优化PROFIBUS控制系统配置形式

1.根据现场设备是否具备PROFIBUS接口分类

（1）总线接口

现场设备不具备PROFIBUS接口，但可采用分散式I/O作为总线接口与现场设备连接。这种形式在应用现场总线技术初期较容易推广。如果现场设备能分组，组内设备相对集中，这种模式会更好地发挥现场总线技术的优点，如图3-9所示。

仅将总线送到远程I/O是DCS、PLC技术早已解决的问题，在IEC 61158标准中，有些现场总线本身就是由PLC控制系统发展而来，并以远程I/O总线技术为基础的。如采用PLC（包括DCS）加上安装在现场的分布式I/O，其经济性是明显的，特别是对一些简单的现场设备，所以总线系统并不排斥远程I/O，但这绝不等于现场总线。现场总线系统的本征特性是使用有现场总线通信能力的智能现场设备，这些由可通信智能现场设备构成的网络节点，不仅具有竖向（与系统）通信也具有横向（节点之间）通信的能力。现场的概念不仅指距离，更主要的是指可通信的智能化设备。如果仅用远程I/O转换，那就失去现场总线多信息和丰富诊断管理控制功能的灵魂。由于目前可用于现场总线的智能现场设备品种还不丰富，有时将远程I/O和现场总线结合也只是权宜之计而已。

图3-9 采用分散式I/O作为总线接口与现场设备连接

（2）单一总线型

现场设备都具备PROFI-BUS接口，可使用现场总线技术实现完全的分布式结构，可充分发挥现场总线技术的特点。新建项目可具有这种条件，就目前来看，这种方案设备成本较高，如图3-10所示。

（3）混合型

图3-10 现场设备都具备PROFIBUS接口

现场设备部分具备PROFIBUS接口，这时应采用PROFIBUS现场设备加分散式I/O混合使用的办法。无论是旧设备改造还是新建项目，具备全部使用PROFIBUS接口现场设备的场合可能不多，分散式I/O可作为通用的现场总线接口，是一种灵活的集成方案。带监控站的混合型系统如图3-11所示。

2.根据实际应用的系统结构类型

（1）结构类型1

以PLC或控制器做1类主站，不设监控站，但调试阶段配置一台编程设备。这种结构类型由PLC或控制器完成总线通信管理、从站数据读写、从站远程参数化工作，如图3-12所示。

（2）结构类型2

以PLC或控制器做1类主站，监控站通过串口与PLC一对一的连接。这种结构类型的监控站不在PROFIBUS网上，不是2类主站，不能直接读取从站数据和完成远程参数化工作，监控站所需的从站数据只能从PLC或控制器中读取，如图3-13所示。

（3）结构类型3

以PLC或其他控制器做1类主站，监控站（2类主站）连接在PROFIBUS总线上。这种结构类型的监控站在PROFIBUS网上作为2类主站，可完成远程编程、参数化及在线监控功能，如图3-14所示。

图3-11 带监控站的混合型系统

图3-12 结构类型1

图3-13 结构类型2

图3-14 结构类型3

图3-15 结构类型4

（4）结构类型4

使用PC加PROFIBUS网卡做1类主站，监控站与1类主站一体化。这是一个低成本方案，但PC应选用具有高可靠性、能长时间连续运行的工业级PC。对于这种结构类型，PC故障将导致整个系统瘫痪。另外，通信模板厂商通常只提供一个模板的驱动程序，总线控制、从站控制程序、监控程序可能要由用户开发，因此应用开发工作量可能会比较大，如图3-15所示。

（5）结构类型5

工业PC（Comopact Computer）＋PRO-FIBUS网卡＋SOFTPLC结构形式，如果将上述方案中PC换成一台工业PC，系统可靠性将大大增强。但这是一台监控站与1类主站一体化的工作站，要求它的软件完成如下功能：

1）支持编程，包括主站应用程序的开发、编辑、调试。

2）执行应用程序。

3）通过PROFIBUS接口对从站的数据读写。

4）从站远程参数化设置。

5）主/从站故障报警及记录。

6）设备图形监控画面设计、数据库建立等监控程序的开发、调试。

7）设备状态在线图形监控、数据存储及统计、报表等功能。

采用SOFTPLC的软件产品，将通用型PC改造成一台由软件（软逻辑）实现的PLC。这种软件可将PLC的编程（IEC 1131）及应用程序运行功能和操作员监控站的图形监控开发、在线监控功能集成到一台工业PC上，形成一个PLC与监控站一体的控制器工作站。这种产品结合现场总线技术将有很好的发展前景，如图3-16所示。

（6）结构类型6

图3-16 结构类型5

图3-17 结构类型6

使用两级网络结构，这种方案充分考虑了未来扩展需要，比如要增加几条生产线即扩展出几条DP网络，车间监控要增加几个监控站等，都可以方便进行扩展，如图3-17所示。采用了两级网络结构形式，充分考虑了以后发展的扩展余地。(www.xing528.com)

3.应用PROFIBUS技术构成自动化控制系统时应考虑的问题

工业上还没有一种现场总线能覆盖所有的应用领域，各类总线都有自己的特色。鉴于现场总线的国际标准尚未出来，在众多现场总线并存的局面下，作为准备应用现场总线技术产品的用户，必须根据实际应用的要求，结合各种现场总线的特色，来选择合理的产品。在具体确定选用哪种现场总线产品之前，一般来说，应该掌握如下几方面的情况：

1）规模的大小。即需要运用现场总线构成网络的节点有多少个，规模的大小对选用哪种现场总线有影响，如PROFIBUS的节点也是从几十个到一百多个。

2）环境条件。这包括节点分布的远近，现场的安全防爆要求，电磁环境等。环境条件不同，对选用哪种现场总线也有影响，首先节点分布的远近决定通信线路的长度，不同总线的通信距离是不一样的，其变化范围为几十米～十千米。现场的安全防爆要求是一项十分重要的指标，就目前的几种有代表性的现场总线，除CAN总线外，其余几种都能满足安全防爆要求，依据目前的发展趋势最好选用PROFIBUS-PA或FF的H1。现场电磁环境的优劣，决定了选用构成网络的通信介质，如果现场电磁干扰等很严重，最好选用光纤作为传输介质。

3）传输信号情况。这包括传输信号是模拟量或数字量，信息量的大小，对实时性的要求等。传输信号情况的不同对现场总线也提出不同的要求，如果是模拟与数字信号共存，则可以选用HART；如果传输的信息量特别大，实时性不高，则可以考虑选用PROFIBUS-FMS；如果信息量大，实时性高，则可以考虑选用PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP构成系统。

4）现场设备情况。这是指对原老设备的技术改造，还是采用符合现场总线要求的智能仪表等。这种情况在国内的许多企业都存在，由于原来使用的许多仪表都是Ⅲ型表，且目前使用的效果比较好，但又希望利用先进的现场总线技术提高生产的综合自动化水平，这实际上是考虑如何充分利用原来老设备，在此基础上建立现场总线网络。目前市场提供的远程智能I/O能满足这种要求，通过这种I/O能将传统仪表的模拟4～20mA或0～5V的信号转换成和现场总线相兼容的通信信号，从而实现与现场总线网络的连接与通信。这种方案对老企业进行技术改造是一种可取的途径。总之作为用户，总是希望选用性能价格比最优的产品，但是由于用户自身的需求千差万别，往往一种现场的产品很难满足各方面的需求，所以在实际选型时，可以利用网关技术，将不同的现场总线集成一起，从而满足自己的要求。

另外，如果针对自己的要求，有几种产品都能满足自己的要求，且性能价格比都差不多时，这时考虑的因素应该是服务，哪家的产品用户多，服务好（包括安装、培训、维修等），就应该考虑优先选择该产品。目前，PROFIBUS和FF在这方面比较有优势。当面对一个实际应用问题，希望应用现场总线技术构成一个系统时，可遵循以下步骤作出选择：

（1）项目是否适合使用现场总线技术

任何一种先进技术，超出其适用范围也不会得到好的效果。因此可着重考虑以下几个问题：

1）现场被控设备是否分散。这是决定使用现场总线技术的关键。现场总线技术适合用于分散的、具有通信接口的现场受控设备系统。现场总线技术的优势是节省了大量现场布线成本，使系统故障易于诊断与维护。对于具有集中I/O的单机控制系统，现场总线技术没有明显优势。当然，有些单机控制在设备上很难留出空间布置大量的I/O走线，也可考虑使用现场总线技术。

2）系统对底层设备有信息集成要求。现场总线技术适合对数据集成有较高要求的系统，如需要建立车间监控系统，或建立全厂的CIMS系统。在底层使用现场总线技术可将大量丰富的设备及生产数据集成到管理层，为实现全厂的信息系统提供重要的底层数据。

3）系统对底层设备有较高的远程诊断、故障报警及参数化要求，现场总线技术适合要求有远程操作及监控的系统。

（2）系统实时性要求

所谓系统的实时性是指现场设备之间，在最坏情况下完成一次数据交换，系统所能保证的最小时间，简单地说就是现场设备的通信数据更新速度。以下实际应用可能对系统的实时性提出要求：

1）快速互锁联锁控制、故障保护。现场设备之间需要快速互锁联锁控制，完成设备故障保护功能，或系统实时性影响到产品加工精度。系统实时性不高，可能会导致设备损坏，或影响产品加工质量。

2）闭环控制。现场设备之间构成闭环控制系统，系统的实时性会影响到产品质量，如产品薄厚不均、大小不一、成分不同等。

影响系统实时性的主要因素如下：

1）现场总线数据传输速率高，系统具有更好的实时性。

2）数据传输量小，系统具有更好的实时性。

3）从站数目少，系统具有更好的实时性。

4）主站数据处理速度快，使系统具有更好的实时性。

5）单机控制I/O方式，比现场总线方式要有更好的实时性，如图3-18所示。1与2之间的配合比3与4之间的配合具有更好的实时性。

6）在一条总线上的设备比经过网桥或路由的设备具有更好的实时性。在图3-18中，3与4在同一段PROFIBUS-DP上，而3与5位于两段不同的PROFIBUS-DP上，因此，3与4之间的配合比3与5之间的配合具有更好的实时性。同理，3或4与5之间的实时性是最差的。

图3-18 基于现场总线构成的控制系统

图3-19 总线循环时间与从站数关系曲线

条件：每个DP从站设备有2B的输入和2B输出数据，最小的间隔时间是200μs

7）有时主站应用程序的大小、计算复杂程度也影响系统响应时间，这与主站设计原理有关。

如果实际应用对系统响应有一定的实时要求，则可根据具体情况分析是否采用总线技术，当采用PROFIBUS-DP时，以下数据可供参考。当总线具有32个从站，数据传输速率为12Mbit时，总线循环时间为1ms，如图3-19所示。

（3）有无应用先例

有无应用先例也是决定是否采用现场总线技术的一个关键，因为对于一个实际应用项目，技术问题复杂，很难用精确的数学分析、仿真方法给出技术可行性论证。对重大项目的决策、应用先例或应用业绩是简单而又颇具说服力的证明。一般来说，如在相同行业有类似应用，则可以说明该技术已经有保证。

（4）采用什么样的系统结构配置

用户决定采用现场总线PROFIBUS技术后，采用什么样的系统结构配置，应在系统设计时考虑以下几点：

1）系统分层。系统结构为现场层、车间层，要根据应用考虑是否需要车间层监控，如果需要作车间级监控或需要为车间级监控留出接口，则主站应配置FMS接口。监控站应接到FMS网上，对此监控站也要考虑配置FMS网卡。

2）主站形式。根据系统可靠性要求及工程经费，决定主站形式及产品。

3）结构（从站）。系统有多少从站、分布如何、从站设备如何连接，现场设备是否具备PROFIBUS接口，可否采用分散式I/O连接从站、哪些设备需选用智能型I/O控制，根据现场设备地理分布进行分组并确定从站个数及从站功能的划分。

4）选型。根据系统是离散量控制还是流程控制，现场级选用PROFIBUS-DP或PA，是否需要本征安全，现场总线数据传输速率，根据系统对实时性要求，决定现场总线数据传输速率。

5）设备层数据如何进入车间管理层数据库。设备层数据，如PROFIBUS-DP数据进入车间管理层数据库，首先要进入监控层的FMS监控站，监控站的监控软件包具有一个在线监控数据库，这个数据库的数据分两部分，一是在线数据，如设备状态、数值数据、报警信息等；二是历史数据，是对在线数据进行了一些统计分类以后存储的数据，可作为生产数据完成日、月、年报表及设备运行记录报表。这部分历史数据通常需要进入车间级管理数据库。自动化行业的实时监控软件，如FIX、INTOUCH、WIZCON、WinCC、RSVIEW等，都具有MICRO系列数据库接口，如ACCESS、SYBASE、FOBASE，工厂管理层数据库通过车间管理层得到设备层数据。

（5）应用现场总线一定要着重于实际需要和技术发展

1）要有一个规划。各企业应用现场总线要从实际需要出发，根据原有的自动化基础、现有的技术力量和资金等条件统筹考虑，根据目前现场总线技术发展现状和应用实际情况制定相应的应用规划。特别是有新建、扩建和自动化改造任务的企业，可按信息化、自动化“总体规划、系统设计、分步实施”的原则做好采用现场总线的规划和实施方案，逐步扩展。

2）要考虑和处理好DCS、PLC和现场总线应用的关系。目前DCS控制系统比较成熟，它仍是石油和化工企业的主流控制产品，因此现已用DCS控制生产过程的企业，应该用好管好DCS系统，充分发挥DCS、PLC功能的作用。有些企业，如果已用的DCS系统技术落后、又经常出现故障，给生产带来损失的，则可以考虑换代，或采用现场总线控制系统取而代之。

3）要处理好与常规仪表应用的关系。目前还有相当一批中小化工企业仍在用常规仪表控制生产过程，这些厂首先要用好、管好现有仪表及控制系统；如有技改任务或现有仪表产品落后，则可以考虑选用现场总线控制系统或新的控制系统取而代之。

4）应用现场总线要根据需要和可能逐步扩展。目前现场总线虽有许多优点，但现场总线还在发展中，产品系列尚未配套。因此各厂在应用现场总线时一定要根据需要加以运用，特别一些大型石油和化工企业一定要边应用、边总结经验、逐步扩展。

（6）网络物理介质

在构造网络时，必须了解构成网络物理介质的特性，正确选择网络的物理介质，进行最优化的布线设计、安装与测试，以使所构成的网络具有高的性价比。网络的传输媒体通常采用双绞线（有屏蔽和无屏蔽）、同轴电缆（细缆和粗缆）和光缆，而对现场总线网络采用高质无屏蔽双绞线取代同轴电缆时，有利于解决数据高速传输，降低线间串扰和电磁辐射等，并能便于管理系统的扩充。光缆具有保密性强、体积小、重量轻、不怕电磁干扰、通信容量大、通信距离远等优点，因此在现场总线的互联网中采用廉价的塑料光缆是一种性价比较高的设计方案。但在网络结构设计中首要的是根据所采用现场总线支持的物理介质，如Lon-wor-ks支持多种介质就是其主要的技术特点之一，对于不同的传输介质的支持是通过收发器（Transceiver）实现的，在一个通信信道上，只能使用相同类型的收发器产品才可以直接连接。目前使用较多的收发器是FTT-10（非总线供电）和LPT-10（总线供电），对于终端匹配器的使用应引起足够的重视，尤其是在通信电缆比较短时，若不使用终端匹配器会使网络吞吐率下降20％～30％。终端匹配器的数量由网络总线的拓扑结构决定，总线拓扑结构的不同，网络的覆盖范围会有非常大的差异。