PROFIBUS总线

第三章PROFIBUS现场总线3.1PROFIBUS的协议类型3.2PROFIBUS的通信模型3.3PROFIBUS的总线设备类型和数据通信3.4PROFIBUS的总线存取协议3.5PROFIBUS的应用(系统集成)3.6PROFIBUS-DP系统开发3.7PROFIBUS协议的发展PROFIBUS概述PROFIBUS(ProcessFieldbus的缩写)是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准。它广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他自动化领域。PROFIBUS技术的发展经历了如下过程:1987年由德国SIEMENS公司等13家企业和5家研究机构联合开发；1989年成为德国工业标准DIN19245；1996年成为欧洲标准EN50170V.2(PROFIBUS-FMS-DP);1998年PROFIBUS-PA被纳入EN50170V.2；1999年PROFIBUS成为国际标准IEC61158的组成部分(TYPEIII)；2001年成为中国的机械行业标准JB/T10308-3-2001。PROFIBUS由以下三个兼容部分组成:1.PROFIBUS-DP：用于传感器和执行器级的高速数据传输，它以DIN19245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传输速率可达：12Mbit/s。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。2.PA具有本质安全特性，实现了IEC1158-2规定的通信规程。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。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。3.PROFIBUS-FMS：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。由于它是完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换，因此它考虑的主要是系统的功能而不是系统响应时间，应用过程通常要求的是随机的信息交换(如改变设定参数等)。可用于大范围和复杂的通信系统。PROFIBUS协议的特点1)不支持长信息段235B2)不支持短信息组块功能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。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。7)介质、距离、站点数取决于信号特性。8)传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9.6kbit/s~l2Mbit/s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。11)报文数据的完整性，用海明距离(HD)=412)地址定义范围为：0~126(对广播相群播而言，126是全局地址)。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)。14)总线存取基于混合、分散、集中3种方式。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。3.1PROFIBUS的协议类型PROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型的第1层（物理层）和第2层（数据链路层），其中FMS还采用了第7层（应用层）,另外增加了用户层。PROFIBUS－DP和PROFIBUS－FMS的第1层和第2层相同，PROFIBUS-FMS有第7层，PROFIBUS－DP无第7层。PROFIBUS－PA有第1层和第2层，但与DP/FMS有区别，无第7层。PROFIBUS通信模型3.2PROFIBUS的通信模型3.2.1物理层3.2.2现场总线数据链路层3.2.3应用层3.2.1物理层1.DP/FMS(RS-485)的物理层2.DP/FMS(光纤电缆)的物理层3.PA的物理层3.2.1物理层1.DP/FMS(RS-485)的物理层屏蔽双绞电缆符合EIARS-485标准(也称H2)总线段的两端各有一个终端器传输速率从9.6kbit/s到12Mbit/s可选RS-485总线段的结构RS485总线段的结构....BA最多32个站VP(6)390Ω220Ω390ΩDGND(5)VP(6)390Ω220Ω390ΩDGND(5)RS485段（1）传输程序半双工、异步、无间隙同步NRZ（不归零）编码“1”——RXD/TXD-P（Receive/Transmit-Data-P）线上的正电位，而在RXD/TXD-N线上则正相反。各报文的空闲（idle）状态对应于二进制“1”信号A线对应于RXD/TXD-N信号，而B线对应于RXD/TXD-P信号。（2）总线连接国际性的PROFIBUS标准EN50170推荐使用9针D型连接器用于总线站与总线的相互连接（9针头）。D型连接器的插座与总线站相连接，而D型连接器的插头与总线电缆相连接。(3)总线终端器根据EIARS-485标准，在数据线A和B两端均加接总线终端器。空闲状态：确定的空闲电位。可以由跳接器或开关来启动。传输速率大于1.5Mbit/s时，由于所连接站的电容性负载而引起导线反射，因此必须使用附加有轴向电感的总线连接插头。（4）传输技术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：每段32站（无中继），126站（有中继）；插头连接：9针D型插头（5）拓扑结构2.DP/FMS(光纤电缆)的物理层PROFIBUS第1层的另一种类型是通过光纤导体中光的传输来传送数据。站之间的距离最大到：15km。用玻璃或塑料纤维制成的光纤电缆可用作传输介质。玻璃光纤能处理的连接距离达到：15km，而塑料光纤只能达到：80m。连接技术(1)OLM技术(OpticalLinkModule)(2)OLP技术(OpticalLinkPlug)（3）集成的光纤电缆连接使用集成在设备中的光纤接口将PROFIBUS节点与光纤电缆直接连接。（4）OBT（OpticalFiberBusTerminal，光纤总线终端）一个不带集成纤维光缆接头的PROFIBUS站或一个RS-485段可以通过OBT连接到一个光纤电路。3.PA的物理层（1）数据传输非直流传输的位同步、曼彻斯特编码(也称H1编码)。数据的发送采用对总线系统的基本电流IB调节±9mA的方法实现。PROFIBUS-PA的数据传输（2）总线连接（PA总线段的结构）（3）拓扑结构树型结构是典型的现场安装技术，现场分配器负责连接现场设备与主干总线，所有连接在现场总线上的设备通过现场分配器进行并行切换。PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA图3-11树型结构PROFIBUS-DP终端电阻终端电阻DP/PA耦合器（Exi）控制器供电设备（Exi）多路分配器现场设备现场设备现场设备现场设备控制室现场总线型结构：提供了与供电电路安装类似的沿现场总线电缆的连接点，现场总线电缆可通过现场设备连接成回路，其分支线也可连接一个或多个现场设备。终端电阻图3-12总线型结构终端电阻PROFIBUS-DPPROFIBUS-PADP/PA耦合器（Exi）控制器供电设备（Exi）控制室现场现场设备现场设备现场设备现场设备现场设备树型与线型的组合结构：基于IEC61158-2传输技术总线段与基于RS485传输技术总线段可以通过DP/PA耦合器或链接器相连，耦合器使RS485信号和IEC61158-2信号相适配。供电设备（Exi）图3-13树型与线型的组合结构IIPROFIBUS-PA/IEC61158-2PROFIBUS-DP终端电阻终端电阻DP/PA耦合器（Exi）控制器现场设备现场设备控制室现场III多路分配器现场设备现场设备现场设备外接电源非本质安全区本质安全区（4）IECl158-2传输技术特性：数据传输:数字式、位同步、曼彻斯特编码;传输速率:31.25kbit/s，电压式;数据可靠性:前同步信号，采用起始和终止界定符避免误差;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:总线形或树形，或两者相组合;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。3.2.2现场总线数据链路层根据OSI参考模型，数据链路层：规定总线存取控制、数据安全性以及传输协议和报文的处理。在PROFIBUS中，数据链路层(第2层)称为FDL层(现场总线数据链路层)。PROFIBUS的报文格式PROFIBUS的报文格式：1.有固定信息字段长度的格式2.带数据的有固定信息字段长度的格式3.有可变信息字段长度的格式4.短应答5.令牌报文L:信息字段长度。SC(单字符):单字符，仅用于应答。SD1—SD4(起始界定符):起始字节，用于区别不同的报文格式。LE/LEr:长度字节，指出可变长报文中信息字段的长度。DA(目的地址):目的地址字节，指出将接收此信息的站。FC(帧控制):控制字节，包含用于此信息的服务和此信息的优先权的详细说明。DU:数据单元，包含报文的有用信息，必要时还包含扩展地址的详细说明。FCS(帧校验顺序):校验字节，包含报文校验和(不进位地加所有报文字节的和)。ED(终止界定符):终止字节，指出此报文终止。第2层报文格式提供高级的传输安全性，海明距离HD=4。检查以下类型错误：字符格式出错(奇偶校验，溢出，帧出错)协议出错起始和终止界定符出错帧校验字节出错点对点的数据传输广播和群播通信的多点传输第2层提供的数据服务如下:1)发送数据需应答(SDA)2)发送数据无需应答(SDN）3）发送和请求数据需回答(SRD)4）循环地发送和请求数据需回答(CSRD)。上一层通过第2层的SAP(服务存取点)调用这些服务：SSAP(源服务存取点)和DSAP(目的服务存取点)。3.2.3应用层PROFIBUS的应用层由FMS接口(现场总线报文规范)和LLI接口(低层接口)组成。在不同的应用中，具体需要的功能范围必须与具体应用相适应，这些适应性定义称为行规。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。l.PROFIBUS-FMS行规（1）控制器间的通信(3.002):可编程控制器(PLC)之间通信的FMS服务。（2）楼宇自动化行规(3.001):对楼宇自动化系统使用FMS进行监视、闭环和开环控制、操作控制、报警处理及系统档案管理作了描述。（3）低压开关设备(3.032):通过FMS在通信过程中低压开关设备的应用行为。2.PROFIBUS-DP行规PROFIBUS-DP只使用了第1层和第2层。而用户接口定义了PROFIBUS-DP设备可使用的应用功能以及各种类型的系统和设备的行为特性。（1）NC/RC行规(3.052):机床和装配机器人（2）编码器行规(3.062):回转式、转角式和线性编码器与PROFlBUS-DP的连接。（3）变速传动行规(3.071):传动技术设备生产厂商共同制定了PROFIDRIVE行规。（4）操作员控制和过程监视行规(HMI):通过PROFIBUS-DP与更高一级自动化部件的连接。3.PROFIBUS-PA行规PROFIBUS-PA行规保证了不同厂商所生产的现场设备的互换性和互操作性，PA行规的任务是选用各种类型现场设备真正需要的通信功能，对所有通用的测量变送器和其他被选类型的设备作了具体规定:（1）压力、液位、温度和流量用测量变送器（2）数字量输入和输出（3）模拟量输入和输出（4）阀门（5）定位器3.3PRO