第2章 西门子工业现场总线

2.1 概览

纵观自动化控制系统的发展历史，我们发现自动化控制系统的发展和工业通信技术的不断成熟是相辅相成的。自动化控制系统的发展给工业通信提出了新的要求；反过来，工业通信技术的进步也极大地提升了自动化控制系统的性能，为用户带来了巨大的收益。

简单地说，自动化控制系统的历史大致可分为三个阶段：

1.集中式控制系统

20世纪50年代前后，现场的仪表和自动化设备提供的都是模拟信号，这些模拟信号统一送往集中控制室的控制盘上，操作员可以在控制室中集中观测生产流程各处的情况。但是，模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，计算速度和精度都难以保证，信号传输的抗干扰能力也很差，传输距离比较短。

为了解决模拟信号的这些缺点，一部分模拟信号被数字信号所替代，这些信号都接入到主控室的中心计算机上，由其进行统一监视和处理。通过使用数字技术，克服了模拟技术的缺陷，延长了通信距离，提高了信号精度。不过，由于当时计算机技术的限制，中心计算机并不可靠，一旦中心计算机出现故障，将会导致整个系统的崩溃。

2.分散式控制系统（DCS）

随着计算机技术的发展，计算机的可靠性不断提高，价格也大幅度下降，出现了PLC及多个计算机递阶构成的集中与分散相结合的集散式控制系统。DCS弥补了传统集中式控制系统的缺陷，实现了集中控制，分散处理。这种系统在功能、性能上较有了很大进步，实现了控制室与DCS控制站或PLC之间的网络通信，减少了控制室和现场之间的电缆数目。但是在现场的传感器、执行器与DCS控制站之间仍然是一个信号一根电缆的传输方式，电缆数量很多，信号传输过程中的干扰问题仍然很突出。而且在DCS形成的过程中，各厂商的产品自成系统，难以形成不同系统间的互操作。

3.现场总线控制系统

随着智能芯片技术的发展成熟，设备的智能程度越来越高，成本在不断下降。因此，在智能设备之间使用基于开放标准的现场总线技术构建的自动化系统逐渐成熟。通过标准的现场总线通信接口，现场的I/O信号、传感器及变送器的设备可以直接连接到现场总线上，现场总线控制系统通过一根总线电缆传递所有数据信号，替代了原来的成百上千根电缆，大大降低了布线成本，提高了通信的可靠性。

现场总线技术的出现，彻底改变了自动化控制系统的面貌，正是在这个阶段，工业通信网络的概念逐渐深入人心，覆盖全厂范围的工业通信网络逐渐成形。由于功能强大的工业通信网络的出现，使得对全厂信息的统一采集和管理成为可能，自动化控制系统开始向更高的层级迈进，控制信息和企业经营管理信息的对接成为流行的趋势，这就对自动化控制系统提出了更高的要求，全集成自动化（Totally Integrated Automation，TIA）就是这个流行趋势的代表。作为全球领先的自动化系统提供商，西门子公司在1996年提出了全集成自动化的概念，在工厂自动化的浪潮中再次成为市场的领先者。

随着市场竞争的逐渐激烈，企业在市场上面临越来越大的竞争压力。对市场的需求，企业要能够及时反应，同时还要控制成本，保证质量。因此，用户需要的是一个完整的从现场级到工厂管理级的自动化控制解决方案，帮助工厂降低单位能耗，提高产品质量，实现更好的供应链管理，从而提高自身在市场上的竞争力。

而传统的自动化系统大多是以单元生产设备为核心进行检测和控制，生产设备之间易形成“自动化孤岛效应”。这种“自动化孤岛效应”式的单机自动化缺乏信息的共享和生产过程的统一管理，已无法满足现代工业生产的要求。

为了提高企业的市场竞争力，实现其最佳经济效益的目标，必须将自动化控制、制造业执行系统（MES）和企业资源计划（Enterprise Resource Plan，ERP）系统三者完美地组合在一起。

西门子全集成自动化顺应了自动化变革的趋势，将公司的供应链、企业生产现场和管理层无缝地整合在一起，实现了企业信息系统的横向和纵向集成，对提高投资回报率和降低运营成本起决定性作用。不仅是过程自动化还是生产自动化，全集成自动化提供了一个通用的平台，可覆盖所有的自动化方面。事实上，迄今为止，西门子公司提供的基于集成平台的控制系统是全球唯一一家可以用于工厂自动化也可以用于过程自动化的控制系统。

工业通信网络结构，一般而言，企业的通信网络可划分为三级：企业级、操作控制级和现场级。

（1）企业级通信网络

企业级通信网络用于企业的上层管理，为企业提供生产、经营、管理等数据，通过信息化的方式优化企业的资源，提高企业的管理水平。

（2）操作控制级通信网络

介于企业级和现场级之间。它的主要任务是解决车间内各个需要协调工作的不同工艺段之间的通信，从通信需求角度看，要求通信网络能够高速传递大量信息数据和少量控制数据，同时具有较强的实时性。对车间级通信网络，使用较多的解决方案是工业以太网。

（3）现场级通信网络

现场级通信网络处于工业网络系统的最底层，直接连接现场的各种设备，包括I/O设备、传感器、变送器、变频与驱动等装置，由于连接的设备千变万化，因此所使用的通信方式也比较复杂。而且，由于现场级通信网络直接连接现场的设备，网络上主要传递的是控制信号，因此对网络的确定性和实时性有很高的要求。

对现场级通信网络，PROFIBUS是主要的解决方案。同时，SIMATIC NET也支持诸如AS-Interface、EIB等总线技术。

考虑到车间级网络和现场级网络的不同通信要求，我们在不同的层次提供不同的解决方案。现场控制信号，如I/O、传感器、变频器，直接连接到PROFIBUS-DP上，也可以连接到AS-Interface或EIB总线上，再通过转换器接到PROFIBUS-DP上；控制器和控制室间，及控制器间的数据通信通过工业以太网来实现。

PROFIBUS符合国际标准IEC61158，是目前国际上通用的现场总线标准之一，并以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，成为现场级通信网络的最优解决方案，其网络节点数已突破1000万个，在现场总线领域里遥遥领先。

PROFIBUS协议包括三个部分：

PROFIBUS-DP：主站和从站采用轮询的通信方式，支持高速的循环数据通信，主要用于自动化系统中现场级的通信。

PROFIBUS-PA电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中本质安全要求的防爆场合

PROFIBUS-FMS：定义了主站和从站之间的通信模型，主要用于自动化系统中车间级的数据交换。

使用SIMATIC NET，可很容易地实现工业控制系统中数据的横向与纵向集成，很好地满足工业领域的通信要求。而且，借助于集成的网络管理功能，用户可以在上层网络中很方便地实现对整个网络的监控。

在SIMATIC NET的范畴内使用了许多通信技术，除了上面提过的工业以太网和PROFIBUS外，在通信、组态、编程中也还需要使用其他一些通信技术，下面逐一地进行简单介绍。

1）MPI（Multi-Point Interface，多点接口）协议：MPI通信用于小范围、小点数的现场级通信。MPI是为S7/M7和C7系统提供的多点接口，它设计用于编程设备的接口，也可以用来在少数CPU之间传递少量数据。

2）点对点（point-to-point）连接：严格地来说，点对点连接并不是网络技术。在SI_- MATIC中，点对点连接通过串口连接模块来实现。

3）AS-Interface称为传感器/执行器接口：是用于自动化系统最底层的通信网络。它被专门设计用来连接二进制的传感器和执行器。