1　引言 　　現(xiàn)場總線技術(shù)是20世紀80年代后期發(fā)展起來的一種基于現(xiàn)場設(shè)備之間進行通訊的新型總線系統(tǒng)，它綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(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“點對點”式的模擬信號或數(shù)字-模擬信號控制的局限性，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)點的通信與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線則是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(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。分散在各個工業(yè)現(xiàn)場的智能儀表通過數(shù)字現(xiàn)場總線連為一體，并與控制室中的控制器和和監(jiān)視器一起構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）。通過遵循一定的國際標準，可以將不同廠商的現(xiàn)場總線產(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的控制功能進一步下放到現(xiàn)場智能儀表，由現(xiàn)場智能儀表完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運算和數(shù)據(jù)輸出等功能。現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)（包括采集的數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)）通過現(xiàn)場總線傳送到控制室的控制設(shè)備上，控制室的控制設(shè)備用來監(jiān)視各個現(xiàn)場儀表的運行狀態(tài)，保存智能儀表上傳的數(shù)據(jù)，同時完成少量現(xiàn)場儀表無法完成的高級控制功能。另外，F(xiàn)CS還可以通過網(wǎng)關(guān)和企業(yè)的上級管理網(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)場總線具有開放性、互操作性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場設(shè)備的高度智能化、對環(huán)境的高度適應(yīng)性等諸多突出特點。盡管目前對現(xiàn)場總線的研究尚未能形成一個完善的統(tǒng)一標準，但現(xiàn)場總線的高性能價格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。 2 Profibus的功能特點 　　目前現(xiàn)場總線產(chǎn)品有多種，其中Profibus是由西門子公司提出并極力倡導(dǎo)，已經(jīng)先后成為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EU50170，是一種開放而獨立的現(xiàn)場總線標準，其協(xié)議結(jié)構(gòu)是以ISO 7498國際標準開放系統(tǒng)互聯(lián)OSI（Open System Interconnection）參考模型為基礎(chǔ)，在機械制造、工業(yè)過程控制、智能建筑中充當通信網(wǎng)絡(luò)。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS三個系列組成。Profibus-PA（Process Automation）用于過程自動化中的傳感器和執(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行，直接數(shù)據(jù)鏈路映象（Direct Data Link Mapper—DDLM）使用戶接口易于進入第二層。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的系統(tǒng)功能，并詳細說明了各種不同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是一種高速而廉價的通信連接，可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于自動控制系統(tǒng)和在設(shè)備級分散的I/O之間的通信，可代替24V和0~20mA的并行信號。Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification）用來解決車間級通用性的通信任務(wù)。后兩個系列采用RS-485通信標準，通常稱之為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。不帶中繼器時每個分段最多32個站，帶中繼器時最多127個站，插頭連接器一般采用9針D型插頭。Profibus-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)以其高速和便宜的通訊連接特性在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 　　西門子公司的Profibus-DP現(xiàn)場總線具有通訊速度高、配套產(chǎn)品種類齊全、支持協(xié)議的其他設(shè)備廠家數(shù)量眾多等優(yōu)勢。西門子公司的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，有種類豐富的各種子模塊，如開關(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計數(shù)模塊、編碼器接口模塊、步進/脈沖輸出模塊等，把各種開關(guān)量和模擬量接入到PROFIBUS-DP中。通過將電子模塊與負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)計使ET 200S在現(xiàn)場應(yīng)用中能適用于更多有不同功能要求的場合。一個ET 200S站最多可連接64個模塊，數(shù)據(jù)輸入/輸出最多可達到128字節(jié)。 3 系統(tǒng)構(gòu)成原理 　　工業(yè)配電對于工業(yè)企業(yè)的電網(wǎng)質(zhì)量和生產(chǎn)的可靠運行至關(guān)重要，并對計劃用電、節(jié)約用電有著重要意義?；诂F(xiàn)場總線的工業(yè)配電計算機監(jiān)測分析網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)即采用這種性能價格比很高的現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成實時狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成靈活簡單，連線極少，抗干擾能力強，適應(yīng)性好，易于維護，具有數(shù)據(jù)處理、分析、運行監(jiān)測、錄波和打印等功能，同時對原有設(shè)備未作太多的改動，實用性和可擴展性極強。 　　本工業(yè)配電監(jiān)測系統(tǒng)是對大中型企業(yè)的配電間進行監(jiān)測。配電間內(nèi)設(shè)有多個配電屏（本系統(tǒng)中為16個），每個配電屏可對一部分用電地區(qū)進行停、送電控制，用電狀態(tài)可通過安裝在配電屏內(nèi)的電壓、電流互感器間接測量和評估。配電間管理所要監(jiān)測的主要參數(shù)為配電系統(tǒng)的運行狀態(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、隔離開關(guān)和保護繼電器等的合、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、實時性和可擴展性等方面的因素，采用了主要由上位計算機系統(tǒng)、PLC和ET 200S模塊構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。上位計算機系統(tǒng)由通用個人計算機以及接通至通用PC機內(nèi)部的現(xiàn)場總線通信接口適配卡組成。上位計算機系統(tǒng)負責(zé)系統(tǒng)的總體調(diào)度，通過PLC向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送命令，接收節(jié)點數(shù)據(jù)，并對節(jié)點信息加以分析、存儲、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)場總線接口模塊ET 200S完成，各個模擬量和開關(guān)量信號都由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)計和數(shù)據(jù)分析 　　控制系統(tǒng)在Win98環(huán)境下運行，組態(tài)軟件為Kingview5.0。系統(tǒng)利用組態(tài)軟件Kingview5.0的驅(qū)動程序與下位S7-300 PLC進行數(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 MPI卡與上位計算機交換數(shù)據(jù)，每一個驅(qū)動程序都是一個COM對象，這種方式使通訊程序和組態(tài)軟件構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)高效率地運行。 　　系統(tǒng)監(jiān)控操作畫面多達十多屏，包括方便人工操作的監(jiān)控畫面和為軟件工程師提供接口的整定畫面、形象直觀的模擬畫面、易于統(tǒng)計抄表的參數(shù)畫面、便于追查事故原因的歷史趨勢畫面、提供技術(shù)分析信息的實時曲線畫面等等。 　　畫面分為操作員畫面和工程師畫面兩大類。操作員畫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，操作簡捷可靠。系統(tǒng)中畫面的組態(tài)編制有很多新穎之處，在整個系統(tǒng)的各個控制點均有相應(yīng)的采集數(shù)字顯示，真實的反映了各個控制點的瞬時值，總之，畫面中主體設(shè)備位置確切，工作狀態(tài)形象生動，各種參數(shù)“就地顯示”，整個系統(tǒng)運行工況集于一屏，一目了然，是為操作員、技術(shù)員所喜愛的主畫面之一。 　　工程師畫面為軟件工程師提供了進行系統(tǒng)整定的良好界面，是工程師在調(diào)節(jié)中進行參數(shù)修改和設(shè)定的重要環(huán)境，也是自控系統(tǒng)的核心。 　　故障錄波是對信號進行高速采樣，并利用采樣數(shù)據(jù)繪制信號曲線，以便了解信號的變化情況，預(yù)測信號的變化趨勢，是電力系統(tǒng)中監(jiān)測信號的常用辦法。 　　本系統(tǒng)中要求對零序電流及三相電壓信號進行故障錄波。錄波信號的模/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。在整個軟件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理模塊負責(zé)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(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。對于離散的時間信號，其FFT正、反變換分別為： 　　由上式可知，每一個蝶型運算都需要兩個輸入數(shù)據(jù)，計算結(jié)果也是兩個數(shù)據(jù)，與其它結(jié)點數(shù)據(jù)無關(guān)。這樣一次計算后輸入數(shù)據(jù)就可放棄，減少了對內(nèi)存的占用，提高了計算速度。 　　正常的正弦波經(jīng)FFT正變換為兩個對稱的最大譜線，反變換后可以完全恢復(fù)原始信號；而帶干擾的正弦波經(jīng)FFT正變換后，除兩個對稱的最大譜線外，干擾信號的其它譜線也存在，據(jù)此可斷定干擾的存在。反變換后可確定干擾信號的位置，并發(fā)出采取相應(yīng)措施的指令，啟動執(zhí)行機構(gòu)或保護裝置。 5 結(jié)束語 　　本系統(tǒng)的最大特點就是采用現(xiàn)場總線技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔靈活，可靠性高且安裝調(diào)試簡單，根據(jù)不同的現(xiàn)場情況與用戶要求，本系統(tǒng)可擴展為不同的模式。除對高壓配電盤上的模擬量和開關(guān)量進行監(jiān)測外，也可用于對某些重要的低壓配電和低壓電機等電器設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測和控制。 　　現(xiàn)場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），實現(xiàn)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。其本質(zhì)即要實現(xiàn)在現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場設(shè)備互連、互操作性、分散功能塊、通信線供電、開放式互連網(wǎng)絡(luò)等功能。這也為工廠生產(chǎn)的全面自動化和遠程控制奠定了基礎(chǔ)。西門子Profibus-DP現(xiàn)場總線及ET 200系列分布式I/O的使用降低了系統(tǒng)設(shè)計、制造、安裝、維護的成本，易于擴展，可有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，是工業(yè)過程自動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。尤其是ET 200S及PROFIBUS-DP網(wǎng)的成功使用，引起了越來越多企業(yè)的關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。 參考文獻 1.PROFIBUS & AS-Interface STPI.SIEMENS，1999。 2.Micheal Volz.PROFIBUS Technology Manual。 3.陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)和應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，1999。 4.李國厚.現(xiàn)場總線技術(shù)與計算機控制.PLC&FA，2000.2