浅谈西门子PROFIBUS在电厂通信中的应用

徐秋昀 殷海峰

摘要：首先对PROFIBUS协议进行了简要介绍，随后对西门子PROFIBUS系统重要硬件进行了详细阐述。最后，以某燃机电厂的西门子PROFIBUS系统为例，分析了西门子PROFIBUS系统在使用中需要注意的各类配置问题，对西门子PROFIBUS系统的现场应用具有一定的参考意义。

关键词：PROFIBUS;西门子;通信;现场总线

0 引言

随着计算机科学和通信技术的飞速发展，数字化的总线通信技术应运而生，促使工业自动化领域发生了重大变革[1]。不同于传统的单向模拟通信技术，其为自动控制主机与现场智能化设备之间提供了一条双向数字通信链路[2]，使得控制系统中现场级与控制级之间传输的数据量更大，数据种类更多，为现代工业自动控制系统向数字化、智能化、分散化方向发展提供了解决方案。

1 PROFIBUS协议简介

PROFIBUS总线协议是由德国西门子等多家权威机构于20世纪80年代共同发布的一种开放式通信协议，旨在方便提高控制系统的兼容性。PROFIBUS总线协议本质上还是RS485串口通信的一种。按照应用范围的不同，PROFIBUS主要有DP（Decentralized Peripherals）、FMS（Field Message Specification）和PA（Process Automation）3种行规。

在结构上，PROFIBUS协议依然符合OSI（开放式系统互联）7层网络结构模型[3]。3种PROFIBUS通信行规的OSI模型如表1所示，PROFIBUS 3种行规并未对所有层都进行定义，只对个别层有描述。此外，PROFIBUS还定义了一层用户接口。该用户接口规定了3种行规下各自的设备行规与功能。

2 西门子PROFIBUS系统硬件介绍

PROFIBUS系统主要由主站、从站、网络部件以及软件工具组成。网络部件包括通信媒体（如双绞线、光纤）、总线连接器、中继器、耦合器以及各种网络转接器。

2.1    CP443-5 Extended

CP443-5 Extended通信处理器用于将S7-400/400H连接到PROFIBUS现场总线系统中。其可以作为一类DP主站。当它作为DP主站时，能够为其下DP从站启用直接数据交互功能。

每个CPU最多只支持10个作为DP主站的CP443-5 Extended卡件。正常情况下，每个CP443-5 Extended最多只连接32个DP从站。当需要增加DP从站时，可以通过添加RS485中继器来实现[4]。

2.2    Y-Link

对于较高级别的系统（面向自动化设备），Y-Link是DP从站;而对于较低级别的系统，Y-Link是DP主站。Y-Link包含通过总线模块相互连接的2个IM153-2接口模块和1个Y型耦合器（Y-Coupler）。其主要用于冗余DP主站与只有1个PROFIBUS DP接口的设备之间的连接。这意味着任何一个IM153-2接口模块或者CP443-5通信处理器发生故障时，现场总线设备均能保证通信畅通。

2.3    DP/PA-Link

DP/PA-Link在上位DP主站系统上是从站，并用作连接至下位总线系統（PA现场设备）节点的代理。DP/PA-Link构成了一个独立的下位总线系统，该总线系统在通信过程中与上位DP主站系统分离。DP/PA-Link包含1～2个IM153-2接口模块以及通过无源总线耦合器或总线模块相互连接的1～5个DP/PA Couple。

2.4    有源现场分配器AFD

有源现场分配器AFD也就是PA接线盒。其作用是将PA现场设备（如测量仪、传感器和执行器）连接至DP/PA Couple上。每个AFD有6个电缆入口压盖。AFD的安装方式有2种：线型拓扑和环型拓扑。

在线型拓扑安装方式中，每个AFD通过PA总线首尾相连。第一个AFD的IN1压盖连接在DP/PA耦合器上，最后一个AFD的IN6压盖浮空且内置终端电阻打开。

环形拓扑通过组态一个带有2个DP/PA耦合器和现场分配器的环形结构来构建环形冗余，这样安装可以增强等电位连接线的可用性。PA主线上出现短路或断路时，运行中的DP/PA耦合器将对断开的等电位连接线进行双向供电，从而确保PA现场设备功能保持完好。

3 西门子PROFIBUS系统实例分析

图1为某燃机电厂西门子SPPA-T3000系统PROFIBUS系统典型结构图。该PROFIBUS系统的主站为CP443-5 Extended通信处理器，从站为IM153-2接口模块组成的Y-Link和DP/PA-Link以及主干上的4台电动门，使用到的网络部件有OLM光纤链路模块、Y-Coupler（耦合器）、DP/PA Coupler（耦合器）、Terminator（终端电阻）、PA接线盒、光纤、DP电缆以及PA电缆。

3.1    总线地址配置

该PROFIBUS系统主站采用的是冗余配置。互为冗余的2个CP443-3 Extended卡件分别置于Rack0和Rack1 2个机架相同的槽位上，但是地址不同，分别为n、n+4。该PROFIBUS系统的三组主站地址为6和10、7和11、8和12。主站通过光纤与远方现场总线柜（JCKD01）中的总线从站相连。

该网络有2个DP/PA-Link从站，地址分别是10和11。与主站不同的是，2个冗余的IM153-2接口模块的地址是相同的，即各自的从站地址。正常情况下，2个接口模块一个进行实时通信，一个保持热备用。该系统中DP/PA-Link从站主要连接现场一次仪表，每个一次仪表占用一个总线地址。

该网络还有一个Y-Link从站，地址为12。这种从站多用于只有一路总线接口的总线设备。正常情况下，总线接口采用的是RS485标准接口，有一路进线、一路出线，但是也有普通端子接口。该项目的智能型马控开关柜就只提供了2个端子。因此，这种设备接线需要将进线和出线并起来接到端子上，这样才能保证将每个设备串联起来。

除了以上两种从站，该PROFIBUS网络还有执行机构直接挂在总线母线上。这些总线型电动门对于主站而言，是和DP/PA-Link以及Y-Link相同的从站，它的总线地址配置不能与其他从站相冲突。

3.2    终端电阻配置

终端电阻的使用是为了保证PROFIBUS通信的可靠性，因此不能盲目使用终端电阻。不管是DP总线还是PA总线，在原则上都是要求每一个物理网段的始末两端都要使用终端电阻。图1中，DP/PA-Link中每一个DP/PA耦合器作为该条物理网段的始端，都需要设置终端电阻。最后一个AFD作为该条物理网段的终端，也需要设置终端电阻。这两处的终端电阻都嵌入在设备内部，只需要打开相应设置即可。

Y-Link中的Y耦合器作为该条DP总线的始端，需要将连接在Y耦合器上的PROFIBUS总线连接器的终端电阻拨码开关打开。同样的，网段的最后也需要连接一个终端电阻。由于本身没有配置内置终端电阻，所以需要连接一个有源的终端电阻设备Terminator。

各从站与主站也是通过DP总线串联在一起。其始端是地址为11的DP/PA-Link，终端是地址为25的电动执行器。因此，始端DP/PA-Link上的PROFIBUS总线连接器的终端电阻拨码开关需要设置为“NO”，终端电动执行器则需要连接一个有源的终端电阻设备Terminator。

值得注意的是，CP443-5 Extended卡件与OLM之间的DP电缆两端也需要将总线连接器的终端电阻拨码开关打开。

4 结语

PROFIBUS系统在应用中所需的技术基础比传统硬接线的要求高，但只要严格按照PROFIBUS规范进行网络拓扑设计、终端电阻设置以及GSD文件配置就可以很好地提高现场总线的可靠性。同时，PROFIBUS技术在保证过程控制系统实时性的前提下，大量节省了基建过程中电缆的使用量，降低了基建成本。PROFIBUS系统采用的是信息化的通信方式，所以在后期设备信号管理上十分便利。相信随着社会智能化、数字化建设的不断推进，PROFIBUS总线技术将在更多的领域得到广泛应用。

[参考文献]

[1] 贺禹.PLC控制系统与现场总线技术结合的通信技术研究[J].自动化与仪器仪表，2015（9）：84-86.

[2] 王婧娟.浅谈DCS与现场总线集成的研究与实现[J].中国石油石化，2016（Z1）：127.

[3] 许彬.浅谈PROFIBUS现场总线在电厂控制领域中的应用[J].科技與企业，2013（3）：117-118.

[4] 刘朝华.浅谈PROFIBUS-DP总线在工厂通讯网络中的应用[J].工业设计，2015（9）：140.