第一章：現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及PROFIBUS

1.1 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的由來(lái)

1.1.1 CIMS體系結構及工業(yè)數據結構的層次劃分

    根據工廠(chǎng)管理、生產(chǎn)過(guò)程及功能要求，CIMS體系結構可分為5層，即工廠(chǎng)級、車(chē)間級、單元級、工作站

級和現場(chǎng)級。簡(jiǎn)化的CIMS則分為3層，即工廠(chǎng)級、車(chē)間級和現場(chǎng)級。在一個(gè)現代化工廠(chǎng)環(huán)境中，在大規模的

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中，工業(yè)數據結構同樣分為這三個(gè)層次，與簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò )層次相對應。如圖1-1所示。

圖1-1：簡(jiǎn)化的CIMS網(wǎng)絡(luò )體系結構

1.1.2 現場(chǎng)級與車(chē)間級自動(dòng)化監控及信息集成是工廠(chǎng)自動(dòng)化及CIMS不可缺少的重要部分。

    現場(chǎng)級與車(chē)間級自動(dòng)化監控及信息集成系統主要完成底層設備單機控制、連機控制、通信連網(wǎng)、在線(xiàn)設備狀態(tài)監測及現場(chǎng)設備運行、生產(chǎn)數據的采集、存儲、統計等功能，保證現場(chǎng)設備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現場(chǎng)設備生產(chǎn)及運行數據信息傳送到工廠(chǎng)管理層，向工廠(chǎng)級MIS系統數據庫提供數據。同時(shí)也可接受工廠(chǎng)管理層下達的生產(chǎn)管理及調度命令并執行之。因此，現場(chǎng)級與車(chē)間級監控及信息集成系統是實(shí)現工廠(chǎng)自動(dòng)化及CIMS系統的基礎。

1.1.3 傳統的現場(chǎng)級與車(chē)間級自動(dòng)化監控及信息集成系統

    傳統的現場(chǎng)級與車(chē)間級自動(dòng)化監控及信息集成系統（包括：基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統），其主要特點(diǎn)之一是，現場(chǎng)層設備與控制器之間的連接是一對一（一個(gè)I/O點(diǎn)對設備的一個(gè)測控點(diǎn)）所謂I/O接線(xiàn)方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開(kāi)關(guān)量信息）信號。如圖1-2所示：

圖1-2：傳統的現場(chǎng)級與車(chē)間級自動(dòng)化監控及信息集成系統

1.1.4 系統主要缺點(diǎn)
    （1）信息集成能力不強： 控制器與現場(chǎng)設備之間靠I/O連線(xiàn)連接，傳送4-20mA模擬量信號或24VDC等開(kāi)關(guān)量信號，并以此監控現場(chǎng)設備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數據如設備參數、故障及故障紀錄等數據很難得到。底層數據不全、信息集成能力不強，不能完全滿(mǎn)足CIMS系統對底層數據的要求。

   （2）系統不開(kāi)放、可集成性差、專(zhuān)業(yè)性不強：除現場(chǎng)設備均靠標準4-20mA/24VDC連接，系統其它軟、硬件通常只能使用一家產(chǎn)品。不同廠(chǎng)家產(chǎn)品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統很少留出接口，允許其它廠(chǎng)商將自己專(zhuān)長(cháng)的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去，因此，面向行業(yè)的監控系統很少。

   （3）可靠性不易保證：對于大范圍的分布式系統，大量的I/O電纜及敷設施工，不僅增加成本，也增加了系

統的不可靠性。
   （4）可維護性不高：由于現場(chǎng)級設備信息不全，現場(chǎng)級設備的在線(xiàn)故障診斷、報警、記錄功能不強。另一方面也很難完成現場(chǎng)設備的遠程參數設定、修改等參數化功能，影響了系統的可維護性。

1.1.5 現場(chǎng)設備的串行通信接口是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的原形

    由于大規模集成電路的發(fā)展，許多傳感器、執行機構、驅動(dòng)裝置等現場(chǎng)設備智能化，即內置CPU控制器，完

成諸如線(xiàn)性化、量程轉換、數字濾波甚至回路調節等功能。因此，對于這些智能現場(chǎng)設備增加一個(gè)串行數據接口（如RS-232/485）是非常方便的。有了這樣的接口，控制器就可以按其規定協(xié)議，通過(guò)串行通信方式（而不是I/O方式）完成對現場(chǎng)設備的監控。如果設想全部或大部分現場(chǎng)設備都具有串行通信接口并具有統一的通信協(xié)議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現場(chǎng)設備連接，完成對所有現場(chǎng)設備的監控，這就是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的初始想法。

1.1.6 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)生

    基于以上初始想法，使用一根通信電纜，將所有具有統一的通信協(xié)議通信接口的現場(chǎng)設備連接，這樣，在設備層傳遞的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信號，而是基于現場(chǎng)總線(xiàn)的數字化通信，由數字化通信網(wǎng)絡(luò )構成現場(chǎng)級與車(chē)間級自動(dòng)化監控及信息集成系統。