PROFIBUS简介

PROFIBUS概貌
　　（1） PROFIBUS是一种国际化．开放式．不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化．流程工业自动化和楼宇．交通电力等其他领域自动化。
　　（2） PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP（ Decentralized Periphery）．PROFIBUS－PA（Process Automation ）．PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。
　　（3） PROFIBUS – DP: 是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代办24VDC或4－20mA信号传输。
　　（4） PORFIBUS－PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。
　　（5） PROFIBUS－FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构．实时多主网络。
　　（6） PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。
　　（7） 与其它现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造．过程控制和自动化等。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40％。PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。
　　PROFIBUS在工厂自动化系统中的位置
　　一个典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构。基于现场总线PROFIBUS-DP/PA控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。现场总线PROFIBUS是面向现场级与车间级的数字化通信网络。
　　（1） 现场设备层：主要功能是连接现场设备，如分散式I／O．传感器．驱动器．执行机构．开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。主站（PLC．PC机或其它控制器）负责总线通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备生产工艺控制程序存储在主站中，并由主站执行。
　　（2） 车间监控层：车间级监控用来完成车间主生产设备之间的连接，如一个车间三条生产线主控制器之间的连接，完成车间级设备监控。车间级监控包括生产设备状态在线监控．设备故障报警及维护等。通常还具有诸如生产统计．生产调度等车间级生产管理功能。车间级监控通常要设立车间监控室，有操作员工作站及打印设备。车间级监控网络可采用PROFIBUS－FMS，它是一个多主网，这一级数据传输速度不是最重要的， 而是要能够传送大容量信息。
　　（3） 工厂管理层：车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网。子网同过交换机．网桥或路由等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。
　　车间管理层通常所说的以太网，即IEC802.3．TCP/IP的通信协议标准。厂区骨干网可根据工厂实际情况，采用如FDDI或ATM等网络。

　　PROFIBUS总线存取协议
　　（1） 三种PROFIBUS(DP．FMS．PA)均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型第二层（数据链路层）来实现的。它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。
　　（2） 在PROFIBUS中，第二层称之为现场总线数据链路层（Fieldbus Data Link - FDL）。介质存取控制（Medium Access Control - MAC）具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。
　　（3） PROFIBUS协议的设计要满足介质控制的两个基本要求：
　　①． 在复杂的自动化系统（主站）间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。
　　②． 在复杂的程序控制器和简单的I/O设备（从站）间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。
　　因此，PROFIBUS总线存取协议，主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。
　　（4） 令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌）。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。
　　（5） 主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息。因此，可能有以下三种系统配置：
　　①　　纯主－从系统
　　②　　纯主－主系统
　　③　　混合系统
　　（7） 以一个由３个主站．７个从站构成的PROFIBUS系统为例。３个主站之间构成令牌逻辑环。当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间内，它可依照主－从通讯关系表与所有从站通信，也可依照主－主通讯关系　　（７） 在总线系统初建时，主站介质存取控制MAC的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。
　　（8） 第二层的另一重要工作任务是保证数据的可靠性。PROFIBUS第二层的数据结构格式可保证数据的高度完整性。
　　（9） PROFIBUS在第二层按照非连接的模式操作，除提供点对点 逻辑数据传输外，还提供多点通信，其中包括广播及选择广播功能。
　　
　　PROFIBUS传输技术

　　PROFIBUS提供了三种数据传输类型：
　　 （1）用于DP和FMS的RS485传输。
　　 （2）用于PA的IEC1158－2传输。
　　 （3）光纤
　　 1． 用于DP／FMS的RS485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铜线。
　　 RS-485传输技术基本特征：
　　 （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：9.6K bit /s12M bit/ s
　　 （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：每分段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。
　　 2． RS－485传输设备安装要点
　　 （1） 全部设备均与决线连接。
　　 （2） 每个分段上最多可接32个站（主站或站）。
　　 （3） 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。
　　 （4） 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。
　　 （注：中继器没有站地址，但被计算机在每段的最多站数中）
　　 （5） 电缆最大长度取决于传输速率。如使用A型电缆，则传输速率与长度如下：
　　 波特率：（K bit/s）9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 1200
　　 距离／段（M） 1200 1200 1200 1000 400 200 100
　　 （6） A型电缆参数：
　　 阻抗：135－165Ω 电容：＜30 pf / m 回路电阻：110Ω
　　 线规：0.64mm 导线面积：＞0.34mmΩ
　　 （7） RS－485的传输技术的PROFIBUS网络最好使用9针D型插头。
　　 （8） 当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境（如汽车制造业）下运行应使用带屏蔽的电缆,屏蔽可提高电磁兼容性（EMC）。
　　 （9） 如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线来复盖，以保持良好的传导性。另外建议数据线必须与高压线隔离。
　　 （10） 超过500K bit/s的数据传输速率时应避免使用短截线段，应使用市场上现有的插头可使数据输入和输出电缆直接与插头连接，而且总线插头连接可在任何时候接通或断开而并不中断其它站的数据通信。
　　 3用于PA的IEC1158－2传输技术
　　 （1） 数据IEC1158－2的传输技术用于PROFIBUS－PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备供电。
　　 （2） IEC1158－2是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1。
　　 （3） IEC1158－2技术用于PROFIBUS－PA，其传输以下列原理为依据：
　　 ①． 每段只有一个电源作为供电装置。
　　 ②． 当站收发信息时，不向总线供电。
　　 ③． 每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。
　　 ④． 现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。
　　 ⑤． 主总线两端起无源终端线作用。
　　 ⑥． 允许使用线性．树型和星型网络。
　　 ⑦． 为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段。
　　 ⑧． 为了调制的目的，假设每个部线站至少需用10mA基本电流才能使设备启动。通信信号的发生是通过发送设备的调制，从±9mA到基本电流之间。
　　 （4） IEC1158－2传输技术特性：
　　 ①． 数据传输：数字式．位同步．曼彻斯特编码。
　　 ②． 传输速率：31.25K bit /s，电压式。
　　 ③． 数据可靠性：前同步信号,采用起始和终止限定符避免误差。
　　 ④． 电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。
　　 ⑤． 远程电源供电：可选附件，通过数据线。
　　 ⑥． 防爆型：能进行本征及非本征安全操作。
　　 ⑦． 拓扑：线型或树型，或两者相结合。
　　 ⑧． 站数：每段最多32个，总数最多为126个。
　　 ⑨． 中继器：最多可扩展至4台。
　　 4．IEC1158传输设备安装要点
　　 （1）分段藕合器将IEC1158－2传输技术总线段与RS－485传输技术总线段连接。藕合器使RS－485信号与IEC1158－2信号相适配。它们为现场设备的远程电源供电，供电装置可限制IEC1158－2总线的电流和电压。
　　 （2）PROFIBUS－PA的网络拓扑有树型和线型结构，或是两种拓扑的混合。
　　 （3）现场配电箱仍继续用来连接现场设备并放置总线终端电阻器。采用树型结构时连在现场线分段的全部现场设备都并联地接在现场配电箱上。
　　 (4)建议使用下列参考电缆，也可使用更粗截面导体的其它电缆。
　　 ①． 电缆设计：双绞线屏蔽电缆
　　 ②． 导线面积（额定值）：0.8mm2(AWG18)
　　 ③． 回路电阻（直流）：44Ω／Km
　　 ④． 阻抗（31.25千赫时）：100Ω±20％
　　 ⑤． 39千赫时衰减：3dB/Km
　　 ⑥． 电容不平衡度：2nF/Km
　　 （5）主总线电缆的两端各有一个无源终端器，内有串联的RC元件，R＝100Ω，C＝1цF。当总线站极性反向连接时，它对总线的功能不会有任何影响。
　　 （6） 连接到一个段上的站数目最多是32个。如果使用本征安全型及总线供电，站的数量将进一步受到限制。即使不需要本征安全性，远程供电装置电源也要受到限制。
　　 （7） 线路最长长度的确定，根据经验先计算一下电流的需要，根据以下参数（2－2）选用一种供电电源单元，再根据以下参数中（2－3）线的长度确定选用哪种电缆。　
　　（2－2）：标准供电装置（操作值）
　　型号 应用领域 供电电压 供电最大电流 最大功率 典型站数
　　Ⅰ EEx ia/ibⅡC 13.5V 110mA 1.8W 8
　　Ⅱ EEx ia/IbⅡC 13.5V 110mA 1.8W 8
　　Ⅲ EEx ia/IbⅡB 13.5V 250mA 4.2W 22
　　Ⅳ 不具有本征安全 24V 500mA 12W 32
　　（备注：假设每个设备耗电10mA。）　　
　　（２－３）：IEC1158-2传输设备的线路长度
　　供电装置　　　　　　　　　　Ⅰ型 Ⅱ型 Ⅲ型 Ⅳ型 Ⅴ型 Ⅵ型
　　供电电压（Ｖ） 13.5 13.5 13.5 ２４ ２４ ２４
　　Σ所需电流（mA） ≤110 ≤110 ≤250 ≤110 ≤250 ≤500
　　Ｑ＝0.8mm2的导线长度（m） ≤900 ≤900 ≤400 ≤1900 ≤1300 ≤650
　　Ｑ＝1.5mm2的导线长度（m） ≤1000 ≤1500 ≤500 ≤1900 ≤1900 ≤1900
　　(8)外接电源：如果外接电源设备，根据EN500200标准带有适当的隔离装置，将总线供电设备与外接电源设备连在本征安全总线上是允许的。
　　 5.光纤传输技术
　　（2）PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体,以增加高速传输的距离。
　　（2）可使用两种光纤导体，一是价格低廉的塑料纤维导体，供距离小于50米情况下使用，另一种是玻璃纤维导体，供距离小于1公里米情况下使用。
　　（3）许多厂商提供专用总线插头可将RS－485信号转换成导体信号或将光纤导体信号转成RS-485信号。　　
　　PROFIBUS 协议结构
　　PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（Open System Interconnection-SIO）作为参考模型的。该模型共有七层。
　　（1）PROFIBUS－DP：定义了第一．二层和用户接口。第三到七层未加描述。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PROFIBUS－DP设备的设备行为。
　　（2）PROFIBUS－FMS：定义了第一．二．七层，应用层包括现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification - FMS）和低层接口(Lower Layer Interface － LLⅠ)。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLⅠ协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。
　　（3）PROFIBUS－PA：PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS－DP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC1158－2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。
　　 注：第一层为物理层，第二层为数据链路层，第三－六层末使用，第七层为应用层。