PROFIBUS-DP介绍

1PROFIBUS-DP网介绍及故障诊断方法李金龙2PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，它以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持，被纳入现场总线的国际标准IEC61158PROFIBUS是不依帐生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可以通过同样的接口交换信息。PROFIBUS可以用于分布式I/O设备、传动装置、PLC和基于PC（个人计算机）的自动化系统。PROFIBUS技术是唯一可以满足两类通信应用（制造业和过程工业应用）的现场总线。第一部分：PROFIBUS-DP硬件组成与通信协议3DP是DecentralizedPeriphery（分布式外部设备）的缩写。PROFIBUS-DP（简称为DP)主要用于制造业自动化系统中单元级和现场级通信。特别适合PLC与现场级分布式I/O设备之间的快速循环效据交换。DP是PROFIBUS中应用最广的通信方式。PROFIBUS-DP用于连接下列设备：PLC、PC和HMI设备、分布式现场设备。PROFIBUS-DP的响应速度快，很适合在制造业便用。作为PLC硬件组态一部分，分布式I/O（例如ET200）用STEP7来组态。通过供货方提供的GSD文件，可以用STEP7将其他制造商生产的从站设备组态到网络中。有的S7-300/400CPU配备有集成的DP接口，S7-200/300/400也可以通过通信处理器（CP）连接到PROFIBUS-DP一、PROFIBUS-DP简介4ISO/OSI参考模型的物理层是第1层，PROFIBUS可以使用多种通信媒体，例如带屏蔽的双绞线、光纤、红外线、导轨以及混合方式。传愉速率为9.6kbit/s一12Mbit/s，每个DP从站的输入数据和输出数据最大为244B。使用屏蔽双绞线电缆时最长通信距离为9.6km，使用光缆时最长通信距离为90km，最多可以连接127个从站。PROFIBUS可以使用灵活的拓扑结构，支持线形、树形、环形结构以及冗余的通信模型。支持基于总线的驱动技术和符合IEC61508的总线安全通信技术。下面介绍用于DP的RS-485传输和光纤传愉。二、PROFIBUS的物理层5PROFIBUS-DP符合EIARS-485标准（也称为H2)，采用价格便宜的屏蔽双绞线电缆，电班兼容性（EMC）条件较好时也可以使用不带屏蔽的双绞线电缆。一个总线段的两端各有一套有源的总线终端电限。PROFIBUS的站地址空间为0～127，其中的127为广播用的地址，所以最多能连接127个站点。一个总线段最多32个站，超过了必须分段，段与段之间用中继器连接。中继器没有站地址，但是被计算在每段的最大站数中。2.1、DP的RS-485传输6图中A、B线之间是220Ω终端电阻，终端电阻可以吸收网络上的反射波，有效地增强信号强度。两端的终端电附并联后的值应基本上等于传输线相对于通信频率的特性阻抗。在总线上没有站发送效据（即总线处于空闲状态）时，390Ω的下拉电阻与数据基准电位DGND相连，上拉电阻DC5V电压的正端（VP）相连。上拉电阻和下拉电阻用于确保A、B线之间有个确定的空闲电位。2.1、DP的RS-485传输7大多数PROFIBUS总线连接器部集成了终端电阻，连接器上的开关在ON位置时终端电阻被连接到网络上，开关在Off位置时终端电阻从网络上断开。每个网段两端的站必须接入终端电阻，中间的站不能接入终端电阻。传输速率为9.6kbit/s～12Mbit/s，所选的传输速率用于总线段上的所有设备。传输速率大于1.5Mbit/s时，由于连接的站的电容性负载引起导线反射，必须使用附加有轴向电感的总线连接插头。2.1、DP的RS-485传输8PROFIBUS-DP网络的硬件由主站、从站、网络部件和网络组态与诊断工具组成。网络部件包括通信电缆、总线连接器、中继器、耦合器，以及用于连接串行通信、以太网、AS-i、EIB等网络系统的网络连接器。PROFIBUS-DP设备分为以下3种不同类型的站：三、PROFIBUS-DP设备的分类91类DP主站是系统的中央控制器，1类DP主站在预定的周期内与分布式的站循环地交换信息，并对总线通信进行控制和管理。1类DP主站可以发送参数给DP从站，读取从站的诊断信息，用于全局控制命令将它的运行状态告知各从站。此外，还可以将控制命令发送给个别从站或从站组，以实现输出数据和输入数据的同步。3.1、1类DP主站10下列设备可以做1类DP主站：①一个带集成DP接口或插入式接口子模块的CPU②CPU和支持DP主站功能的通信处理器（CP）③一个连接在CPU上的接口模块④连接工业以太网和PROFIBUS-DP的IE/PB链接器模块⑤ET200S和ET200X的主站模块⑥使用PROFIBUS网卡的PC3.1、1类DP主站112类DP主站是DP网络中的编程、诊断和管理设备。2类DP主站除了具有1类主站的功能外，在于1类DP主站进行数据通信的同时，可以读取DP从站的输入/输出书和当前的组态数据，可以给DP从站分配新的总线地址。3.2、2类DP主站12下列设备可以作为2类DP主站：①以PC为硬件平台的2类主站PC加PROFIBUS网卡可以做2类主站。西门子公司可以提供专用的编程设备，不过现在一般都用PC和STEP7编程软件来做编程设备，用PC和WinCC等组态软件做监控操作站。②操作员面板/触摸屏（OP/TP）操作员面板（OP）和触摸屏（TP）用于操作人员对系统的控制和操作，例如参数的设置与修改、设备的启动和停机，以及在线监视设备的运行状态等。它们在工业控制中得到了广泛的应用。西门子公司提供多种型号的TP和OP供用户选用。3.2、2类DP主站13DP从站是PROFIBUS网络上的被动节点，用于输入信息的采集和输出信息的发送，DP从站只与它的DP主站交换用户数据，向主站报告本地诊断中断和过程中断。典型的从站设备是传感器、执行器和测量变送器。在DP通信过程中，从站是被动的。非智能型的分布式I/O没有程序存储和程序执行功能，通信适配器或接口模块用来接收主站的指令，按主站指令驱动I/O，并将I/O输入及故障诊断等信息返回给主站。3.3、DP从站14①标准DP从站西门子的ET200是非智能的标准DP从站。②PLC只能DP从站与通信处理器PLC可作为PROFIBUS的智能从站（1从站）。DP主站不是直接访问只能从站的I/O模块，而是通过从站组态时指定的通信双方的输入、输出地址区来交换数据。某些PROFIBUS通信处理器（CP）也可以作DP从站。3.3、DP从站15③具有PROFIBUS-DP接口的其他现场设备西门子的SINUMERIK数控系统、SITRANS现场仪表、变频器和直流传动装置都有PROFIBUS-DP接口或可选的DP接口卡，可以做DP从站。其他公司支持DP接口的输入/输出、传感器、执行器或其他智能设备，也可以接入PROFIBUS-DP网络。可以将1类、2类DP主站或DP从站组合在一个设备中，形成一个DP组合设备。3.3、DP从站16通信处理器（CP）用于将SIMATICPLC连接到PROFIBUS网络，可以用于恶劣的工业幻境和较宽的温度范围。通信处理器允许标准S7通信、S5兼容通信以及PG/OP通信。它们减轻了主CPU的通信任务，提高了通信的效率和可靠性。通信处理器可以扩展PLC的过程I/O，实现SYNC/FREEZE（同步/冻结）和恒定总线周期功能。通信处理器和集成在STEP7的NCMS7有很强的诊断功能。通过S7路由功能，可以实现不同网络之间的通信。不需要编程器就可以更换CP模块。CP443-5有时间同步功能，可以在H系统中实现冗余的S7通信或DP主站通信。CP-443-5扩展型允许在运行过程中添加分布式I/O。四、PROFIBUS通信处理4.1、通信处理器的作用17S7-200的PROFIBUS通信处理器为EM277，在网络中只能作从站。S7-300的PROFIBUS通信处理器为CP342-5、CP343-5和有光纤接口的CP342-5FO。S7-400的PROFIBUS通信处理器为CP443-5基本型、CP443-5扩展型、IM467和IM467-FO。CP443-5支持冗余的总线拓扑结构。4.2、PLC的PROFIBUS通信处理器18①不带微处理器的通信处理器不带微处理器的通信处理器价格较低，可以作1类、2类PROFIBUS-DP主站或DP从站。作为运行STEP7和NCMPC的编程器接口，可以用于工业环境。CP5611和CP5621用于台式计算机，CP5511和CP5512用于带有PCMCIA插槽的笔记本电脑。他们支持PROFIBUS-DP和MPI，可以作PROFIBUS-DP主站或从站，有PG/OP和S7通信功能。4.3、用于计算机的PROFIBUS通信处理器19②带微处理器的通信处理器带微处理器的通信处理器可以通过双端口RAM快速访问过程数据，以减轻主站CPU的负载，提高工控机的计算性能。OPC作为标准接口，其服务器软件包已包含在通信软件的供货范围内。通过即插即用和诊断工具，可以缩短调试时间。CP支持等时线模式。CP5613和CP5613FO有一个PROFIBUS接口，CP5614和CP5614FO有两个PROFIBUS接口，它们均支持DP主站、PG/OP和S7通信功能。4.3、用于计算机的PROFIBUS通信处理器20西门子的ET200是基于现场总线PROFIBUS-DP或PROFINET的分布式I/O，可以与经过认证的非西门子公司生产的PROFIBUS-DP主站协同运行。全集成自动化概念和STEP7是ET200能与西门子的其他自动化系统协同运行，实现了从硬件配置到共享数据库等所有层次上的集成。ET200只需要很小的空间，能使用体积更小的控制柜。集成的连接器代替了过去密密麻麻、杂乱无章的电缆，加快了安装过程，紧凑的结构使成本大幅度降低。某些型号的ET200能在非常恶劣的幻境中使用，有的提供连接光纤的接口，可以节省费用昂贵的抗电磁干扰措施。再组态时，STEP7自动分配紧凑型DP从站和模块式DP从站的输入/输出地址。就像访问主站主机架上的输入/输出模块一样，DP主站的CPU通过DP从站的地址直接访问它们。因此使用DP从站不会增加编程的工作量。五、ET20021ET200S是一种多功能按位模块化的I/O系统，可以配备PROFIBUS-DP和PROFINET接口模块，可以提供集成光纤接口。模块的种类丰富，有数字量I/O模块、模拟量I/O模块、技术功能模块、电动机启动器和变频器、IQ-Sense（智能传感器）模块、气动接口模块、故障安全模块。每个站最多可以使用63个I/O模块，或20个最大7.5kW的电动机启动器、最大4kW的变频器。有2、4、8、32点的I/O模块。能在运行时更换I/O模块（有热插拔功能）。5.1、ET200S22ET200M是多通道模块化的分布式I/O，使用S7-300全系列模块，适用于大点数、高性能的应用。最多可以扩展8个模块，新型号的ET200M可以扩展12个模块，用接口模块IM153来实现与主站的通信。ET200M可以提供与与S7-400H系统相连的冗余接口模块和故障安全型I/O模块。S7-400的I/O模块平均每点的价格比S7-300的贵的多，较大型的控制系统常用功能强大的S7-400的CPU和ET200M来组成系统，这样可以使用价格便宜的S7-300模块，使系统具有很高的性价比。5.2、ET200M23PR0flBUS的协议结构见下表，表中，第2层称为现场总线数据链路层，规定了总线访问控制、数据安全性以及传愉协议和报文的处理。六、PROFIBUS通信协议PROFIBUS-DP用户接口层DP设备行规基本功能与扩展功能DP用户接口直接数据链路映像DDLM第3—7层未使用第2层（数据链路层）现场总线数据链路FDL第1层（物理层）RS-485/光纤24PROFIBUS协议的设计满足了