1　引言
　　現場總線技術是20世紀80年代后期發展起來的一種基于現場設備之間進行通訊的新型總線系統，它綜合了數字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網絡技術和智能儀表等多種技術手段，從根本上突破了傳統的“點對點”式的模擬信號或數字-模擬信號控制的局限性，構成一種全分散、全數字化、智能、雙向、互連、多變量、多節點的通信與控制系統。現場總線則是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，其基礎是智能儀表。分散在各個工業現場的智能儀表通過數字現場總線連為一體，并與控制室中的控制器和和監視器一起構成現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）。通過遵循一定的國際標準，可以將不同廠商的現場總線產品集成在同一套FCS中，具有互換性和互操作性。FCS把傳統DCS的控制功能進一步下放到現場智能儀表，由現場智能儀表完成數據采集、數據處理、控制運算和數據輸出等功能。現場儀表的數據（包括采集的數據和診斷數據）通過現場總線傳送到控制室的控制設備上，控制室的控制設備用來監視各個現場儀表的運行狀態，保存智能儀表上傳的數據，同時完成少量現場儀表無法完成的高級控制功能。另外，FCS還可以通過網關和企業的上級管理網絡相連，以便管理者掌握第一手資料，為決策提供依據。所以現場總線具有開放性、互操作性、系統結構的高度分散性、靈活的網絡拓撲結構、現場設備的高度智能化、對環境的高度適應性等諸多突出特點。盡管目前對現場總線的研究尚未能形成一個完善的統一標準，但現場總線的高性能價格比將吸引眾多工業控制系統采用。

2 Profibus的功能特點
　　目前現場總線產品有多種，其中Profibus是由西門子公司提出并極力倡導，已經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場總線標準，其協議結構是以ISO 7498國際標準開放系統互聯OSI（Open System Interconnection）參考模型為基礎，在機械制造、工業過程控制、智能建筑中充當通信網絡。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行器等的低速數據傳輸。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，這種流體型結構確保了數據傳輸的快速而有效地進行，直接數據鏈路映象（Direct Data Link Mapper—DDLM）使用戶接口易于進入第二層。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可調用的系統功能，并詳細說明了各種不同Profibus-DP設備的設備行為，還提供了傳輸可選用的RS-485傳輸技術或光纖傳輸技術。Profibus-DP是一種高速而廉價的通信連接，可實現高速數據傳輸，適用于自動控制系統和在設備級分散的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。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系如表1所示。介質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現場總線系統以其高速和便宜的通訊連接特性在工業自動化領域得到了廣泛的應用。
　　西門子公司的Profibus-DP現場總線具有通訊速度高、配套產品種類齊全、支持協議的其他設備廠家數量眾多等優勢。西門子公司的ET 200大家族中的新一代分布式I/O系統ET 200S就是基于Profibus-DP現場總線的產品。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計數模塊、編碼器接口模塊、步進/脈沖輸出模塊等，把各種開關量和模擬量接入到PROFIBUS-DP中。通過將電子模塊與負載饋電器和安全技術加以結合，以及系統的離散式設計使ET 200S在現場應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，數據輸入/輸出最多可達到128字節。

3 系統構成原理
　　工業配電對于工業企業的電網質量和生產的可靠運行至關重要，并對計劃用電、節約用電有著重要意義。基于現場總線的工業配電計算機監測分析網絡系統即采用這種性能價格比很高的現場總線技術構成實時狀態監測網絡系統，其系統構成靈活簡單，連線極少，抗干擾能力強，適應性好，易于維護，具有數據處理、分析、運行監測、錄波和打印等功能，同時對原有設備未作太多的改動，實用性和可擴展性極強。
　　本工業配電監測系統是對大中型企業的配電間進行監測。配電間內設有多個配電屏（本系統中為16個），每個配電屏可對一部分用電地區進行停、送電控制，用電狀態可通過安裝在配電屏內的電壓、電流互感器間接測量和評估。配電間管理所要監測的主要參數為配電系統的運行狀態信息（配電系統的母排電壓、電流及功率）以及結構狀態信息（斷路器、隔離開關和保護繼電器等的合、分狀態）。根據上述要求，本系統在保證系統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、PLC和ET 200S模塊構成的系統結構。上位計算機系統由通用個人計算機以及接通至通用PC機內部的現場總線通信接口適配卡組成。上位計算機系統負責系統的總體調度，通過PLC向網絡節點發送命令，接收節點數據，并對節點信息加以分析、存儲、顯示及打印，具體的數據采集和控制由系統中的PLC借助于現場總線接口模塊ET 200S完成，各個模擬量和開關量信號都由ET 200S模塊輸入或輸出。系統的構成如圖1所示。




4 系統軟件設計和數據分析
　　控制系統在Win98環境下運行，組態軟件為Kingview5.0。系統利用組態軟件Kingview5.0的驅動程序與下位S7-300 PLC進行數據通訊，包括數據采集和發送數據/指令；下位S7-300 PLC則通過 MPI卡與上位計算機交換數據，每一個驅動程序都是一個COM對象，這種方式使通訊程序和組態軟件構成一個完整的系統，保證了系統高效率地運行。
　　系統監控操作畫面多達十多屏，包括方便人工操作的監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、易于統計抄表的參數畫面、便于追查事故原因的歷史趨勢畫面、提供技術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據、曲線、功能鍵，顯示內容豐富鮮明，操作簡捷可靠。系統中畫面的組態編制有很多新穎之處，在整個系統的各個控制點均有相應的采集數字顯示，真實的反映了各個控制點的瞬時值，總之，畫面中主體設備位置確切，工作狀態形象生動，各種參數“就地顯示”，整個系統運行工況集于一屏，一目了然，是為操作員、技術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整定的良好界面，是工程師在調節中進行參數修改和設定的重要環境，也是自控系統的核心。
　　故障錄波是對信號進行高速采樣，并利用采樣數據繪制信號曲線，以便了解信號的變化情況，預測信號的變化趨勢，是電力系統中監測信號的常用辦法。
　　本系統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/數轉換采用A/D轉換模塊完成，以提高系統可靠性，減小體積。在整個軟件系統中，數據處理模塊負責對網絡節點數據作快速傅利葉變換（FFT）和數據分析，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據，計算結果也是兩個數據，與其它結點數據無關。這樣一次計算后輸入數據就可放棄，減少了對內存的占用，提高了計算速度。
　　正常的正弦波經FFT正變換為兩個對稱的最大譜線，反變換后可以完全恢復原始信號；而帶干擾的正弦波經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，并發出采取相應措施的指令，啟動執行機構或保護裝置。

5 結束語
　　本系統的最大特點就是采用現場總線技術，系統結構簡潔靈活，可靠性高且安裝調試簡單，根據不同的現場情況與用戶要求，本系統可擴展為不同的模式。除對高壓配電盤上的模擬量和開關量進行監測外，也可用于對某些重要的低壓配電和低壓電機等電器設備運行狀態的監測和控制。
　　現場總線不單單是一種通信技術，也不僅僅是用數字儀表代替模擬儀表，關鍵是用新一代的現場總線控制系統FCS（Field Bus Control System）代替傳統的集散控制系統DCS（Distributed Control System），實現現場通信網絡與控制系統的集成。其本質即要實現在現場通信網絡、現場設備互連、互操作性、分散功能塊、通信線供電、開放式互連網絡等功能。這也為工廠生產的全面自動化和遠程控制奠定了基礎。西門子Profibus-DP現場總線及ET 200系列分布式I/O的使用降低了系統設計、制造、安裝、維護的成本，易于擴展，可有效提高生產效率和產品質量，是工業過程自動控制系統的發展趨勢。尤其是ET 200S及PROFIBUS-DP網的成功使用，引起了越來越多企業的關注，具有廣闊的應用推廣前景。



參考文獻
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