您的位置: 首页>技术>PROFIBUS

PROFIBUS

PROFIBUS是世界上最成功的现场总线。截至2014年底,已经在工业领域超过900万节点中安装了近5090万个PROFIBUS设备。PROFIBUS是基于统一的、标准的、独立于应用的通信协议,它是支持工厂自动化、过程自动化、运动控制及安全相关领域的现场总线解决方案。



PROFIBUS已经成为国际IEC 61158标准——这为互操作及兼容性奠定了基础。此外,PROFIBUS PA行规确保了过程设备在总线中的协同运行。最新的PROFIBUS PA V3.02版本提供众多功能,使得现场设备更易于操作,比如设备替换。当一个现场设备需要采用新设备自动地替换先前设备时,无需中断运行系统即可轻易地实现设备替换。不同代设备之间可实现自适应。这意味着标准化提供了更高的灵活性,从而不受限于供应商。实际上与此同时,大量可用设备能够以任何方式实现连接,从而可不再专注于某一个供应商。甚至之后的设备替换也是非常容易的,新的PROFIBUS总是向后兼容的。



一致性及应用方向

PROFIBUS是PROFIBUS & PROFINET国际(PI)提出基于现场总线的自动化标准。通过一根总线电缆,PROFIBUS可将控制器或控制系统与现场级的分布式现场设备(传感器和执行器)连接,并且允许与更高级别的通信系统进行一致性数据交换。PROFIBUS的一致性是基于统一的、标准的、独立于应用的通信协议(所谓的PROFIBUS DP),它是支持工厂自动化、过程自动化、运动控制及安全相关领域的现场总线解决方案。

?

PROFIBUS选用基于通信协议为核心的模块化结构,如图1所示。它将传输技术、应用行规以及工程组态等特定应用模块结合起来,为特定市场(工业领域)提供PROFIBUS完整解决方案,如图2所示。为确保自动化解决方案中众多设备间的正确连接,基本功能和服务必须匹配通信、功能及工业标准。而通过“应用行规”——满足设备家族或特定工业领域需求,可以实现统一,比如过程自动化(PA设备),运动控制(PROFIdrive)或HART设备的集成(HART集成到PROFIBUS中)。


图1 PROFIBUS模块化结构


图2 PROFIBUS面向不同行业的解决方案



PROFIBUS的混合因素

PROFIBUS在工厂及过程自动化中使用统一的一致性通信协议,所以常常能够看到其可混合使用在制药、食品、酿酒工业、水、污水处理等应用中,因此持续性过程工业工艺(比如混合或干燥)可与离散应用(比如辨识、输送或包装等)结合使用。通用的PROFIBUS DP通信协议结合特定应用行规可提供众多优势:过程和工厂自动化网络能够连接在一根电缆上。而其他专注于过程或者离散应用的总线,总是额外使用一条现场总线,这也意味着需要花费额外的布线、安装、培训、维护和后续服务成本。PROFIBUS可以仅通过一根电缆解决这两个领域的问题。


图3 PROFIBUS混合自动化



未实现的一致性

在图4中,PROFIBUS DP位于控制器和现场设备的中间位置,传输通信数据,尤其适用于工厂自动化(FA)。往下PROFIBUS PA设备通过耦合器或连接装置与典型过程自动化应用(PA)连接(比如危险环境)。往上控制器可与PROFINET连接作为系统总线,并为“MES和ERP级”提供接口。PA部分也可以直接通过“代理技术”与PROFINET直接连接。


图4 PROFIBUS未实现的一致性



PROFIBUS现场总线的价值

从多方面考虑PROFIBUS的性价比相当高,可在整个工厂的生命周期中降低成本,提升效率。

1,工程组态阶段,其可简化工厂设计、消除复杂布线,采用较少硬件,从而实现快速调试并降低成本;
2,支持诊断,调试更为迅速;
3,通过为操作员和管理人员提供更好的、更及时的数据,提升产品产量及质量;
,4,持高级资产管理策略,可以更好的管理和维护工厂及设备。?



PROFIBUS优势

通用且易于使用


1,PROFIBUS是基于标准化和模块化的。用户优势在于PROFIBUS易于使用且灵活。单一的通信协议使得过程工业、离散与安全相关过程均可集成在同一条总线上运行,从而淘汰了离散系统,支持混合自动化;
2,在过程自动化中,设备行规确保设备与总线的兼容性,用户能够选择任意的”设备行规”;
3,诊断数据显示根据NAMUR NE 107标准分类:操作员站能够实时监测设备状态,并做出适当的响应。?

高效且多产

1,高效的工业过程要求机器和工厂的高可靠性。不中断运行情况下,PROFIBUS即可启动集成冗余系统;
2,总线、现场设备及过程发送的诊断信息十分重要,不仅能够显示当前状态,而且可以进行实时的、基于状态的干预。
3,能够优化分布式I/O应用。一条PROFIBUS DP总线电缆能够连接高达126个I/O设备。每个I/O设备能够控制数以百计的节点,使得单个控制器实现大量连接成为可能。?

前瞻性

PROFIBUS能够对工厂的整个生命周期进行前瞻性管理。当部署更先进的设备技术时,工厂运行绝对不能因为安装设备而中断。解决方案:从3.02版本的PA设备行规开始,新设备能够暂时采用先前版本设备的功能。在此种方式下可不中断工厂运行,其附加功能可以在下一个维护周期进行集成。利用这种设备创新的能力,可以显着减少设备替换。?

创新性

1,PROFIBUS由其高度创新而知名:收集用户需求并快速执行。?兼容具有NAMUR诊断原理的PA 3.02版本行规就是实例;
2,其他实例,比如高效冗余理论和代理服务器技术,使得PROFIBUS系统用户可实现以太网(PROFINET);
3,现有工厂使用PROFIBUS技术,可在任何时间实现现代化和扩展:容易地集成HART技术。通过PROFIsafe和PROFIdrive行规可分别解决安全相关任务和驱动相关任务;
4,PROFIBUS支持高级资产管理策略,工厂和设备可以获到更好的管理和维护。



传输接口的实现

无需总线供电
对于无需总线供电的现场设备,使用基于标准铜缆的RS485接口即可。这为现场设备的使用提供了高度灵活性,无需耦合器或连接器即可接入PROFIBUS DP。数据波特率支持范围9.6KBit/s~12MBit/s。众多制造商均支持RS485模块,包括本质安全版本RS485-IS。
?
需要总线供电
在很多应用场合中,现场设备需要总线供电。PROFIBUS技术支持典型10-15mA总线电流MBP(曼彻斯特编码总线供电)传输技术。这种技术必须提供整套设备,包括总线连接器和电子测量。实现该需求要求专用的调制解调器芯片。调制解调器从供电的MBP总线中抽取所需电压,为其他的设备电气组件提供相应电压,并将连接在总线中的协议芯片的数字信号,转换为模块化供电的总线MBP连接信号。
?
实现通信协议
实现PROFIBUS协议,大量基础技术组件、研发工具(PROFIBUS ASICs, PROFIBUS 开发包, 总线监控装置, 测试工具和试运行工具)及服务是可选的。此外,PI资格中心和许多供应商提供PROFIBUS协议相关技术支持。从PI产品目录中能找到相应的概述。实现PROFIBUS接口,设备运转状态必须由PROFIBUS协议和实现的应用程序决定。因此,这将使得一个PROFIBUS设备的完整测试认证和测试过程得以结合,过程更加简化。
?
1,接口模块
对于使用量少或中等数量的情况,选用大量市场可用的PROFIBUS接口模块是非常合适的。
这些(PROFIBUS接口模块)能够作为附属模块增加在设备主PCB板上,可实现全面的总线协议,并且针对每个应用可提供易于使用的用户接口。
?
2,协议芯片
对于使用量大的设备,可使用集成或非集成附加微型控制器的协议芯片是最佳的解决途径,提供如下可选方案:
?
——单芯片,所有PROFIBUS协议功能均集成在该芯片中,无需单独微控制器(如图1左)。这是一种确定功能范围的纯硬件解决方案。使用单芯片ASICs的解决方案适用于基本的IO设备。但是需要外部的总线连接组件。
——多芯片,可实现一小部分或大部分协议,该芯片中附加了微控制器和固件可实现完整的PROFIBUS协议接口。采用该实现方式,通常用于PROFIBUS协议的物理层双端口通信模块。
——协议芯片,通信模块中集成微控制器。由于提供固件,通过易于使用的用户接口即可实现通信应用。这种方式通常用于对实时性要求比较严格的应用,因为集成微控制器的协议芯片已经能够自动地处理整个PROFIBUS协议,然后连接的外部微控制器可用于实现全部的应用。?


图5 不同协议芯片解决方案

通常,PROFIBUS芯片和附加协议栈(stack)均来自不同的供应商,因此会增加大量可能的解决方案,这也显示了PROFIBUS的开放性以及众多供应商的兼容性。另外,市场上很难看到纯软件的解决方案。

应用行规的实现
现场设备的数据描述可由使用者处理。用户行规代表着现场设备中的PROFIBUS协议和实际应用间的连接。行规描述中所定义的数据格式、数据访问方式、参数化及周期和非周期通信诊断等均在软件中实现,通常由设备供应商或技术供应商处理。

中国PROFIBUS & PROFNET协会 公安机关备案号:110102003102 京ICP备12002888号 技术支持:鸿睿思博