工业通信系统的应用与发展趋势

设备及子系统的通信能力和一致的信息处理方法是未来自动化概念中不可缺少的组成部分，同时发生在现场层的横向通信以及贯穿各层的纵向通信日益增多。分层和协调一致的工业通信系统如图2-1所示，例如下层能与AS-i接口、上层能与Ethernet接口（通过PROFI net）连接的PROFIBUS，可为所有生产过程控制系统提供透明的通信网络。

图2-1 工业通信系统

1.工业通信

（1）传感器—执行机构级

二进制的传感器和执行机构的信号通过传感器—执行机构总线来传输。它提供了一种简单且廉价的技术，通过共用介质传输数据和供电电流。AS-i为这种应用领域提供了合适的总线系统。

（2）现场级

分散的外围设备，如I/O模块、变送器、驱动器装置、分析设备、阀门或操作员终端等，通过功能强大的实时通信系统与自动化系统通信。过程数据的传输是循环的，当需要时，非循环地传输附加中断、组态数据和诊断数据。PROFIBUS满足这些要求，并为工厂自动化和过程自动化提供通用的解决方案。

（3）车间级

可编程的控制器（如PLC和IPC）彼此之间的通信，以及它们与使用Ethernet、TCP/IP、Intranet和Internet标准的办公领域IT系统之间通信的信息流需要大的数据包和许多强有力的通信功能。

现场总线类传输介质（如具有位串传输的铜缆光纤或无线等）用比特串传输，将分散的现场设备（如传感器、执行机构、驱动器、变送器等）连接到中央控制器或管理系统。20世纪80年代开发的现场总线技术，其目标是替代先前普遍使用的集中并行布线以及用数字技术替代占优势的模拟信号传输技术（如4～20mA或＋/－10V接口）。由于不同的特殊工业需要和一些大制造商优选的专有解决方案，因此在市场上出现了许多具有不同形态的现场总线系统。现在主要的现场总线技术被包含在最近通过的国际标准IEC 61158和IEC61784中，PROFIBUS是其中的重要组成部分。(www.xing528.com)

为了协调发展和在市场上传播这些现场总线的需要，出现了各种由制造商、用户和研究院所组成的用户组织。例如，为发展PROFIBUS和PROFIBUS用户组织（PNO）以及它的上层组织PROFIBUS国际组织（PI），用户利益最终表现为在自动化成套系统的建立和运行期间能减少总成本以及增强性能和改进质量，通过组态、敷设电缆、工程设计、文档编制、安装和投运以及在生产期间来实现这些利益。由于规则的诊断信息、预防性维护、简单的参数赋值、连续的数据流和资产管理等，因此可以通过容易修改和连续可用的形式减少全生命周期的成本来获得更多的利益。与传统技术相比，现场总线技术提高了自动化过程的生产力和灵活性，同时为分布式自动化系统的构建奠定了基本的前提条件。

今天，在自动化的所有实际应用领域都可以使用PROFIBUS，不仅适用于工厂自动化和过程自动化领域（如化工等），而且也适用于交通工程、发电和输配电等领域。

2.PROFIBUS总线的通信原理

（1）总线拓扑结构

PROFIBUS系统有RS-485、光纤和符合IEC 1158-2（PROFIBUS-PA）的3种总线拓扑结构。DP、FMS采用RS-485连接，通信介质采用屏蔽双绞线或光缆，通信距离为100～1200m，速率范围为96k～12Mbit/s。系统中最大站点数为127个，当系统中需连接的站多于32时，使用中继器相连接，使用中继器可以实现树形和星形总线结构。PA采用IEC 1158-2连接技术。

（2）通信实现原理

PROFIBUS使用混合的总线存取控制机制来实现PROFIBUS通信，通信分主站和从站。主站间的通信采用逻辑令牌传递方式，拥有令牌的主站在确定的时间窗口内拥有总线控制权，决定系统的通信，它采用主—从原理以轮询方式与从站通信，同时采用循环或非循环报文实现主—主通信。系统可以配置为单主—从、多主多从或前两者的混合系统，系统中相应地使用令牌总线程序和主—从完成数据通信。

令牌总线程序连接到PROFIBUS网络上的主站，按主站总线地址的升序组成一个逻辑令牌环。在逻辑令牌环中，主站是一个接一个排列的，控制令牌按这个顺序从一个站传递到下一个站。令牌提供存取传输介质的权力，并用特殊的令牌帧在主站间传递。具有总线地址HAS（最高站地址）的站点例外，它只传递令牌给具有最低总线地址的站点，以使逻辑令牌环闭合。在总线初始化和启动阶段，总线存取控制通过辨认主动节点来建立令牌环。为了管理控制令牌，MAC程序首先自动地判定总线上所有主动节点的地址，并将这些节点及它们的节点地址都记录在LAS（主动站表）中。对于令牌管理而言，使用了两个地址概念：PS节点（前一站）的地址，即下一站是从此站接收到令牌的；NS节点（下一站）的地址，即令牌传递给此站。在运行期间，为了从令牌环中去掉有故障的主动节点或增加新的主动节点到令牌环中而不影响总线上的数据通信，也需要LAS。

在主—从系统中，主站与从站采用主—从程序实现通信。主—从系统允许主站当前有权发送、存取指定给它的从站设备，这些从站是被动节点。主站可以发送信息给从站或从从站获取信息。典型的PROFIBUS-DP总线配置是以主—从总线存取程序为基础的，DP主站循环地与DP从站交换数据。