第4章 PROFIBUS现场总线

1/67第4章PROFIBUS现场总线PROFIBUS（PROCESSFIELDBUS的缩写）是由Siemens等公司组织开发的一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准。先后成为德国和欧洲的现场总线标准（DIN19245和EN50170），并于2000年成为IEC61158国际现场总线标准之一，2001年成为我国的机械行业标准JB/T10308.3-2001。1995年成立了PROFIBUS用户组织，该组织遍布世界各地。1997年我国成立了PROFIBUS专业委员会CPO（ChinesePROFIBUSUserOrganization）。2/67第4章PROFIBUS现场总线4.1PROFIBUS概述PROFIBUS由以下三个兼容部分组成。PROFIBUS-DP：用于传感器和执行器级的高速数据传输，它以DIN19245的第一部分为基础，根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充，DP的传输速率可达12Mbps，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传输方式工作。它的设计旨在用于设备一级的高速数据传输。在这一级，中央控制器（如PLC/PC）通过高速串行线同分散的现场设备（如I/O、驱动器、阀门等）进行通信，同这些分散的设备进行数据交换多数是周期性的。PROFIBUS-PA：对于安全性要求较高的场合，制定了PROFIBUS-PA协议，这由DIN19245的第四部分描述。PA具有本质安全特性，它实现了IEC1158-2规定的通信规程。3/67第4章PROFIBUS现场总线4.1PROFIBUS概述PROFIBUS-PA是PROFIBUS的过程自动化解决方案，PA将自动化系统和过程控制系统与现场设备，如压力、温度和液位变送器等连接起来，代替了4~20mA模拟信号传输技术，在现场设备的规划、敷设电缆、调试、投入运行和维修等方面可节约成本40%之多，并大大提高了系统功能和安全可靠性，因此PA尤其适用于石油、化工、冶金等行业的过程自动化控制系统。PROFIBUS-FMS：它的设计是旨在解决车间一级通用性通信任务，FMS提供大量的通信服务，用以完成以中等传输速率进行的循环和非循环的通信任务。为了满足苛刻的实时要求，PROFIBUS协议具有如下特点：4/67第4章PROFIBUS现场总线4.1PROFIBUS概述（1）不支持长信息段235B（实际最大长度为255B，数据最大长度244B，典型长度120B）。（2）不支持短信息组块功能。由许多短信息组成的长信息包不符合短信息的要求，因此，PROFIBUS不提供这一功能（实际使用中可通过应用层或用户层的制定或扩展来克服这一约束）。（3）本规范不提供由网络层支持运行的功能。（4）除规定的最小组态外，根据应用需求可以建立任意的服务子集。这对小系统（如传感器等）尤其重要。（5）其他功能是可选的，如口令保护方法等。（6）网络拓扑是总线形，两端带终端器或不带终端器。5/67第4章PROFIBUS现场总线（7）介质、距离、站点数取决于信号特性，如对屏蔽双绞线，单段长度小于或等于1.2km，不带中继器，每段32个站点。（网络规模：双绞线，最大长度9.6km；光纤，最大长度90km；最大站数，127个）4.1PROFIBUS概述（8）传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9.6kbps到12Mbps不等。（9）可选第二种介质（冗余）。（10）在传输时，使用半双工，异步，滑差（Slipe）保护同步（无位填充）。（11）报文数据的完整性，用海明距离HD=4，同步滑差检查和特殊序列，以避免数据的丢失和增加。6/67第4章PROFIBUS现场总线（12）地址定义范围为：0~127（对广播和群播而言，127是全局地址），对区域地址、段地址的服务存取地址（服务存取点LSAP）的地址扩展，每个6bit。4.1PROFIBUS概述（13）使用两类站：主站（主动站，具有总线存取控制权）和从站（被动站，没有总线存取控制权）。如果对实时性要求不苛刻，最多可用32个主站，总站数可达127个。（14）总线存取基于混合、分散、集中三种方式：主站间用令牌传输，主站与从站之间用主—从方式。令牌在由主站组成的逻辑令牌环中循环。如果系统中仅有一主站，则不需要令牌传输。这是一个单主站—多从站的系统。最小的系统配置由一个主站和一个从站或两个主站组成。7/67第4章PROFIBUS现场总线4.1PROFIBUS概述（15）数据传输服务有两类：非循环的：有/无应答要求的发送数据；有应答要求的发送和请求数据。循环的（轮询）：有应答要求的发送和请求数据。PROFIBUS广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其它自动化领域，PROFIBUS的典型应用如图4-1所示。8/67第4章PROFIBUS现场总线4.1PROFIBUS概述工厂管理级总线循环时间1000ms车间级总线循环时间100ms现场级总线循环时间10ms工厂管理系统MMS,TCP/IPBackbonePROFIBUS-FMSPROFIBUS-DP现场设备远程I/O设备现场设备传感器传动装置变送器PROFIBUS-PA网关CNCPCPCPLSPLCM图4-1PROFIBUS的典型应用9/67第4章PROFIBUS现场总线4.2PROFIBUS的协议结构PROFIBUS的协议结构如图4-2所示。DP设备行规PA设备行规基本功能扩展功能FMS设备行规基本功能扩展功能用户层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）应用层现场总线报文规范（FMS）第3-6层未使用第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）IEC接口第1层（物理层）物理层（RS-485/LWL）物理层（RS-485/LWL）IEC1158-2图4-2PROFIBUS的协议结构10/67第4章PROFIBUS现场总线4.2.1PROFIBUS-DP的协议结构PROFIBUS-DP使用第1层、第2层和用户接口层，第3到第7层未用，这种精简的结构确保高速数据传输。这种为高速传输用户数据而优化的PROFIBUS协议特别适用于可编程控制器与现场级分散I/O设备之间的通信。11/67第4章PROFIBUS现场总线4.2.2PROFIBUS-FMS的协议结构PROFIBUS-FMS使用了第1层、第2层和第7层。应用层（第7层）包括FMS（现场总线报文规范）和LLI（低层接口）。FMS处理单元级（PLC和PC）的数据通信。功能强大的FMS服务可在广泛的应用领域内使用，并为解决复杂通信任务提供了很大的灵活性。12/67第4章PROFIBUS现场总线4.2.3PROFIBUS-PA的协议结构PROFIBUS-PA使用扩展的PROFIBUS-DP协议进行数据传输。此外，它执行规定现场设备特性的PA设备行规。传输技术依据IEC1158-2标准，确保本质安全和通过总线对现场设备供电。使用段耦合器可将PROFIBUS-PA设备很容易地集成到PROFIBUS-DP网络之中。13/67第4章PROFIBUS现场总线4.3PROFIBUS-DP现场总线系统由于Siemens公司在离散自动化领域具有较深的影响，并且PROFIBUS-DP在国内具有广大的用户，本节以PROFIBUS-DP为例介绍PROFIBUS现场总线系统。14/67第4章PROFIBUS现场总线4.3.1DP的RS-485传输技术和安装要点1．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线。RS-485传输技术的基本特征有：（1）网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻；（2）传输速率：9.6kbps~12Mbps；（3）介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC）；（4）站点数：每段32个站（不带中继），可多到127个站（带中继）；（5）插头连接：最好使用9针D型插头。15/67第4章PROFIBUS现场总线2．安装要点全部设备均与总线连接，每个分段上最多可接32个站（主站或分段站），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永远有电源，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3个。4.3.1DP的RS-485传输技术和安装要点16/67第4章PROFIBUS现场总线4.3.2PROFIBUS-DP的三个版本PROFIBUS-DP经过功能扩展，一共有DP-V0、DP-V1和DP-V2三个版本，有时将DP-V1简写为DPV1。1．基本功能（DP-V0）（1）总线存取方法各主站间为令牌传送，主站与从站间为主-从循环传送，支持单主站或多主站系统，总线上最多126个站。可以采用点对点用户数据通信、广播（控制指令）方式和循环主-从用户数据通信。（2）循环数据交换DP-V0可以实现中央控制器（PLC，PC或过程控制系统）与分布式现场设备（从站，例如I/O、阀门、变送器和分析仪等）之间的快速循环数据交换，主站发出请求报文，从站收到后17/67第4章PROFIBUS现场总线返回响应报文。这种循环数据交换是在被称为MS0的连接上进行的。4.3.2PROFIBUS-DP的三个版本总线循环时间应小于中央控制器的循环时间（约10ms），DP的传送时间与网络中站的数量和传输速率有关。每个从站可以传送224B的输入或输出。（3）诊断功能经过扩展的PROFIBUS-DP诊断，能对站级、模块级、通道级这3级故障进行诊断和快速定位，诊断信息在总线上传输并由主站采集。本站诊断操作：对本站设备的一般操作状态的诊断，例如温度过高，压力过低；18/67第4章PROFIBUS现场总线模块诊断操作：对站点内部某个具体的I/O模块的故障定位；通道诊断操作：对某个输入/输出通道的故障定位。4.3.2PROFIBUS-DP的三个版本（4）保护功能DP从站用看门狗（WatchdogTimer，监控定时器）检测与主站的数据传输，如果在设置的时间内没有完成数据通信，从站自动地将输出切换到故障安全状态。（5）通过网络的组态功能与控制功能通过网络可以实现下列功能：动态激活或关闭DP从站，对DP主站（DPM1）进行配置，可以设置站点的数目、DP从站的地址、输入/输出数据的格式、诊断报文的格式等，以及检查DP从站的组态。控制命令可以同时发送给所有的从站或部分从站。19/67第4章PROFIBUS现场总线（6）同步与锁定功能主站可以发送命令给一个从站或同时发给一组从站。接收到主站的同步命令后，从站进入同步模式。这些从站的输出被锁定在当前状态。在这之后的用户数据传输中，输出数据存储在从站，但是它的输出状态保持不变。锁定（FREEZE）命令使指定的从站组进入锁定模式，即将各从站的输入数据锁定在当前状态，直到主站发送下一个锁定命令时才可以刷新。（7）DPM1和DP从站之间的循环数据传输DPM1与有关DP从站之间的用户数据传输是由DPM1按照确定的递归顺序自动进行的。在对总线系统进行组态时，用户定义DP从站与DPM1的关系，确定哪些DP从站被纳入信息交换的循环。4.3.2PROFIBUS-DP的三个版本20/67第4章PROFIBUS现场总线4.3.2PROFIBUS-DP的三个版本（8）DPM1和系统组态设备间的循环数据传输PROFIBUS-DP允许主站之间的数据交换，即DPM1和DPM2之间的数据交换。该功能使组态和诊断设备通过总线对系统进行组态，改变DPM1的操作方式，动态地允许或禁止DPM1与某些从站之间交换数据。2．DP-V1的扩展功能（1）非循环数据交换除了DP-V0的功能外，DP-V1最主要的特征是具有主站与从站之间的非循环数据交换功能，可以用它来进行参数设置、诊断和报警处理。非循环数据交换与循环数据交换是并行执行的，但是优先级较低