1　引言 　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的一種基于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間進(jìn)行通訊的新型總線系統(tǒng)，它綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”式的模擬信號(hào)或數(shù)字-模擬信號(hào)控制的局限性，構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多節(jié)點(diǎn)的通信與控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線則是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，其基礎(chǔ)是智能儀表。分散在各個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表通過(guò)數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線連為一體，并與控制室中的控制器和和監(jiān)視器一起構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）。通過(guò)遵循一定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，可以將不同廠商的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品集成在同一套FCS中，具有互換性和互操作性。FCS把傳統(tǒng)DCS的控制功能進(jìn)一步下放到現(xiàn)場(chǎng)智能儀表，由現(xiàn)場(chǎng)智能儀表完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算和數(shù)據(jù)輸出等功能?，F(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)（包括采集的數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳送到控制室的控制設(shè)備上，控制室的控制設(shè)備用來(lái)監(jiān)視各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表的運(yùn)行狀態(tài)，保存智能儀表上傳的數(shù)據(jù)，同時(shí)完成少量現(xiàn)場(chǎng)儀表無(wú)法完成的高級(jí)控制功能。另外，F(xiàn)CS還可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)和企業(yè)的上級(jí)管理網(wǎng)絡(luò)相連，以便管理者掌握第一手資料，為決策提供依據(jù)。所以現(xiàn)場(chǎng)總線具有開(kāi)放性、互操作性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的高度智能化、對(duì)環(huán)境的高度適應(yīng)性等諸多突出特點(diǎn)。盡管目前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的研究尚未能形成一個(gè)完善的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)場(chǎng)總線的高性能價(jià)格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。 2 Profibus的功能特點(diǎn) 　　目前現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品有多種，其中Profibus是由西門(mén)子公司提出并極力倡導(dǎo)，已經(jīng)先后成為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EU50170，是一種開(kāi)放而獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，其協(xié)議結(jié)構(gòu)是以ISO 7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)OSI（Open System Interconnection）參考模型為基礎(chǔ)，在機(jī)械制造、工業(yè)過(guò)程控制、智能建筑中充當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS三個(gè)系列組成。Profibus-PA（Process Automation）用于過(guò)程自動(dòng)化中的傳感器和執(zhí)行器等的低速數(shù)據(jù)傳輸。Profibus-DP （Distributed Peripherals）和Profibus-PA兼容，使用了第一層、第二層和用戶(hù)接口，第三層到第七層未加定義，這種流體型結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俣行У剡M(jìn)行，直接數(shù)據(jù)鏈路映象（Direct Data Link Mapper—DDLM）使用戶(hù)接口易于進(jìn)入第二層。用戶(hù)接口規(guī)定了用戶(hù)及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的系統(tǒng)功能，并詳細(xì)說(shuō)明了各種不同Profibus-DP設(shè)備的設(shè)備行為，還提供了傳輸可選用的RS-485傳輸技術(shù)或光纖傳輸技術(shù)。Profibus-DP是一種高速而廉價(jià)的通信連接，可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于自動(dòng)控制系統(tǒng)和在設(shè)備級(jí)分散的I/O之間的通信，可代替24V和0~20mA的并行信號(hào)。Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification）用來(lái)解決車(chē)間級(jí)通用性的通信任務(wù)。后兩個(gè)系列采用RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)，通常稱(chēng)之為H2，傳輸距離和傳輸速率的關(guān)系如表1所示。介質(zhì)存取控制的基本方式為主站之間的令牌方式和主站與從站之間的主從方式，以及綜合這兩種方式的混合方式。不帶中繼器時(shí)每個(gè)分段最多32個(gè)站，帶中繼器時(shí)最多127個(gè)站，插頭連接器一般采用9針D型插頭。Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)以其高速和便宜的通訊連接特性在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 　　西門(mén)子公司的Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線具有通訊速度高、配套產(chǎn)品種類(lèi)齊全、支持協(xié)議的其他設(shè)備廠家數(shù)量眾多等優(yōu)勢(shì)。西門(mén)子公司的ET 200大家族中的新一代分布式I/O系統(tǒng)ET 200S就是基于Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)品。ET 200S是PROFIBUS-DP中高性能的分布式I/O通信接口模塊，有種類(lèi)豐富的各種子模塊，如開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、熱電偶模塊、熱電 阻模塊、100kHz 24V計(jì)數(shù)模塊、編碼器接口模塊、步進(jìn)/脈沖輸出模塊等，把各種開(kāi)關(guān)量和模擬量接入到PROFIBUS-DP中。通過(guò)將電子模塊與負(fù)載饋電器和安全技術(shù)加以結(jié)合，以及系統(tǒng)的離散式設(shè)計(jì)使ET 200S在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中能適用于更多有不同功能要求的場(chǎng)合。一個(gè)ET 200S站最多可連接64個(gè)模塊，數(shù)據(jù)輸入/輸出最多可達(dá)到128字節(jié)。 3 系統(tǒng)構(gòu)成原理 　　工業(yè)配電對(duì)于工業(yè)企業(yè)的電網(wǎng)質(zhì)量和生產(chǎn)的可靠運(yùn)行至關(guān)重要，并對(duì)計(jì)劃用電、節(jié)約用電有著重要意義。基于現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)配電計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)分析網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)即采用這種性能價(jià)格比很高的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)成實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成靈活簡(jiǎn)單，連線極少，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)性好，易于維護(hù)，具有數(shù)據(jù)處理、分析、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、錄波和打印等功能，同時(shí)對(duì)原有設(shè)備未作太多的改動(dòng)，實(shí)用性和可擴(kuò)展性極強(qiáng)。 　　本工業(yè)配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)大中型企業(yè)的配電間進(jìn)行監(jiān)測(cè)。配電間內(nèi)設(shè)有多個(gè)配電屏（本系統(tǒng)中為16個(gè)），每個(gè)配電屏可對(duì)一部分用電地區(qū)進(jìn)行停、送電控制，用電狀態(tài)可通過(guò)安裝在配電屏內(nèi)的電壓、電流互感器間接測(cè)量和評(píng)估。配電間管理所要監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)為配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息（配電系統(tǒng)的母排電壓、電流及功率）以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息（斷路器、隔離開(kāi)關(guān)和保護(hù)繼電器等的合、分狀態(tài)）。根據(jù)上述要求，本系統(tǒng)在保證系統(tǒng)可靠工作和降低成本的條件下，考慮到通用性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性等方面的因素，采用了主要由上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、PLC和ET 200S模塊構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由通用個(gè)人計(jì)算機(jī)以及接通至通用PC機(jī)內(nèi)部的現(xiàn)場(chǎng)總線通信接口適配卡組成。上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的總體調(diào)度，通過(guò)PLC向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)節(jié)點(diǎn)信息加以分析、存儲(chǔ)、顯示及打印，具體的數(shù)據(jù)采集和控制由系統(tǒng)中的PLC借助于現(xiàn)場(chǎng)總線接口模塊ET 200S完成，各個(gè)模擬量和開(kāi)關(guān)量信號(hào)都由ET 200S模塊輸入或輸出。系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析 　　控制系統(tǒng)在Win98環(huán)境下運(yùn)行，組態(tài)軟件為Kingview5.0。系統(tǒng)利用組態(tài)軟件Kingview5.0的驅(qū)動(dòng)程序與下位S7-300 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送數(shù)據(jù)/指令；下位S7-300 PLC則通過(guò) MPI卡與上位計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)，每一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都是一個(gè)COM對(duì)象，這種方式使通訊程序和組態(tài)軟件構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)高效率地運(yùn)行。 　　系統(tǒng)監(jiān)控操作畫(huà)面多達(dá)十多屏，包括方便人工操作的監(jiān)控畫(huà)面和為軟件工程師提供接口的整定畫(huà)面、形象直觀的模擬畫(huà)面、易于統(tǒng)計(jì)抄表的參數(shù)畫(huà)面、便于追查事故原因的歷史趨勢(shì)畫(huà)面、提供技術(shù)分析信息的實(shí)時(shí)曲線畫(huà)面等等。 　　畫(huà)面分為操作員畫(huà)面和工程師畫(huà)面兩大類(lèi)。操作員畫(huà)面向操作人員提供了各種數(shù)據(jù)、曲線、功能鍵，顯示內(nèi)容豐富鮮明，操作簡(jiǎn)捷可靠。系統(tǒng)中畫(huà)面的組態(tài)編制有很多新穎之處，在整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)控制點(diǎn)均有相應(yīng)的采集數(shù)字顯示，真實(shí)的反映了各個(gè)控制點(diǎn)的瞬時(shí)值，總之，畫(huà)面中主體設(shè)備位置確切，工作狀態(tài)形象生動(dòng)，各種參數(shù)“就地顯示”，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行工況集于一屏，一目了然，是為操作員、技術(shù)員所喜愛(ài)的主畫(huà)面之一。 　　工程師畫(huà)面為軟件工程師提供了進(jìn)行系統(tǒng)整定的良好界面，是工程師在調(diào)節(jié)中進(jìn)行參數(shù)修改和設(shè)定的重要環(huán)境，也是自控系統(tǒng)的核心。 　　故障錄波是對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速采樣，并利用采樣數(shù)據(jù)繪制信號(hào)曲線，以便了解信號(hào)的變化情況，預(yù)測(cè)信號(hào)的變化趨勢(shì)，是電力系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)信號(hào)的常用辦法。 　　本系統(tǒng)中要求對(duì)零序電流及三相電壓信號(hào)進(jìn)行故障錄波。錄波信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換采用A/D轉(zhuǎn)換模塊完成，以提高系統(tǒng)可靠性，減小體積。在整個(gè)軟件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)作快速傅利葉變換（FFT）和數(shù)據(jù)分析，及繪制電流，電壓的變化曲線。對(duì)于離散的時(shí)間信號(hào)，其FFT正、反變換分別為： 　　由上式可知，每一個(gè)蝶型運(yùn)算都需要兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果也是兩個(gè)數(shù)據(jù)，與其它結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)。這樣一次計(jì)算后輸入數(shù)據(jù)就可放棄，減少了對(duì)內(nèi)存的占用，提高了計(jì)算速度。 　　正常的正弦波經(jīng)FFT正變換為兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的最大譜線，反變換后可以完全恢復(fù)原始信號(hào)；而帶干擾的正弦波經(jīng)FFT正變換后，除兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的最大譜線外，干擾信號(hào)的其它譜線也存在，據(jù)此可斷定干擾的存在。反變換后可確定干擾信號(hào)的位置，并發(fā)出采取相應(yīng)措施的指令，啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或保護(hù)裝置。 5 結(jié)束語(yǔ) 　　本系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔靈活，可靠性高且安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況與用戶(hù)要求，本系統(tǒng)可擴(kuò)展為不同的模式。除對(duì)高壓配電盤(pán)上的模擬量和開(kāi)關(guān)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，也可用于對(duì)某些重要的低壓配電和低壓電機(jī)等電器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制。 　　現(xiàn)場(chǎng)總線不單單是一種通信技術(shù)，也不僅僅是用數(shù)字儀表代替模擬儀表，關(guān)鍵是用新一代的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS（Field Bus Control System）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System），實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。其本質(zhì)即要實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連、互操作性、分散功能塊、通信線供電、開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)等功能。這也為工廠生產(chǎn)的全面自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制奠定了基礎(chǔ)。西門(mén)子Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線及ET 200系列分布式I/O的使用降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、安裝、維護(hù)的成本，易于擴(kuò)展，可有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，是工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。尤其是ET 200S及PROFIBUS-DP網(wǎng)的成功使用，引起了越來(lái)越多企業(yè)的關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。 參考文獻(xiàn) 1.PROFIBUS & 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