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Profibus工程應(yīng)用指南

1. 現(xiàn)場總線Profibus在工廠自動化系統(tǒng)中的位置
一個典型的工廠自動化系統(tǒng)應(yīng)該是三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?；诂F(xiàn)場總線Profibus-DP/PA控制系統(tǒng)位于工廠自動化系統(tǒng)中的底層，即現(xiàn)場級與車間級?，F(xiàn)場總線PROFIBUS是面向現(xiàn)場級與車間級的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)。如下圖3-1所示：

圖3-1：Profibus是面向現(xiàn)場級與車間級的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)

(1) 現(xiàn)場設(shè)備層：主要功能是連接現(xiàn)場設(shè)備，如分散式I/O、傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)、開關(guān)設(shè)備等，完成現(xiàn)場設(shè)備控制及設(shè)備間連鎖控制；如一臺加工設(shè)備控制、一條裝配輸送線或一條生產(chǎn)線上現(xiàn)場設(shè)備之間的連鎖控制。主站（PLC、PC機或其它控制器）負(fù)責(zé)總線通信管理及所有從站的通信?？偩€上所有設(shè)備生產(chǎn)工藝控制程序存儲在主站中，并由主站執(zhí)行。
(2) 車間監(jiān)控層：車間級監(jiān)控用來完成車間主生產(chǎn)設(shè)備之間的連接，如一個車間三條生產(chǎn)線主控制器之間的連接, 完成車間級設(shè)備監(jiān)控。車間級監(jiān)控包括生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)控、設(shè)備故障報警及維護(hù)等。通常還具有諸如生產(chǎn)統(tǒng)計、生產(chǎn)調(diào)度等車間級生產(chǎn)管理功能。車間級監(jiān)控通常要設(shè)立車間監(jiān)控室，有操作員工作站及打印設(shè)備。車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可采用Profibus-FMS，它是一個多主網(wǎng)，這一級數(shù)據(jù)傳輸速度不是最重要的，而是要能夠傳送大容量信息。
(3) 工廠管理層：車間操作員工作站可通過集線器與車間辦公管理網(wǎng)連接，將車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)送到車間管理層。車間管理網(wǎng)作為工廠主網(wǎng)的一個子網(wǎng)。子網(wǎng)同過交換機、網(wǎng)橋或路由等連接到廠區(qū)骨干網(wǎng)，將車間數(shù)據(jù)集成到工廠管理層。如下圖3-2所示。

圖3-2

車間管理層采用通常所說的以太網(wǎng)，即IEC802.3、TCP/IP的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。廠區(qū)骨干網(wǎng)可根據(jù)工廠實際情況，采用如FDDI或ATM等網(wǎng)絡(luò)。

2. 現(xiàn)場總線Profibus控制系統(tǒng)組成
2.1. 一類主站
一類主站指PLC、PC或可做一類主站的控制器。一類主站完成總線通信控制與管理。

2.2. 二類主站
二類主站指操作員工作站（如PC機加圖形監(jiān)控軟件）、編程器、操作員接口等。完成各站點的數(shù)據(jù)讀寫、系統(tǒng)配置、故障診斷等。

2.3 從站
(1) PLC（智能型I/O）：PLC可做Profibus上的一個從站。PLC自身有程序存儲，PLC的CPU部分執(zhí)行程序并按程序指令驅(qū)動I/O。做為PROFIBUS主站的一個從站，在PLC存儲器中有一段特定區(qū)域作為與主站通信的共享數(shù)據(jù)區(qū)。主站可通過通信間接控制從站PLC的I/O。
(2) 分散式I/O（非智能型I/O）：通常由電源部分、通信適配器部分、接線端子部分組成。分散式I/O不具有程序存儲和程序執(zhí)行，通信適配器部分接收主站指令，按主站指令驅(qū)動I/O，并將I/O輸入及故障診斷等信息返回給主站。通常分散型I/O是由主站統(tǒng)一編址，這樣在主站編程時使用分散式I/O與使用主站的I/O沒有什么區(qū)別。
(3) 驅(qū)動器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備：即帶Profibus接口的現(xiàn)場設(shè)備，可由主站在線完成系統(tǒng)配置、參數(shù)修改、數(shù)據(jù)交換等功能。至于那些參數(shù)可進(jìn)行通信及參數(shù)格式由PROFIBUS行規(guī)決定。

3. 現(xiàn)場總線Profibus控制系統(tǒng)配置的幾種形式
3.1 根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備是否具備Profibus接口可分為三種形式
(1) 總線接口型: 現(xiàn)場設(shè)備不具備Profibus接口，采用分散式I/O作為總線接口與現(xiàn)場設(shè)備連接。這種形式在應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)初期容易推廣。如果現(xiàn)場設(shè)備能分組，組內(nèi)設(shè)備相對集中，這種模式會更好地發(fā)揮現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點。見圖3-3：

圖3-3：采用分散式I/O作為總線接口與現(xiàn)場設(shè)備連接

(2) 單一總線型: 現(xiàn)場設(shè)備都具備Profibus接口。這種一種理想情況。可使用現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)完全的分布式結(jié)構(gòu)，可充分獲得這一先進(jìn)技術(shù)所帶來的利益。新建項目可能具有這種條件，就目前來看，這種方案設(shè)備成本會較高。見圖3-4：

圖3-4：現(xiàn)場設(shè)備都具備Profibus接口

(3) 混合型：現(xiàn)場設(shè)備部分具備Profibus接口。這將是一種相當(dāng)普遍的情況。這時應(yīng)采用PROFIBUS現(xiàn)場設(shè)備加分散式I/O混合使用的辦法。無論是舊設(shè)備改造還是新建項目，希望全部使用具備PROFIBUS接口現(xiàn)場設(shè)備的場合可能不多，分散式I/O可作為通用的現(xiàn)場總線接口，是一種靈活的集成方案。見圖3-4。

圖3-4：混合型

3.2 根據(jù)實際應(yīng)用需要的幾種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型
根據(jù)實際需要及經(jīng)費情況，通常有如下幾種結(jié)構(gòu)類型：
(1) 結(jié)構(gòu)類型1: 以PLC或控制器做一類主站，不設(shè)監(jiān)控站，但調(diào)試階段配置一臺編程設(shè)備。這種結(jié)構(gòu)類型，PLC或控制器完成總線通信管理、從站數(shù)據(jù)讀寫、從站遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。如圖3-5所示。

圖3-5：結(jié)構(gòu)類型1

(2) 結(jié)構(gòu)類型2: 以PLC或控制器做一類主站，監(jiān)控站通過串口與PLC一對一的連接。這種結(jié)構(gòu)類型，監(jiān)控站不在Profibus網(wǎng)上，不是二類主站，不能直接讀取從站數(shù)據(jù)和完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。監(jiān)控站所需的從站數(shù)據(jù)只能從PLC或控制器中讀取。如圖3-6所示。

圖3-6: 結(jié)構(gòu)類型2

(3) 結(jié)構(gòu)類型3: 以PLC或其它控制器做一類主站，監(jiān)控站（二類主站）連接Profibus總線上。這種結(jié)構(gòu)類型，監(jiān)控站在PROFIBUS網(wǎng)上作為二類主站，可完成遠(yuǎn)程編程、參數(shù)化及在線監(jiān)控功能。如圖3-7所示。

圖3-7：結(jié)構(gòu)類型3

(4) 結(jié)構(gòu)類型4: 使用PC機加Profibus網(wǎng)卡做一類主站，監(jiān)控站與一類主站一體化。這是一個低成本方案，但PC機應(yīng)選用具有高可靠性、能長時間連續(xù)運行的工業(yè)級PC機。對于這種結(jié)構(gòu)類型，PC機故障將導(dǎo)致整個系統(tǒng)將癱瘓。另外，通信模板廠商通常只提供一個模板的驅(qū)動程序，總線控制、從站控制程序、監(jiān)控程序可能要由用戶開發(fā)，因此應(yīng)用開發(fā)工作量可能會比較大。如圖3-8所示。

圖3-8：結(jié)構(gòu)類型4

(5) 結(jié)構(gòu)類型5: 堅固式PC機（COMOPACT COMPUTER）+Profibus網(wǎng)卡+SOFTPLC的結(jié)構(gòu)形式。如果上述方案中PC機換成一臺堅固式PC機（COMOPACT COMPUTER），系統(tǒng)可靠性將大大增強，足以使用戶信服。但這是一臺監(jiān)控站與一類主站一體化控制器工作站，要求它的軟件完成如下功能：
▼支持編程，包括主站應(yīng)用程序的開發(fā)、編輯、調(diào)試。
▼執(zhí)行應(yīng)用程序。
▼通過Profibus接口對從站的數(shù)據(jù)讀寫。
▼從站遠(yuǎn)程參數(shù)化設(shè)置。
▼主/從站故障報警及記錄。
▼主持設(shè)備圖形監(jiān)控畫面設(shè)計、數(shù)據(jù)庫建立等監(jiān)控程序的開發(fā)、調(diào)試。
▼設(shè)備裝態(tài)在線圖形監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲及統(tǒng)計、報表等功能。
近來出現(xiàn)一種稱為SOFTPLC的軟件產(chǎn)品，是將通用型PC機改造成一臺由軟件（軟邏輯）實現(xiàn)的PLC。這種軟件將PLC的編程（IEC1131）及應(yīng)用程序運行功能，和操作員監(jiān)控站的圖形監(jiān)控開發(fā)、在線監(jiān)控功能集成到一臺堅固式PC機上，形成一個PLC與監(jiān)控站一體的控制器工作站。筆者認(rèn)為這種產(chǎn)品結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)將有很好的發(fā)展前景。如圖3-9所示。

圖3-9：結(jié)構(gòu)類型5

(6) 結(jié)構(gòu)類型6: 使用兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種方案充分考慮了未來擴展需要，比如要增加幾條生產(chǎn)線即擴展出幾條DP網(wǎng)絡(luò)，車間監(jiān)控要增加幾個監(jiān)控站等，都可以方便進(jìn)行擴展。如圖3-10所示，采用了兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，充分考慮了陰影部分的擴展余地。