ProfiBus通讯原理详解解析

PROFIBUS现场总线技术ProfiBus(ProcessfieldBus)通讯简介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，它既符合德国标准DIN19345及欧洲标准EN50170，同时也于2000年成为国际标准IEC61158的组成部份，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是在1987年由Simens等13家企业和5家科研机构在德国联邦研技部的资助下，联合研究开发的开放式现场总线标准。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。ProfiBus主要有三部分组成，包括：ProfiBus-DP、ProfiBus-PA、ProfiBus-FMS，简称DP、PA和FMSProfiBus-DP（H2）是一种经优化的高速低成本通信，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计ProfiBus-PA(H1)是专为过程自动化设计，提供本安传输技术，可使传感器和执行机构联在一根总线上，主要用于现场设备层的总线ProfiBus-FMS主要用于车间级监控网络，解决车间级通用性通信任务，是一个令牌结构的实时多主网络一般将DP和FMS混合使用Profibus的三个兼容产品，使得Profibus既适合于自动化系统与现场I/o单元的通讯，也可用于直接连接带接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表对现场信号进行采集和监控。通信透明从传感器／执行器到区域控制器CNC区域控制器Ethernet/TCP/IPTCP/IP/EthernetPROFIBUS-FMSPROFIBUS-DPPROFIBUS-PA工厂级总线循环时间1000ms车间级总线循环时间100ms现场级总线循环时间10msPC/VMEVME/PCPLCDCS其它技术特点信号线可用设备电源线。每条总线区段可连接32个设备，不同区段用中继器连接。传输速率可在9.6kB/S～12MB/S间选择。传输介质可以用金属双绞线或光纤。提供通用的功能模块管理规范。在一定范围内可实现相互操作。提供系统通信管理软件(包括波形识别、速率识别和协议识别等功能)。提供244字节报文格式，提供通信接口的故障安全模式(当IO故障时输出全为零)。EN50170Volume2DeviceProfilesApplicationProfiles过程自动化PROFIBUS-PAIEC1158-2-总线供电-本质安全PROFIBUS簇工厂自动化PROFIBUS-DPRS485/FO-即插即用-高效、廉价快速通用目的自动化PROFIBUS-FMSRS485/FO-大范围的应用-多主通信通用面向应用1.Profibus基本特征一.协议结构Profibus现场总线是目前应用最广泛的现场总线技术之一。DP和PA的完美结合使得Profibus现场总线在结构和性能上优越于其它现场总线Profibus既适合于自动化系统与现场I/o单元的通讯，也可用于直接连接带接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表对现场信号进行采集和监控。并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆，大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用Profibus协议以OSI为参考模型，其协议结构如下图所示PROFIBUS协议符合ISO/OSI的开放系统参考模型PA-行规FMS设备行规IEC接口FMSIEC1158-2用户层Layer(3)-(6)应用层(7)数据链路层(2)物理层(1)未用PAEN50170PROFIBUS导则+行规DPDP-扩充功能现场总线数据链路现场总线信息规范DP-行规RS-485/光纤DP基本功能FMS的协议结构FMS定义了物理层、数据链路层和应用层和用户接口，三到六层未加描述物理层提供了光纤和RS485二种传输技术数据链路层完成总线的存取控制并保证数据的可靠性应用层定义了低层接口LLI和现场总线信息规范FMSLLI的作用是协调不同的通信关系并提供不信赖设备的第二层访问接口，FMS提供了范围广泛的功能来保证它的普遍应用在不同的应用领域中，具体需要的功能范围必须与具体应用要求要适应，这些适应性定义称之为行规，行规提供了设备的可互换性，保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能FMS在用户接口中规定了相应的用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，定义了现场设备行为的行规DP定义了物理层、数据链路层和用户接口，三至七层未加描述这种结构是为了确保数据传输的快速有效地进行DP中的物理层和数据链路层与FMS中的定义完全相同，二者采用了相同的传输技术（光纤或RS485传输）和统一的总线控制协议（报文格式），直接数据链路映像DDLM为用户接口与数据链路层之间的信息交换提供了方便。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同DP行规DP的协议结构PA的协议结构PA主要应用于过程控制领域，可以把测量变送器、阀门、执行机构用一根总线连接起来PA数据传输采用扩展的DP协议，只是在上层增加了描述现场设备行为的PA行规简单的说，PA就相当于DP通信协议加上最适合现场仪表的传输协议IEC1158-2根据IEC1158-2标准，PA可通过总线给现场设备供电，并可确保数据传输的本质安全性当使用分段耦合器，PA装置能很方便的连接到DP网络二传输技术现场总线系统的应用在很大程度上取决于选择哪种传输技术除了传输可靠性、传输速度、传输距离等通用的要求以外，考虑一些使用的灵活性及其它一些机电因素也十分重要例如，当应用于过程自动化时，特别是涉及本质安全防爆的应用场合，数据和电源在同一根总线上传输就很有必要由于单一的传输技术不可能满足所有要求，因此Profibus提供了RS485传输、IEC1158-2传输和光纤传输三种类型三种有效的传输技术PROFIBUS使用两端有终端的总线拓扑在运行期间，接入和断开一个或几个站不会影响其他站的工作，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•IEC1158-2:用于PA•光纤:用于DP和FMS终端终端站1.....站n（1）RS485传输技术RS485传输用于PROFIBUS-DP和PROFIBUS–FMS,通常称之为H2总线电缆在EN50170标准中规定为A型屏蔽双绞铜芯电缆，其最大允许的长度与传输速率是直接相关的RS485传输技术的基本特征，A型导线的特性，参数以及传输速率与总线长度的关系分别如下表所示RS485传输的基本特征和A型导线的特性参数传输速率与A型电缆总线长度的关系PROFIBUS电缆要求-RS485参数电缆类型A电缆设计屏蔽双绞电缆浪涌阻抗135...165回路电阻110/km线径0.64mm线截面积0.34mm每单位长度的电容30pF/mPROFIBUS电缆被列在PROFIBUS电子产品指南中。A型屏蔽双绞电缆9针D型连接器的针脚分配（为RS485用）对PROFIBUS-DP/FMS提供的连接器类型是9针D型连接器插座部分被安装在设备上如果其他连接器能提供必要的命令信号的话，也允许使用针脚号信号规定1Shield屏蔽/保护地2M2424V输出电压的地3RxD/TxD-P*接收数据/传输数据阳极(+)4CNTR-P中继器控制信号(方向控制)5DGND*数据传输势位（对地5V）6VP*终端电阻-P的供给电压,(P5V)7P24输出电压＋24V8RxD/TxD-N*接收数据／传输数据阴极（-）9CNTR-N中继器控制信号（方向控制）*每个设备必须支持命令信号表9针D型连接器的针脚分配9针D型插头外观RS485传输设备安装要点(1)电缆接线A型电缆的总线终端器站1站2屏蔽保护地RxD/TxD-P(3)DGND(5)VP(6)RxD/TxD-N(8)(3)RxD/TxD-P(5)DGND(6)VP(8)RxD/TxD-N保护地*注:中继器没有站地址，但它们被计算在每段的最多站数中*终羰电阻供电电源+5V390数据线数据线DGND(5)VP(6)220390RxD/TxD-P(3)RxD/TxD-N(8)*数据线B*数据线A数据传输结束，即+5V地全部设备均与总线连接每个分段上最多可接32个站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一直有电源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四个电缆的最大长度取决于传输速度.一旦设备投入运行，全部设备均需选用同一传输速度。安装RS485(2)VPBADGND第一个站390220390总线终端最后一个站总线终端VPBADGND数据线B数据线ABBAA站2站3390220390总线的连接示意图为了在高电磁辐射环境下获得良好的抗干扰性能，可以使用带屏蔽的数据传输电缆，屏蔽电缆两端的屏蔽编织箔必须与地线连接，并通过尽可能大面积的屏蔽接线来覆盖。此外，在铺设过程中建议把数据线和高压线隔离拓朴这里提供的拓扑是总线型拓扑在总线的开头和结尾必须有终端一段可以由最多32个站*组成终端终端终端23303162613332(PROFIBUS支持总线型，树型和星型拓扑)终端中继器中继器*注:中继器没有站地址，但它们被计算在每段的最多站数中站1在一个PROFIBUS系统中最大可连接126个站，总线系统分为若干段，每个分段最多可连接32个站（主站和从站），每段的头尾都需要一个永远有源的总线连接器，标准的总线连接器用一个开关来控制终端电阻。两个总线终端必须一直有电源如果总线上超过32个站点，各个总线分段之间用中继器（线路放大器）连接，中继器也计数为其中的一个站点作为被动的总线站，中继器的作用是保证能明确识别与之连接站点之间所交换的数据如果PROFIBUS总线要覆盖更长的距离，中间可建立连接段，连接段内不挂接任何站点一般情况下，建议使用的中继器不超过四个RS485的屏蔽/接地详细的安装指示在PROFIBUS-DP/FMS的安装导则中说明，订单号2.112数据电缆接地电缆从从主接地线数据电缆接地线接地线RS-485传输的数据位顺序每个八位二进制数（１字节）按11位的顺序被传输最小的有效位(LSB)被第一个发送最大的有效位(MSB)被最后发送每个八位二进数都补充三位，即开始、终止和奇偶校验位此编码原理称非归零码NRZ（即NonReturntoZero）开始12345678奇偶终止开始校验空闲位顺序:1.字节LSBMSB2.字节LSB根据IEC1158-2的传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足石油和化工工业要求，它可保证其本质安全，并通过总线对现场设备供电。IEC1158-2是一种位同步协议，其技术特性如下：本质安全(可选)和通过总线对站供电(可选)，能满足化工和石油化工业的要求同步Manchester编码,，可进行无电流的连接传输，通常称为H1传输速度：31.25kBit/s（kbps),电压式数据可靠性：前同步信号，采用起始和终止限定符避免误差电缆：屏蔽或非屏蔽的双绞电缆网络拓扑：总线型、树型或两者相结合、星型站点数最多127个站,每段10-32个设备(依赖于EX-类型和供电消耗)距离：每段距离达1900米，用中继器可延长到10公里用于PA的IEC1158-2传输技术PROFIBUS电缆要求-IEC1158-2电缆设计:屏蔽双绞电缆导线面积:0.8毫米2(AWG18)回路电阻:44/km阻抗（在31.25KHz时）:100+/-20%衰减（在39KHz时）:3dB/km每单位长度的电容:2nF/km对IEC1158-2传输的电缆被列在PROF