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Profibus总线技术及工程应用

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收稿日期:2008208207(修改稿)。

作者简介:胡昱(1977—),男,陕西宝鸡人,2000年毕业于沈

阳化工学院检测技术及仪器仪表专业,现在华陆工程科技有限责

任公司(原化工六院)从事自控工程设计工作,任工程师。Profibus总线技术及工程应用

胡　昱

(华陆工程科技有限责任公司,陕西西安　710054)

摘要:Profibus是目前最流行的现场总线标准之一。主要分析了Profibus现场总线的发展历史、网络结构、技术特点及其与远程I/O站的连接方式,并通过工程实例对该现场总线在防爆区域中和远程I/O站配合使用过程中的网络拓扑结构、仪表选型、系统调试等技术做了比较详细的分析,希望能对以后采用Profibus总线技术的工程设计有所帮助。关键词:现场总线;网络结构;通信速率;远程I/O;网络连接器;网络适配器中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编号:100727324(2008)0520056204

ApplicationofProfibusTechnologyinEngineering

HuYu(HualuEngineering&TechnologyCo.Ltd.,Xian,710054,China)

Abstract:TheProfibusistheoneofmostpopularstandardsofFieldBus.Thedevelopmenthistory,

networkconfiguration,technicalfeatureandconnectionmethodwithremoteI/Ostationsaremainly

analyzed.Totakeaprojectasanexample,topologicalconfiguration,instrumenttypeselectionand

systemtestingintheexplosion2proofareaandworkingwithremoteI/Ostationsisanalyzedindetailin

ordertoprovidehelpforengineeringdesignwhichadoptedtheProfibusFieldBustechnology.

Keywords:fieldbus;networkconfiguration;communicationvelocity;remoteI/O;DP/PAlink;DP/

PAcoupler

1　Profibus总线的发展过程

随着计算机、控制、通信和网络等技术的进

步,现场总线在20世纪80年代中期逐渐发展

起来。现场总线是应用在生产现场测量与控制

设备之间实现双向串行多节点数字通信的系

统,也被称为开放式、数字化、多节点通信的底

层控制网络。德国科学技术部总结了20世纪

80年代德国工业界自动控制技术的发展经验,为了适应分散控制系统的发展要求,对各公司自

己定义的网络协议加以规范化、公开化,开放性

使得不同厂家生产的自动控制设备在网络通信

级互相兼容、遵守同一协议,以利于提高工业标

准化水平,Profibus于1987年列为德国国家项

目,由13家公司(如Siemens,ABB,AEG等)及5

家研究所联合开发完成[1]。1989年批准为德国

工业标准DIN19245;1996年批准为欧洲标准

EN50170V.2(Profibus2FMS/2DP);1998年

Profibus2PA批准纳入EN50170V.2;1999年

Profibus成为国际标准IEC61158的组成部分

(TypeIII);2001年批准成为中国的行业标准JB/

T10308.322001。2　Profibus控制系统

2.1　Profibus协议结构

Profibus根据其协议结构特点分为Profibus2

FMS,Profibus2DP,Profibus2PA[2,3]。

a)Profibus2FMS完成车间级通用性通信任

务,提供大量的通信信息,实现周期性和非周期性

通信。但是现在Profibus2FMS的作用正在逐渐为

高速工业以太网HSE(HighSpeedEthernet)所

代替。

b)Profibus2DP以DIN19245的第一部分为

基础,经过优化的高速、廉价通信网络,适用于自动

控制系统和设备级分散I/O之间通信。在设备

级,中央控制器(如PLC,PC)通过高速串行线同分

散的现场设备(如I/O、传感器、阀门、执行器等)

进行通信。DP一般构成单主站系统,主从站之

间采用循环数据传送方式工作,最高通信速率可信息技术及应用 石　油　化　工　自　动　化,2008,5∶56AUTOMATIONINPETRO2CHEMICALINDUSTRY达12MB/s。

c)Profibus2PA是适用于过程自动化控制系

统的现场总线。采用扩展的Profibus2DP协议进

行数据传输。可将自动化系统和过程控制系统与

压力、温度和液位变送器及开关量等现场设备连接

起来,用来替代4～20mA的模拟信号。由于

Profibus2PA传输技术采用总线供电方式,并可通

过DP/PA2Link将PA设备集成到DP网络中,因

此安装使用十分方便,同时节约大量敷设信号电缆

的成本。

2.2　Profibus网络典型结构

Profibus总线型网络的三层典型结构如图1

所示。

图1　Profibus总线结构

从图1的结构看,最底层网络采用了Profibus2

PA协议,连接现场的智能仪表,每一组PA信号进

入DP/PA2Coupler,不同的几个DP/PA2Coupler

再连接进入DP/PA2Link,通过DP/PA2Link把

PA网连接到第二层Profibus2DP网络中;不同的

DP连接进入控制器,在一个工厂往往不只一个控

制器,通过Profibus2FMS或者工业以太网就可以

把不同的控制器连接起来,构成工厂级网络,即第

三层结构。

DP/PA2Coupler的作用是将PA网络的

31.25KB/s传输速率转换为DP网络的45.45KB/s(如果配P+F的DP/PA2Coupler,其DP网络的传

输速率则为93.75KB/s)。DP/PA2Coupler在设

计、组态是可认为是透明的,它不占用设备地址;同

时DP/PA2Coupler又可作为现场仪表的电源。连

接于一个DP/PA2Coupler上的所有现场总线仪表

的总数最多不超过31个。DP/PA2Link的作用是将几个DP/PA2Coupler

通过一块主板作为一个工作站接于Profibus2DP

中。一个DP/PA2Link最多可连接5个DP/PA2

Coupler,主板既是上位Profibus2DP(最大速率

12MB/s)的一个从站,又是下位Profibus2PA各

个分路的一个主站。DP/PA2Link应用于对总线

循环时间的要求很高和设备数量多的场合。

2.3　Profibus控制系统的拓展结构

对于有些过程控制,由于一些非Profibus网

络的仪表要进入控制系统,或者对于某些不适合总

线控制的信号类型(如有源信号)可以采用远程I/

O的形式,如图2所示。

图2　Profibus控制系统拓展结构

图2中ET200为一个远程分布式智能I/O模

块机架,一般安装在检测点比较集中的控制现场,

现场仪表信号直接输入I/O模块,每个ET200模

块上安装有2块IM15322,其带有Profibus2DP接

口的模块与冗余Profibus2DP现场总线分别连接。

ET200模块采用活动总线式底板(ActiveBus

Module),所有模块可以带电热插拔,便于维修。

Siemens推出了专门用于防爆区的远程I/O模块

ET200iSP,以下将会对此模块做详细叙述。

2.4　Profibus控制网络中各个设备的带负载能力

图3以PCS7系统来说明其理论带负载能力。

一套PCS7系统最多可以带5个DP通路,每一条

DP通路最多可以带96个DP/PA2Link,每一个DP/

PA2Link最多可以带5个DP/PA2Coupler,在防爆区

每个DP/PA2Coupler可以带10台现场仪表,非防爆

区可以带30台现场仪表,即在防爆区一套PCS7系

统最大负载为24000台现场仪表,在非防爆区为

72000台现场仪表。75第5期 胡　昱.Profibus总线技术及工程应用

图3　设备带负载能力

2.5　屏蔽与接地

像所有的现场总线网络一样,Profibus2PA网

络中的屏蔽和接地也非常重要。在理想情况下,电

缆的屏蔽层要和设备的金属保护外壳或外罩可靠

连接在一起。它们之间的连接,以及网段之间电缆

屏蔽层的连接都必须保证低阻抗连接。

如果是非屏蔽设备和屏蔽电缆连接,则往往还

要使用电隔离或者滤波等措施,安装这些设备的支

架或电源都要接地,电缆屏蔽层和等电位线接在一

起,然后多点接地。最常用的是使用专用的导线把

安全区域的接地点和危险区域的接地点连接起来,

形成等电位接地。

3　工程实际应用

某工厂主要生产印刷用感光铝板,工艺全套采

用德国西门子公司的技术。整个工艺过程包括:铝

板生产线,涂层用化学品混合间,酸碱罐区,以及污

水处理装置等。中央控制室设置在铝板生产线装置

内,控制系统采用PCS27现场总线控制系统,其余

装置均采用S7系列PLC控制系统独立控制,重要

数据与中控室进行通讯。前文对Profibus在普通场

合的网络配置已经进行了阐述,酸碱罐区,污水处

理单元均采用上述普通场合的配置,本文就不再阐

述。因化学品混合间装置内存在有丙酮等可燃性

气体,属于防爆Zone1区,下面就以化学品混合间

为例对Profibus控制系统在防爆区域内以及采用

总线和远程I/O混合控制方式的网络拓扑和硬件

配置进行分析(主要针对现场级和工厂设备级)。

化学品混合间包括4个单元:1号混合间、溶

剂清洗单元、溶剂中间罐、2号混合间,控制系统选

用S72300系列,现场级控制采用Profibus2PA和远程I/O单元ET200混合的控制方式,系统配置如图

4所示:主站AS选用西门子的智能集成控制器,该

控制器是基于IEC6113123的自动化装置,集成了

完善的硬件和软件平台。硬件:集成PC、通信和

HMI接口为一身,处理器为AMDK6333MHz,

2MB显示RAM,1280×1024VGA显示,64MB

SDRAM存储器,10GB硬盘,两个USB口,4个

RS2485接口,可选择的各种总线接口和Ethernet接口。软件:操作系统为MicrosoftNT4;耦合器

选用西门子公司的产品;连接模块T使用

HAWKE公司的产品;现场仪表根据其输出信号

的类型分为两类,所有的压力变送器、流量仪表、液

位仪表、温度变送器、分析仪、控制阀等模拟量信号

输出仪表选用带有Profibu2PA协议的隔爆型智能

仪表采用Profibus2PA通讯连接方式;对切断阀、

流量开关、液位开关、压力开关,选用本质安全型现

场仪表,其信号进入远程I/O单元控制。

3.1　Profibus2PA控制方式

如图4所示对于现场智能仪表,在现场级采用

Profibus2PA信号传输。根据现场仪表的位置以

及每个DP/PA2Coupler(耦合器)所带仪表的数

量,整个单元总共设5个耦合器和1个DP/PA2

Link,每一组仪表之间通过“T”型连接头连接在一

起,通过PA电缆分别进入相应的耦合器(这里的

耦合器可以简单地理解为传统设计中的现场仪表

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PROFIBUS现场总线在高速线材自动化控制系统中的应用

PROFIBUS现场总线在高速线材自动化控制系统中的应用

PROFIBUS 现场总线在高速线材自动化控制系统中的应

用

一、应用背景

攀钢线材厂本次”提质降耗、扩大品种规模”技术改造是在原来的只有精轧机

组、夹送辊、吐丝机设备的基础上，增加两架预精轧机组和启停式飞剪，将把

预精轧机组、飞剪、精轧机组、夹送辊、吐丝机的模拟传动改为数字传动，应

用 ABB 公司的 DCS500 直流数字装置；同时将原来的继电器逻辑控制应用

SIEMENS 公司的 S7-400PLC 来代替。组成为线材轧机的基础自动化系统还有

操作监控站，应用 SIEMENS 公司的 WINCC 管理应用软件来实现；工业以太

网即 H1 网，连接监控操作站和 PLC；工业现场总线 Profibus-DP，建立

DCS500 和远程操作单元 ET200M 与 PLC 的通讯。

自动化控制系统中，控制系统可分为三层，即数字传动部分、PLC 控制部分

和监控操作站部分。

数字传动部分应用 ABB 公司的 DCS500 直流数字装置，处理预精轧机 1 组、

2 组、飞剪、精轧机 1/2 架、夹送辊、吐丝机的运行。

PLC 控制部分应用 S7-400 型 PLC，CPU 为 CPU414-2DP，处理全线的生产

控制，完成系统功能手网络的信息交换。

监控操作站部分应用 WINCC 监控软件，有 A、B 两线操作站兼监控站和电

气室监控站，处理轧制规程作业表的生成、全线操作、事故监控报警、生产记

录和报表等任务。

二、采用 PROFIBUS 的原因

PROFIBUS 现场总线技术是随全数字信号系统的发展而产生的，由德国组织

开发的工业现场总线协议标准——PROFIBUS 现场总线标准（DIN19254）。

profibus总线应用实例

profibus总线应用实例

profibus总线应用实例

Profibus总线应用实例

Profibus（过程领域总线）是一种广泛应用于自动化领域的现场总线技术，它能够实现工业设备之间的通信和数据交换。在工业自动化系统中，Profibus总线被广泛应用于控制系统、传感器、执行器和其他设备之间的通信。本文将介绍几个Profibus总线的应用实例，以说明其在工业领域的重要性和优势。

1. 工厂自动化

在现代工厂中，各种设备和系统需要进行高效的通信和协调。Profibus总线提供了一种可靠的通信方式，使得不同设备之间可以实现数据交换和控制命令的传输。例如，PLC控制器可以通过Profibus总线与传感器和执行器进行通信，实现对生产线的精确控制和监控。这种应用可以大大提高工厂的生产效率和自动化水平。

2. 过程控制

在化工、石油和能源等过程控制领域，Profibus总线被广泛应用于各种传感器和执行器之间的通信。通过Profibus总线，温度传感器、压力传感器、流量计等可以将实时数据传输到控制系统，实现对生产过程的精确控制和监测。同时，控制系统也可以通过Profibus总线下发指令，控制执行器的动作，调整工艺参数，提高生产过程的稳定性和可靠性。

3. 机器人控制

机器人技术在制造业中扮演着越来越重要的角色，它可以实现高精度、高效率的生产和组装。Profibus总线在机器人控制中的应用可以实现机器人与其他设备之间的实时通信和数据交换。例如，机器人可以通过Profibus总线获取传感器数据，根据实时反馈进行精确的运动控制和路径规划。这种应用能够大大提高机器人的灵活性和智能化水平，满足不同生产需求。

4. 远程监控

Profibus总线还可以用于远程监控系统，实现对设备状态和生产过程的远程监测和控制。通过Profibus总线，监控系统可以实时获取设备的运行数据，并进行分析和判断。当设备出现异常或故障时，监控系统可以通过Profibus总线下发指令，进行远程重启或调整，提高故障处理的效率和准确性。这种应用对于大型工厂和分布式设备管理非常重要，能够降低维护成本和人工干预。

现场总线(PROFIBUS)技术简介

现场总线(PROFIBUS)技术简介

现场总线（PROFIBUS）技术简介

摘要：

本文详细的介绍PROFIBUS的概念以及相关的基础知识。

内容：

第一章：现场总线技术及PROFIBUS

1.1 现场总线技术的由来

1.1.1 CIMS体系结构及工业数据结构的层次划分

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。如图1-1所示。

图1-1：简化的CIMS网络体系结构

1.1.2 现场级与车间级自动化监控及信息集成是工厂自动化及CIMS不可缺少的重要部分。

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之。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。

1.1.3 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统

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）所谓I/O接线方式，信号传递4-20mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。如图1-2所示：

图1-2：传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统

1.1.4 系统主要缺点

（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24VDC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/24VDC连接，系统其它软、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，允许其它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。

profibus总线应用实例 2

profibus总线应用实例 2

profibus总线应用实例

Profibus总线是一种常用的工业通信协议，它可以实现不同设备之间的数据交换和控制。下面将介绍几个Profibus总线的应用实例。

1. 自动化生产线

在自动化生产线中，Profibus总线可以实现各种设备之间的数据交换和控制。例如，PLC（可编程逻辑控制器）可以通过Profibus总线与传感器、执行器等设备进行通信，从而实现对生产线的控制和监控。此外，Profibus总线还可以实现设备之间的故障诊断和数据采集，提高生产效率和质量。

2. 智能楼宇系统

在智能楼宇系统中，Profibus总线可以实现各种设备之间的数据交换和控制。例如，空调、照明、安防等设备可以通过Profibus总线与中央控制器进行通信，从而实现对楼宇系统的控制和监控。此外，Profibus总线还可以实现设备之间的故障诊断和数据采集，提高楼宇系统的效率和安全性。

3. 机器人控制系统

在机器人控制系统中，Profibus总线可以实现机器人和控制器之间的数据交换和控制。例如，机器人可以通过Profibus总线与控制器进行通信，从而实现对机器人的控制和监控。此外，Profibus总线还可以实现机器人和其他设备之间的数据交换，提高机器人的智能化和自动化程度。

4. 智能交通系统

在智能交通系统中，Profibus总线可以实现各种设备之间的数据交换和控制。例如，交通信号灯、车辆检测器、路况监测器等设备可以通过Profibus总线与中央控制器进行通信，从而实现对交通系统的控制和监控。此外，Profibus总线还可以实现设备之间的故障诊断和数据采集，提高交通系统的效率和安全性。

总之，Profibus总线在工业自动化、智能楼宇、机器人控制和智能交通等领域都有广泛的应用。通过Profibus总线，不同设备之间可以实现数据交换和控制，提高系统的效率和安全性。未来，随着工业4.0和智能化的发展，Profibus总线的应用前景将更加广阔。