PROFIBUS现场总线技术__工业数据通信与控制网络

1《工业数据通信与控制网络》课程学习——PROFIBUS现场总线技术2一、概述作为众多现场总线家族的成员之一，ProfiBus是在欧洲工业界得到最广泛应用的一个现场总线标准，也是目前国际上通用的现场总线标准之一。ProfiBus是属于单元级、现场级的SIMITAC网络，适用于传输中、小量的数据。其开放性可以允许众多的厂商开发各自的符合ProfiBus协议的产品，这些产品可以连接在同一个ProfiBus网络上。ProfiBus是一种电气网络，物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤、无线传输。3PROFIBUS技术的发展经历87年由Siemens公司等13家企业和5家研究机构联合开发;89年批准为德国工业标准DIN19245；96年批准为欧洲标准EN50170V.2;98年PROFIBUS-PA批准纳入EN50170V.2;99年PROFIBUS成为国际标准IEC61158的组成部分(TypeIII);2001年批准成为中国的行业标准JB/T10308.3-2001;4PROFIBUS在工厂网络中的应用5PROFIBUS的实际应用汽车制造在GM,BMW,Ford,FIAT等水泥生产制造业自动化汽车制造装瓶系统仓储系统楼宇自动化交通管理自动化供热、空调系统过程自动化清洗工厂化工和石化工厂造纸和纺织品工业电力工业和电力输送发电厂开关装置啤酒生产污水处理聚合物储存胶制品生产6RPOFIBUS给客户的好处一、节省硬件和安装费用减少硬件成份（I/O、终端块、隔离栅）更容易、更快捷和低成本的安装二、节省工程费用更容易组态（对所有设备只需一套工具）更容易保养和维修更容易和更快捷的系统起动三、更大的制造灵活性改进功能减少故障时间准确、可靠的诊断数据可靠的数字传输技术7PROFIBUS的通信参考模型PROFIBUS包含有三个子集：PROFIBUSDP用于设备级分散I/O之间的通信，实现分布式控制系统设备间的高速数据传输，传输速率在9.6Kbps—12Mbps之间可选PROFIBUSPA用于过程自动化，采用IEC61158-2通信规程，传输速率为31.25K，适用于有总线供电、本质安全要求的应用场合PROFIBUSFMS用于车间级的数据通信，可提供通信量大的相关服务8PROFIBUS簇92、PROFIBUS基本特性PROFIBUS可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化，该系统分为主站和从站。主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权（令牌）时，没有外界请求也可以主动发送信息。主站从PROFIBUS协议讲也称之为主动站。从站为外围设备，典型的从站包括：输入输出装置、阀门、驱动器和测量发送器。它们没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。从站也称为被动站。由于从站只需总线协议的一小部分，所以实施起来特别经济。10PROFIBUS网络的构成PROFIBUS主站(一类主站，必需)PROFIBUS从站PROFIBUS网络部件人机界面设备(二类主站，可选)中央可编程控制器，如PLC、PC,支持主站功能的通讯处理器（通信控制和管理）•分布式I/O、支持DP接口的传动装置•支持从站功能的通讯处理器•其它支持DP接口的输入、输出或智能设备•通信介质—电缆•总线部件—总线连接器、中继器、耦合器、链路等•经由通讯处理器连接到网络的计算机及编程设备•工程及诊断工具、网络配置、诊断工具112.1协议结构PROFIBUS协议的结构定向根据ISO7498国际标准以开放系统互联网络OSI为参考模型。下图为PROFIBUS协议模型与ISO/OSI协议模型的关系：12PROFIBUS协议结构13DP设备行规FMS设备行规PA设备行规基本功能扩展功能基本功能扩展功能DP用户接口直接数据链路映象程序(DDLM)应用层接口（ALI)DP用户接口直接数据链路映象程序(DDLM)第7层（应用层）应用层S7应用层现场总线报文规范（FMS)第3～6层第2层（数据链路层）数据链路层现场总线数据链路（FDL)数据链路层现场总线数据链路（FDL)数据链路层现场总线数据链路（FDL)IEC接口第1层（物理层）物理层（RS485/光纤)物理层（RS485/光纤)物理层（RS485/光纤）IEC1158-2自动化层次14PROFIBUS-DP使用第一层、第二层和用户接口，第三层到第七层从未加以描述，这种流体型结构确保了数据传输的快速和有效，直接数据链路映像（DDLM）提供易于进入第二层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为，还提供了传输用的RS-485传输技术或光纤。PROFIBUS-FMS第1,2,7层均加以定义，应用层包括现场总线信息规范（FMS）和低层接口（LLI）。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务，LLI协调了不同的通信关系并向FMS提供不依赖设备访问第2层。第2层现场总线数据链路（FDL）可完成总线访问控制和数据的可靠性，它还为PROFIBUS-FMS提供了RS-485传输技术或光纤。15PROFIBUS-PA数据传输采用扩展的“PROFIBUS-DP”协议，另外还使用了描述现场设备行为的规范，根据IEC1158-2标准，这种传输技术可确保其本质安全性并使现场设备通过总线供电。使用分段式耦合器PROFIBUS-PA设备能很方便地集成到PROFIBUS-DP网络。PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而这两套系统可在同一根电缆上同时操作。162.2传输技术PROFIBUS使用两端有终端的总线拓朴。在运行期间，接入和断开一个或几个站不会影响其它站的工作，即使在本质安全区也如此。提供三种不同的物理层选择：RS485：用于DP和FMS（对称传输，称H2）IEC1158-2：用于PA（位同步协议，称H1）光纤：用于DP和FMS17（1）用于DP和FMS的RS485传输技术由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术。这种技术通常称之为H2。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。18①RS-485传输技术基本特征网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。传输速率：9.6Kbit/s~12Mbit/s介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC）。站点数：每分段32个站（不带中继），可多到127个站（带中继）。插头连接：最好使用9针D型插头。19②RS-485传输设备安装要点(1)全部设备均与总线连接(2)每个分段上最多可接32个站（主站或从站）。(3)每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端电阻必须永远有电源。(4)当分段站超过32个时，必须使用中继器用以连接各总线段。串联的中继器一般不超过3个。如图所示：20每个分段上最多可接32个站（主站或从站）21(5)电缆最大长度取决于传输速率。如使用A型电缆，则传输速率与长度如下表波特率（Kbit/s）9.619.293.75187.5500150012000距离/段（M）120012001200100040020010022(6)当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境（如汽车制造业）下运行应使用带屛蔽的电缆，屏蔽可提高电磁兼容性（EMC）。(7)如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线来复盖，以保持良好的传导性。另外建议数据线必须与高压线隔离。(8)超过500Kbit/s的数据传输速率时应避免使用短截线段，应使用市场上现有的插头可使数据输入和输出电缆直接与插头连接，而且总线插头可在任何时候接通或断开而并不中断其它站的数据通信。23(2)用于PA的IEC1158-2传输技术数据IEC1158-2的传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备供电。IEC1158-2是一种位同步协议，通常称为H1。IEC1158-2技术用于PROFIBUS-PA：·每段只有一个电源作为供电装置。·当站收发信息时，不向总线供电。·每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。·现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。·主总线两端起无源终端线作用。·允许使用线性、树型和星型网络。·为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段。24①IEC1158-2传输技术特性传输速率：31.25Kbit/s，电压式。电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。远程电源供电：可选附件，通过数据线。防爆型：能进行本征及非本征安全操作。拓扑：线型或树型，或两者相结合。站数：每段最多32个，总数最多为126个。中继器：最多可扩展至4台。25②IEC1158传输设备安装要点(1)分段藕合器将IEC1158-2传输技术总线段与RS-485传输技术总线段连接。藕合器使RS-485信号与IEC1158-2信号相适配。它们为现场设备的远程电源供电，供电装置可限制IEC1158-2总线的电流和电压。(2)PROFIBUS-PA的网络拓扑有树型和线型结构或是两种拓扑的混合。26过程自动化典型结构非27（3）光纤传输技术PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输的距离。可使用两种光纤导体，一是价格低廉的塑料纤维导体，供距离小于50米情况下使用。另一种是玻璃纤维导体，供距离大于1公里情况下使用。许多厂商提供专用总线插头可将RS-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成RS-485信号。282.3PROFIBUS总线存取协议(1)三种PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型第二层（数据链路层）来实现的。它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。(2)在PROFIBUS中，第二层称之为现场总线数据链路层（FieldbusDataLink-FDL）。介质存取控制（MediumAccessControl-MAC）具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。29(3)PROFIBUS协议的设计要满足介质存取控制MAC的两个基本要求：在复杂的自动化系统（主站）间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。在复杂的程序控制器和简单的I/O设备（从站）间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。因此PROFIBUS总线存取协议包括主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。30令牌调度原理在多主网络中，令牌调度必须确保：每个主站有足够的时间完成它的通信任务目标令牌循环时间(TTR)站点的令牌持有时间（TTH）接收令牌后可用于完成通信任务的时间(TTH)令牌实际循环时间TRR31(4)令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌）。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。(5)主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息。32PROFIBUS主动站、主设备被动站、从设备PROFIBUS总线访问方式：多主令牌环；主从通信PLCPLCPC令牌方式主从方式33PROFIBUS总线存取协议S1S2S4S7S9S10M3M5M6M8令牌环令牌传递轮询M:Master(activestations)S:Slave(passivestations)主站从站....34在图中，PROFIBUS总线上的主设备M3获得令牌，即获得了总线控制权，此时，主设备M3与M5进行数据传递，同时M3也可以与从设备S1、S2、S3等进行通信，M3对从设备进行循环查询。当M3主站没有需要发送的帧或在规定时间内发送完了所需发送的帧，或者M3的控制时间终了时，它就将主站令牌传递给下一个