现场总线技术及其应用 [现场总线技术ＰＲＯＦＩＢＵＳ在油田的应用]

　　摘要：为适应市场经济的竞争，目前各油田减少设备检修维护成本，实行状态检修，要将各分散的工艺段自动化系统形成一整体，便于对设备状态进行监控，运用PROFIBUS现场总线技术，就可彻底解决这一自动化孤岛整合与一体的问题，使油田基于设备状态的检修成为可能。
　　关键词：PROFIBUS；通讯协议；系统结构；PROFIBUS 网络设计
　　中图分类号：TP273 文献标识码：A
　　
　　1 概述
　　
　　PROFIBUS（PROCESS FIELD-BUS）诞生于1987年，1989年被立项为德国国家标准DIN19245、91、92、93、95年，PROFIBUS-FMS（DIN 19245，第1，2部分）-DP（DINl9245，第3部分）和-PA（DINl9245，第4部分）先后被批准实施。1996年3月，PROFIBUS被CENELEC-欧洲电工标准化委员会批准为欧洲标准EN50170（第2卷）。它以每年20-30％的惊人速度发展，目前全世界PROFIBUS设备安装总数已达200多万台，由200多家企业生产的PROFIBUS产品已达1600多种以上，应用实例多达20多万个，总投资达45亿多美元。在我国，相应的组织机构是CPO-China PROFIBUS Organization，成立于1997年7月3日。国内为数众多的企业运用PROFIBUS-DP成功地实现了从食品、机械、楼宇、烟草、钢铁、电站直至环保工程的自动化，并取得了明显的经济效益。
　　在现场级（Field Level）的现场设备与控制室内的自控装置之间进行的串行数据传输通讯的数据总线系统，称为现场总线系统（Fieldbus Systems）。现场总线技术推动了现场智能设备和智能仪表的发展，使传统DCS系统和PLC系统与现场总线融合于一体，不仅形成了一个信息网络技术、全集成自动化系统，还推动了以现场设备为基础形成的网络集成式全分布控制系统 FCS 的出现、发展和广泛应用。目前在全球范围内被广泛认可的现场总线系统包括：PROFIBUS、FF、ControlNet、PROFINET、PNET等十大总线系统。
　　
　　2 PROFIBUS 现场总线的自动化系统结构
　　
　　2.1PROFIBUS 现场总线通讯协议
　　PROFIBUS协议满足ISO／OSI网络化参考模型对开放性现场总线系统的要求，构成从传感器／执行器、现场级、单元级直至管理级的透明的通讯系统。根据EN50170，它有三个成员或三种类型，即FMS、DP、PA，分别适用于不同的领域，这三种类型均使用统一的总线访问协议。
　　1.PROFIBUS DP：在参考模型中，使用第1、2层和用户层。主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于工厂与楼宇自动化中场级之间的高速数据通讯。
　　2.PROFIBUS PA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中本质安全要求的放爆场合，是PROFIBUS-DP向现场的延伸。
　　3.PROFIBUS FMS：使用参考模型中的第1、第2和第7层，定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换，可提供34种FMS服务，实现对变量的访问、程序调用和运行控制及事件管理等。
　　
　　2.2PROFIBUS 现场总线的自动化系统结构
　　PROFIBUS 现场总线的控制系统分成现场控制层、监控层和企业管理层三层。
　　
　　2.2.1 现场控制层
　　现场控制层由现场智能设备、现场智能仪表、远程I/O 和网络设备构成。现场控制涉及PROFIBUS 协议PROFIBUS-DP 和PROFIBUS-PA 两个部分。
　　（1）PROFIBUS-DP 是高速网络，通讯速率达到12M。PROFIBUS-DP 可以连接远程I/O、执行机构、智能马达控制器、人机界面HMI、阀门定位器、变频器等智能设备， 一条PROFIBUS-DP 总线可以最多连接123 个从站设备。PROFIBUS-DP 的拓扑结构可以是总线型、星型和树型，通讯介质可以是屏蔽双绞线、光纤，也支持红外传输，采用双绞线时，不加中继器最远通讯距离可达1.2 公里，最多可以采用9 个中继器，最远通讯距离可达9 公里。采用光纤时，最远通讯距离可达100 公里以上，其中采用多膜光纤，两点间最远距离可达3 公里，采用单膜光纤时，两点间最远距离可达3 公里。
　　（2） PROFIBUS-PA 是低速现场级网络，通讯速率为31.25kb/s，支持点对点连接、总线型、混合型、树型拓扑结构。PROFIBUS-PA 主要用于连接现场智能仪表，如压力、温度、液位、流量等变送器及其执行机构等。可以采用屏蔽双绞线电缆，也可采用非屏蔽双绞线电缆，可通过总线供电。
　　2.2.2监控层
　　监控层由高速工业以太网以及连接在总线上的担任监控作务的工作站或显示操作站、工程师站、PLC/DCS 控制器组成。随着网络技术的不断发展，工业以太网的通讯速率也在不断提高，目前工业级的千兆以太网已经在工业自动化领域大量应用。
　　2.2.3企业管理层
　　企业管理层由各种服务器和客户机组成，主要由SIS、MIS 和ERP 系统构成。其主要目的是在分布式网络环境下，将各工艺段（例如DCS 系统、辅助程控系统等）的数据和信息（如过程数据、报警信息和设备状态等）进行汇总，从而集成企业的各种信息，实现与Internet 的连接，完成管理、决策和商务应用的各种功能。通过管理层，公司和集团领导可以实时监控现场设备，并通过授权还可以对各系统进行组态。
　　
　　3 PROFIBUS 现场总线系统的优点
　　
　　3.1开放性
　　PROFIBUS 是一个完全开放的、与制造商无关的、无知识产权保护的现场总线标准，全球有超过250 家公司可以生产超过2000 种支持PROFIBUS 的系统和设备。PROFIBUS 的开放性保证了不同制造厂商的产品的互连。例如西门子公司的DCS 或PLC 可以通过PROFIBUS 连接第三方的远程I/O、智能设备和仪表，这些连接只需要产品制造商提供相应的GSD文件或EDD 文件，然后进行简单组态即可实现。目前国际知名的自动化系统制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON、FOXBORO 等和知名的仪表制造商如：SIEMENS、EMERSON 等都可以提供丰富的支持PROFIBUS 的产品。知名的PLC 品牌如：SIEMENS、MODICON、AB 也都支持PROFIBUS 总线。
　　
　　3.2可靠性
　　PROFIBUS 现场总线已安装运行节点数超过1000 万个，大大高于其它现场总线系统，它是IEC61158 的重要组成部分，并于2001 年成为中国的行业标准JB/T 10308.3-2001。PROFIBUS 的可靠性表现在以下几个方面：
　　1．PROFIBUS 总线上的数据传输是完全基于数字信号实现的，这样可以大幅提高信号传输过程中的抗干扰能力。
　　2．采用PROFIBUS 总线直接连接现场智能设备，可以减少大量接线点，减少了由于接线不牢或接线不规范引起的故障。
　　3．PROFIBUS 连接智能设备，减少了A/D 转换的环节，提高了自动化系统的采集精度，为精确控制提供保障。
　　4．PROFIBUS 上各设备的连接非常简单，并可以通过专用剥线工具和PROFIBUS 接头，减少接线风险；同时PROFIBUS 接头可以保证总线上任何一个节点故障不影响系统通讯。
　　5．支持冗余总线系统，提高系统可靠性。
　　
　　3.3扩展灵活
　　采用PROFIBUS 总线结构的控制系统，扩展非常方便灵活，主要表现在以下几个方面：
　　1．拓扑结构灵活，可以支持总线型、星型、树型、冗余环型等多种拓扑结构。
　　2．支持光纤和双绞线作为通讯介质，采用多模光纤时，两个光电模块间的距离可达3KM，采用单模光纤时，两个光电模块间的距离可达26KM；采用双绞线不加中继的最远通讯距离可达1KM，采用中继时最远可达9KM。
　　3．一条PROFIBUS-DP 总线最多可以连接123个DP从站，所有满足PROFIBUS-DP通讯规约的设备都可以连接到系统中。目前全球有超过1200 家公司可以生产超过2000 种支持PROFIBUS 的产品，因此具有很强的开放性和可扩展性。
　　4．提供多种接口设备，用于将冗余DP总线转换成单DP总线和将冗余DP总线转换成PA总线，可以将DP 总线转换成Asi 总线等，非常便于扩展。
　　5．PROFIBUS 同时可以支持PROFIsafe 协议，一条总线上既可以传输标准数字信号，也可以同时传输故障安全的信号。
　　6．提供可用于危险领域的接口模块，可以支持在危险区域的应用。
　　
　　3.4实时性
　　采用PROFIBUS 总线的系统具有很高的实时性，这是由PROFIBUS 总线系统的数据传输速率高所决定的。PROFIBUS-DP 总线的传输速率可达12M，是目前通讯速率最高的现场总线。
　　3.4.1PROFIBUS-DP 总线的响应时间
　　计算PROFIBUS-DP 总线的响应时间可以按下面的计算公式进行计算：
　　t Cycle_DP = （317 x （nSlaves） + 11 x （nBytes） ） x Tbit
　　317 是一个常数，表示一个DP 从站建立通讯连接所需的数据位；
　　第一个N 表示整个PROFIBUS-DP 总线上的从站数量；
　　第二个N 表示整个PROFIBUS-DP 总线上传输的数据总数，单位为字节。
　　如果总线系统中还有PA 总线，则PA 总线的响应时间为：
　　t Cycle_PA-channel = （317 x （nSlaves） + 8 x （nBytes） ） x Tbit
　　整个PROFIBUS-DP 系统的响应时间为：
　　t Cycle = t Cycle_PA-channel + t Cycle_DP + t Acylic
　　3.4.2PROFIBUS 总线系统的实时性
　　从上面的公式可以看到，一个典型的通过PA 总线连接的智能仪表的响应时间为10ms；
　　一个典型的通过PA 总线连接的执行机构的响应时间为15ms；
　　一个PROFIBUS-DP 从站的响应时间

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