PROFIBUS网络安装规范(超详细)

PROFIBUS是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统，在集中自动化系统向分散自动化系统转移方面是一种重大突破。由于PROFIBUS一直侧重于系统集成和系统工程等方面，尤其是侧重于应用行规的研究开发，使得该总线具有适合于快速、时间要求严格的应用和复杂的通信任务的特点，成为唯一能够全面覆盖工厂自动化和过程自动化应用的现场总线，特别适用于工厂自动化和过程自动化领域。因而从诞生至今，PROFIBUS在现场总线技术领域一直是国际市场上的领导者。随着PROFIBUS的大量应用，许多用户开始接触并使用了现场总线。但由于用户对现场总线技术的了解程度不同，再加上现场施工情况复杂，因而很有可能导致许多项目的现场总线通讯上可能存在着一些隐患，如果不能及时发现和处理，将有可能导致系统出现通讯故障，从而影响整个系统的正常运行。为了帮助广大用户一一特别是刚刚接触到现场总线的用户能够对PROFIBUS的硬件有个初步的了解，这里将重点介绍如何在现场正确的安装和使用相关PROFIBUS的网络元件和设备，帮助用户在使用PROFIBUS现场总线的过程中从硬件安装的角度尽量减少问题的发生，从而尽量减少整个网络使用中出现故障的概率。1PROFIBUS概述PROFIBUS网络通讯的本质是RS485串口通讯，按照不同的行业应用，主要有三种通讯行规：DP（DecentralizedPeripherals），FMS（FieldMessageSpecification）和PA（ProcessAutomation）行规。其中DP通讯的方式在OSI参考模型中主要使用第1、2、7层，因此PROFIBUSDP网络的通讯速度较快，且报文简单（表1）。第7层DP设备行规FMS设备行规PA设备行规（应用层）基本功能基本功能扩展功能扩展功能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3～6层（并没有省略）第2层（数据链路数据链路层数据链路层IEC接口层）现场总线数据链路现场总线数据链路（FDL)（FDL)第1层（物理层）物理层（RS485/光纤)物理层（RS485/光纤）IEC61158-2表1三种PROFIBUS的通讯行规的OSI模型随着现场总线的应用领域不断扩大，PROFIBUS技术也在不断的发生着变化，例如FMS行规目前己经不再使用，而DP和PA的应用会越来越多，另外类似MotionControlwithPROFIBUS和PROFIsafe等新的行规也都会随着应用而逐渐普及。但无论那种行规，涉及到的硬件和网络形式基本都是一致的（PA除外）。因此这里我们从最基本的网络硬件着手，介绍PROFIBUS的网络连接方式。2PROFIBUS网络硬件PROFIBUS网络主要涉及到的硬件包括：PROFIBUS接口，通讯介质，PROFIBUS插头，中继器，诊断中继器，OLM以及有源终端电阻等。2.1PROFIBUS接口PROFIBUS接口是RS485串口，一般采用SUB-Dfemale的接口，其管脚定义为：一般CPU或者CP板卡都采用该接口。该接口外部的金属部分一般连接到CPU或者CP的内部的“PE”。而当CPU安装在底板上时，其“PE”与底板是连通的，此时如果将安装底板在电气柜内做接地处理，则该SUB-D接口的外部金属部分也是接地的。2.2通讯介质关于通讯介质，在表1的OSI模型中己经规定：PROFIBUS网络支持RS485的电缆和光纤两种通讯介质。当然，现在也有支持无线通讯的设备，但我们目前面对的主要还是有线介质的用户。2.2.1PROFIBUS电缆PROFIBUS（类型1）介质是一根屏蔽双绞电缆，屏蔽可以提高电磁兼容（EMC）能力。类型1：NRZ位编码与EIARS-485信号结合，目的是降低总线稠合器成本，稠合器可以使站与总线之间电气隔离或非电气隔离；需要总线终端器，特别在较高数据传输速率（达到1500kbits/s）时更需要。类型1规范描述平衡的总线传输，符合美国标准EIARS-485(EIA:电气工业协会；RS-485:平衡的数字多点系统中使用的收/发器的电特性标准)。在双绞线两端的终端器使得类型1的物理层支持高速数据传输。传输速率三93.75kbits/s时，最大电缆长度为1.2km。对1500kbits/s的速度，最大长度减到70/200m(对B/A型电缆)。PROFIBUS电缆的特性阻抗应在1000到2200之间，电缆电容（导体间）应该＜60pF/m，导线截面积应主0.22mm2(24AWG)。电缆选择标准参见美国标准EIARS-485的附录。两类电缆的特性：电缆参数A型B型阻抗1350-1650(f=3到20MHz)1000-1300(f100kHz)电容30pF/m60pF/m电阻三1100/Km-导线截面积主0.34mm2(22AWG)主0.22mm2(24AWG)表2电缆规格下面的表指出两类电缆（A和B）对不同传输速度时的最大长度波特率[kbit/s]9.6~93.75187.550015003000~12000A型电缆长度（m）12001000400200100B型电缆长度（m）120060020070表3不同传输速度时的电缆长度标准PROFIBUS电缆为屏蔽双绞电缆，其中数据线有两根：A-绿色和B-红色，分别连接DP接口的管脚3（B）和8（A），电缆的外部包裹着编织网和铝街两层屏蔽，最外面是紫色的外皮（图1）。图1标准PROFIBUS电缆标准的PROFIBUS电缆一般都是A类电缆。除了标准PROFIBUS电缆，还有许多其它特殊类型的电缆可以用于特定的环境：图2各种类型的PROFIBUS电缆为了方便将PROFIBUS的外皮以及屏蔽层按照固定的长度进行切除，减少剥线的时间和剥线过程中将电缆破坏或者造成短路的可能，西门子还提供了PROFIBUS快速剥线工具（订货号：6GK1905-6AA00）（见图3）。图3PROFIBUS快速剥线工具2.2.2光纤及接口光纤通讯具有很多优点，比如传输距离远，抗电磁干扰性好，且光纤尺寸小，重量轻，耐腐蚀性好，便于敷设等。当然也有缺点：光纤弯曲半径不能过小，光纤连接处及终端不容易处理等等。按光在光纤中的传输模式不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤（图4）。图4光纤的分类多模光纤：中心玻璃芯较粗(50或62.5µm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。单模光纤：中心玻璃芯教细(芯径一般为9或10µm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯。在现场总线的规范中，定义了光纤可以做为现场总线的通讯介质。西门子可以使用光纤的PROFIBUS设备有：带光纤接口的CP板卡及模板（如CP5613A2FO，CP3425-FO等），OLM和OBT。光纤主要涉及到选型的问题，因为通讯距离与光纤的类型有很大关系，而且并非所有的设备都能支持多种类型的光纤。因此需要注意设备与光纤以及接头的选型。这可以通过OLM的选型来了解。OLM接口及匹配光纤看如下表格：OLM/P11P12G11G12G11-1300G12-1300接口111111--电气--光纤（BFOC）121212可连光纤--塑料(如：6XV1821-0AT10)980/100um80m80m----------PCF(如：6XV1861-2A)200/230um400m400m----------石英玻璃(如：6XV1820-5BT30)单模(10/125um)--------15km15km多模(50/125um)----3km3km10km10km多模(62.5/125um)----3km3km10km10km表4OLM的接口及其光纤选型表中列出了塑料光纤、PCF光纤和玻璃光纤主要的应用场合，与OLM相关的设备基本上都是BFOC接头类型。光纤可以选择预装了接头的（如购买时己经安装了BFOC接头），但如果事先不知道距离，也可以选择单独购买光纤和接头。但一般玻璃光纤的BFOC接头都需要专业人士来安装。除了OLM，其它的带有光纤接口的设备包括：OBT/CP342-5FO/IM467FO/CP5613FO/IM153-2FO，这些设备使用的光纤一般使用的是简单接头（Simplexplug），且有两种光纤可以选择：A.塑料光纤980/100um50m(如：6XV1821-0AT10)B.PCF光纤200/230um300m(如：6XV1861-2A)C.接头Simplexplug:6GK1900-0KB00-0AC0这里再总结一下两种接头的订货号：玻璃光纤的BFOCconnector：6GK1901-0DA20-0AA0塑料光纤的PCFSimplexplug：6GK1900-0KB00-0AC0BFOCplug：6GK1900-0HB00-0AA0图5Simplexplug图6BFOC接头如果希望自己完成接头的焊接工作，可以订工具箱（图7）：工具箱PCFSimplexplugs：6GK1900-0KL00-0AA0BOCplugs：6GK1900-0HL00-0AA0图7熔接工具箱但如果是玻璃光纤还是建议找专业的人员和设备来熔接。2.2.3PRFOBUS插头PROFIBUS插头用于连接PROFIBUS电缆和PROFIBUS的站点（图8）。图8PROFIBUS插头的使用在PROFIBUS插头上，有一个进线孔（In）和一个出线孔（Out），分别连接至前一个站和后一个站。当各站点通过插头连接以及网线连接到网络上时，根据RS485串口通讯的规范，每个物理网段支持32个物理设备，且在物理网段终端的站点应该设置终端电阻防止浪涌保证通讯质量。而每个PROFIBUS插头上，都内置了终端电阻，需要是可以接入（On）和切除（Off）。当终端电阻设置为“On”时，表示一个物理网段的终结，因此连接在出线端口“Out”后面的网段的信号也将被中断。因此，在每个物理网段两个终端站点上的插头，需要将网线连接在进线口“In”，同时将终端电阻设置为“On”，而位于网段中间的站点，需要依次将网线连接在进线口“In”和出线口“Out”，同时将终端电阻设置为“Off”。（图9）图9PROFIBUS插头的连接和设置需要注意的是，PROFIBUS插头有一种带编程口（PG口）的，建议至少每个网段的两个终端站点处的插头尽量使用带编程口的（见图8，左侧的插头），便于系统的诊断和维护。2.2.4终端电阻PROFIBUS电缆的两端应该连接终端电阻。终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射在通信过程中，有两种原因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连续：信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有（例如：短路）或者阻抗很大（例如：断线），信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻（图10）。图10网络中的设备连接和终端电阻引起信号反射的另一个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。在EIARS-485中规定的端接电阻Rt是以下拉电阻Rd（与数据地DGND连接）和上拉电阻Ru（与正电压VP连接）做补充。当没有站进行传输（即空闲时间）时，这个补充迫使不同的状态电压（即导体间的电压）趋于一个确定值（图11）。图11终端电阻的组成在一个物理网段中，但是如果终端和总线电缆阻抗不匹配，则最大通讯距离会减少一半。因而，在一个物理网段中，应该保证在网络的两个终端各有一个终端电阻，不能增加也不能减少，否则我们的总线上的网线与终端电阻将会出现不匹配的问题。这就意味着，如果终端站点出现问题，则有可能会影