摘 要：介紹了現(xiàn)場總線集成的必要性和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）集成技術的發(fā)展。結合實例說明了基于Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)集成技術的設計和實現(xiàn)，并給出了基于Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的幾種集成方案。提出了現(xiàn)場總線集成中應注意的若干問題。 關鍵詞：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng);集成;Profibus-DP;可編程邏輯控制器;工業(yè)以太網(wǎng) Abstract: The necessity of field bus integration technology and the development of FCS integration technology are introduced. Then the design and implement of FCS integration technology based on Profibus-DP are explained with example. And provide some ways of FCS integration technology based on Profibus-DP. Some problems about field bus integration technology are given. Keywords: FCS; Integration; Profibus-DP;PLC; Ethernet 1 引言： 　　現(xiàn)場總線以其獨特的優(yōu)勢已成為自動控制領域的熱點。構建以現(xiàn)場總線底層控制網(wǎng)絡為基礎，實現(xiàn)企業(yè)管理、控制一體化的綜合自動化系統(tǒng)是企業(yè)致力實現(xiàn)的目標。作為企業(yè)底層網(wǎng)絡的現(xiàn)場總線技術應服務于企業(yè)的目標，以完成信息的集成。 　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)集成技術就是基于此目而逐漸發(fā)展進步的，是用一種系統(tǒng)或者一個自動化平臺完成原來由多種系統(tǒng)搭配起來才能完成所有功能的集成方案，能大大簡化系統(tǒng)的結構，減少大量接口部件。應用集成技術克服了上位機和現(xiàn)場工業(yè)控制設備之間、集中與分散之間的界限。 　　Profibus現(xiàn)場總線技術是開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)，以現(xiàn)場總線為紐帶，可以把單個分散的測控設備變成網(wǎng)絡節(jié)點，形成底層現(xiàn)場智能設備與高層的系統(tǒng)信息共享，滿足工業(yè)控制體系分布化、扁平化和智能化的發(fā)展要求。Profibus在現(xiàn)場總線的應用中占有相當大的比例，且有著重要優(yōu)勢，在現(xiàn)場總線領域中一直占據(jù)著先鋒地位。由于Profibus適用領域的廣泛性（它既適用于工業(yè)自動化中離散加工過程的應用，也適用于流程自動化中連續(xù)和批處理過程的應用），以及它的成熟性、先進性和標志性，本文以Profibus作為現(xiàn)場總線的代表介紹現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成技術。 2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)集成技術的發(fā)展 　　2.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生 　　現(xiàn)場總線是過程控制技術、智能儀表技術和計算機網(wǎng)絡技術三個不同領域結合的產(chǎn)物，把自動控制系統(tǒng)和設備帶進了信息網(wǎng)絡之中，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡的底層，從而為實現(xiàn)企業(yè)信息集成和企業(yè)綜合自動化提供了可行的基礎?，F(xiàn)場總線導致了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結構的變革，形成了新型的網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。 　　2.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)集成技術的發(fā)展 　　由于技術發(fā)展的連續(xù)性和繼承性，以及不同系統(tǒng)研發(fā)投資和市場利益的驅使，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，不會使得其他系統(tǒng)（如DCS，PLC等）很快消失而形成了多種系統(tǒng)集成的局面。目前世界上多種現(xiàn)場總線仍共存，現(xiàn)場總線的標準化是多元化的，所以必須發(fā)展多種現(xiàn)場總線之間的集成技術。 　　現(xiàn)在Internet和Intranet（企業(yè)內部信息網(wǎng)絡）正在把世界范圍的計算機和通信設備聯(lián)成一個全球化的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，產(chǎn)生了比孤立的網(wǎng)絡強大得多的功能，隨著由各種現(xiàn)場總線智能單元組成的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡Infranet的出現(xiàn)，控制網(wǎng)絡上的設備也接人了Internet，新一代的企業(yè)信息網(wǎng)絡結構也伴隨而產(chǎn)生。如何使控制網(wǎng)絡和企業(yè)信息網(wǎng)絡達到無縫連接是近期企業(yè)信息網(wǎng)絡的發(fā)展重點?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的信息集成技術就是在這樣的趨勢下產(chǎn)生的。 　　由于各種現(xiàn)場總線技術的發(fā)展和競爭、各種計算機主流技術在工業(yè)控制領域的滲透和應用以及自動化技術發(fā)展的延續(xù)性和繼承性，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的集成技術的研究和發(fā)展將面臨著多總線集成、多系統(tǒng)集成、多技術集成的局面[3]。 3 基于Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成 　　結合“北京聯(lián)合大學智能控制網(wǎng)絡技術實驗室”的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)說明如何實現(xiàn)基于Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成技術，達到Infranet、Intranet和Internet三者結合形成的測控管一體化。 　　3.1 網(wǎng)絡構架 　　現(xiàn)場被控設備有兩臺三容器液位裝置、兩個皮帶傳輸機、三臺立式電爐。三容器液位控制系統(tǒng)是一個雙輸入雙輸出的系統(tǒng)，通過控制水泵閥位的開度使三容器的液位達到我們的設定值。皮帶傳輸機是通過控制變頻器的頻率來改變皮帶傳輸機傳輸速度。立式電爐是一個雙輸入雙輸出的溫度場控制對象，通過控制占空比來控制電爐的溫度。因為被控對象較多且分布較散，所以監(jiān)控系統(tǒng)必須是徹底的分散和分布。 　　整個系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡構成：底層是現(xiàn)場設備層，中間層為監(jiān)控層，上層為信息管理層。現(xiàn)場設備層是以Profibus-DP總線為基礎，現(xiàn)場設備互連，集成了PLC系統(tǒng)的現(xiàn)場層分布式控制網(wǎng)絡Infranet;監(jiān)控層是處于環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet中，從現(xiàn)場設備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運行參數(shù)的監(jiān)測、報警和趨勢分析等功能，另外還包括控制組態(tài)的設計。它通過專門的現(xiàn)場總線轉換器實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)段與以太網(wǎng)段的連接，這種方式使系統(tǒng)配置更加靈活;信息管理層是通過校園局域網(wǎng)與Internet網(wǎng)連接，實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡環(huán)境下的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。 　　為何要使用Ethernet，因為現(xiàn)場總線是專為工業(yè)現(xiàn)場層設備通信設計，它只解決了底層自動化系統(tǒng)的信息集成問題，并不適用于傳輸較大量的數(shù)據(jù)，也不容易與管理層進行集成。而以太網(wǎng)設計初衷就是用于數(shù)據(jù)處理的辦公網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)可以達到很高的通信速率。利用以太網(wǎng)的優(yōu)點，結合PLC控制器及現(xiàn)場總線，就可以構成全分散、全開放的集散控制系統(tǒng)。 　　3.2 軟硬件配置 　　現(xiàn)場層：因考慮到設備分布廣，各工序各設備需并行地進行工作，所以用三路Profibus-DP總線構成整個底層控制網(wǎng)絡分別對各被控對象的生產(chǎn)過程進行實時控制，每路總線包含一個PLC總站和若干DP從站，三路總線之間獨立運行互不影響。該例中以西門子SIMATIC S7系列PLC作為Profibus總站，三臺PLC通過交換機掛在Ethernet上;智能傳感器、執(zhí)行器、變頻器等現(xiàn)場級設備等作為從站，采用Profibus-DP協(xié)議對現(xiàn)場級設備、Profibus-DP通信模塊、擴展I/O模塊等與PLC進行通訊。若需增加被控對象，可根據(jù)實際需要在以太網(wǎng)上擴展PLC站（或別的主站）形成新的若干路總線即可，不影響以組建好的PLC站和各路總線。 　?。?）1#Profibus-DP總線控制兩臺三容器液位裝置：PLC S7-300（CPU型號CPU 314C-2 DP）作為總站，CP 343-1通訊卡實現(xiàn)PLC與Ethernet的相連，兩臺三容器的四個液位傳感器和四個電磁泵作為從站，通過Profibus-DP總線互連并與PLC總站通信; 　?。?）2#Profibus-DP總線控制兩臺皮帶傳輸機：PLC S7-400（CPU型號CPU 414-3 DP）作為總站，CP443-1通訊卡實現(xiàn)PLC與Ethernet的互連，由ET200M IM 153-1作為DP遠程從站，通過Profibus-DP總線與PLC總站通信，ET200M從站上掛有三個I/O模塊，兩臺皮帶傳輸機的四個變頻器分別與ET200M站的I/O模塊通信; 　?。?）3#Profibus-DP總線控制三臺立式電爐：PLC S7-400（CPU型號CPU 412-2 DP）作為總站，CP443-1通訊卡實現(xiàn)PLC與Ethernet的互連，由ET200S IM151-1作為DP遠程從站，通過Profibus-DP總線與PLC總站通信，ET200S從站上掛有電源模塊和四個I/O模塊，三臺立式電爐的六個熱電阻電源和六個溫度傳感器分別與ET200S站的I/O模塊通信。 　　監(jiān)控層：由多臺計算機，多個工程師站和監(jiān)控站組成，可根據(jù)實際需求增設，互不影響。每個站都通過Ethernet與各PLC站相互通信。工程師站裝有Step7控制軟件，該軟件是西門子SIMATIC S7系列PLC的配套軟件，負責系統(tǒng)的硬件配置組態(tài)、軟件編程、參數(shù)設置等。完成上位機各站與下位機PLC站的通信，需要使用Step7軟件給Ethernet通信的各CP模塊分配好IP地址。監(jiān)控站裝有與西門子系列PLC配套的WinCC監(jiān)控軟件，實現(xiàn)系統(tǒng)的軟件組態(tài)，即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)管理、報警、趨勢、打印報表等工作。各操作員可通過操作終端詳細了解各設備運行情況，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的實時監(jiān)控，實現(xiàn)自動控制。 　　信息層：由校園局域網(wǎng)連接Internet網(wǎng)構成;由高性能計算機、工作站、PC機等組成。通過計算用客戶機、服務器完成一般數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫的集成，建立分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，達到數(shù)據(jù)共享，保持數(shù)據(jù)的完整、互操作和一致性;在局域網(wǎng)內的工作站安裝監(jiān)控軟件就可實現(xiàn)異地遠程監(jiān)控;與外界的Internet連接實現(xiàn)企業(yè)內部管理層與企業(yè)遠程網(wǎng)點的信息集成。 　　這種結合以太網(wǎng)技術的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡集成，達到了信息傳輸、遠程控制和監(jiān)視，還可根據(jù)需要擴展監(jiān)控站和PLC站。再結合利用Internet的技術就可以使該集成建成完善的企業(yè)管理、生產(chǎn)、過程監(jiān)控的信息網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的緊密集成，使現(xiàn)場設備的各信息在企業(yè)內部網(wǎng)甚至企業(yè)外部網(wǎng)都能訪問到而不需到現(xiàn)場進行觀測。 　　該控制系統(tǒng)實例完成了基于Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成，真正實現(xiàn)了Intranet/Infranet/Internet測控管一體化網(wǎng)絡體系，實現(xiàn)了信息化、辦公自動化，達到了資源共享等。整個控制系統(tǒng)是模擬工廠設備而建的，運行了較長時期達到了良好的效果，是適合現(xiàn)代化辦公及工業(yè)過程控制的網(wǎng)絡系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)根據(jù)實際需要只運用了若干集成技術，而基于Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)可實行的集成方案還有很多種，應根據(jù)項目的實際需要選擇性地加以應用。現(xiàn)給出幾種普遍使用的方案：Profibus-DP與其它總線集成，如CAN總線、LONWORKS總線等;FCS與PLC、DCS的集成;與以太網(wǎng)（Ethernet）的集成實現(xiàn)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡Infranet和企業(yè)內部信息網(wǎng)Intranet的互聯(lián);與OPC（OLE for Process Control）、DDE（Dynamic Data Exchange）等技術的集成實現(xiàn)數(shù)據(jù)等信息的共享。 4 結論 　　基于Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)集成技術以Profibus-DP總線為底層控制網(wǎng)絡，將Profibus-DP總線和其他各相關技術的優(yōu)點集成在一起實現(xiàn)了與上層企業(yè)網(wǎng)之間的互聯(lián)，使現(xiàn)場生產(chǎn)和控制信息可以及時在企業(yè)網(wǎng)內交換，甚至可以將相關信息發(fā)布在企業(yè)外部網(wǎng)上，提供了更大程度的信息共享，相關人員能方便地了解企業(yè)生產(chǎn)情況，有利于管理層的決策，還可對生產(chǎn)對象進行遠程監(jiān)控、診斷和維護等，節(jié)省大量人力物力，特別適用于大型企業(yè)，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。但是基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成技術實現(xiàn)必須注意以下問題：1項目是否適于使用現(xiàn)場總線;2網(wǎng)絡性能，如系統(tǒng)實時性，可靠性等;3 網(wǎng)絡結構，如網(wǎng)絡拓撲結構類型，網(wǎng)段最大長度等;4 有無成功應用先例;5市場因素等。 參考文獻： 　　[1] 陽憲惠等.現(xiàn)場總線技術及其應用[M].清華大學出版社,1999 　　[2] 雷霖.現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡技術[M].電子工業(yè)出版社,2004 　　[3] Richard H Caro. Ethernet will transform fieldbus[J].Hydrocarbon Processing,2000,79（6）:7～9 　　[4] 馮大為，陽憲惠.從信息集成看現(xiàn)場總線技術的發(fā)展[J].冶金自動化,2001,6（5）:22～27 　　[5] 滕斌,王乘.以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的互連[J].微計算機信息，2004（10）:41～42 　　[6] A.Flammini,P.Ferrari,E.Sisinni.Sensor interfaces: from fieldbus to Ethernet and Internet[J].Sensors and Actuactor,2002（101）:194-202