù)控程序以及PLC程序等信息傳遞給過程控制層。這種控制方式具有簡單、可維護(hù)性和低成本等優(yōu)點(diǎn)。

在底層的通信中，選用PROFIBUS現(xiàn)場總線通訊，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)與站點(diǎn)的通訊，令牌的傳遞和移交等。在該系統(tǒng)中采用單主站系統(tǒng)，以主控制器西門子可編程控制器S7-314C-2 DP作為一類主站，它本身帶有總線接口，其他的PLC作為從站，主站把信號發(fā)送到PROFIBUS總線上，可對從站PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及分散式I/O設(shè)備進(jìn)行控制。

使用PROFIBUS系統(tǒng)，必須對系統(tǒng)及各站點(diǎn)進(jìn)行配置和參數(shù)化工作，我們用SIMATCI S7編程軟件來對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，系統(tǒng)需要在STEP-7環(huán)境下對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)，并編寫系統(tǒng)控制的PLC程序。圖4為本系統(tǒng)主站S7-300PLC的硬件組態(tài)圖，系統(tǒng)為一類單主站系統(tǒng)，連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上的站點(diǎn)按照地址順序組成一個(gè)邏輯拓?fù)洵h(huán)，主站獲得令牌后便可對從站進(jìn)行發(fā)送或讀取數(shù)據(jù)的操作。

圖4 主站硬件組態(tài)圖

圖5 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

當(dāng)主站硬件組態(tài)后，就可對系統(tǒng)進(jìn)行PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)，網(wǎng)絡(luò)中的各種參數(shù)在組態(tài)時(shí)完成，PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸通過調(diào)用系統(tǒng)功能塊來實(shí)現(xiàn)，則在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中，主站PLC的程序?qū)恼镜目刂凭头浅７奖?。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖如圖5所示。

整個(gè)系統(tǒng)全部實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化操作控制，通過PROFIBUS現(xiàn)場總線通訊完成，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。整個(gè)系統(tǒng)采用PROFIBUS現(xiàn)場總線控制技術(shù)，系統(tǒng)全部控制功能的實(shí)現(xiàn)都由現(xiàn)場總線通訊完成。只靠一條通訊電纜傳輸。系統(tǒng)中不再有整束電纜，也省去了成千上萬個(gè)線路接點(diǎn)。大大提高系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約了控制電纜。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了從操作到控制的全數(shù)字化。徹底杜絕了現(xiàn)場干擾對控制系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

4 結(jié)語

現(xiàn)場總線PROFIBUS具有信息傳輸具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、信息交換頻繁的特點(diǎn)，要求系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有較高的安全和容錯功能?，F(xiàn)場總線PROFIBUS是一種高速廉價(jià)、安全成熟的通信模塊，適用于離散型自動化控制領(lǐng)域，是設(shè)備級控制和分散控制的理想選擇。該FMS系統(tǒng)借助于Profibus現(xiàn)場總線，實(shí)現(xiàn)各控制單.元相互間聯(lián)結(jié)，有效地減少了控制線路，簡化了系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)。采用現(xiàn)場總線保證了系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)性和普及性。而且現(xiàn)場總線易于擴(kuò)展升級，為系統(tǒng)的進(jìn)一步提升提供了足夠的空間。

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