PROFIBUS現(xiàn)場總線技術教材(PPT 47頁)

1、1PROFIBUS現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線技術技術自動化教研室2 現(xiàn)場總線是近幾年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是一種串行的數(shù)字數(shù)據(jù)通信鏈路，是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡。它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。按照國際電工委員會IEC61158的標準定義，現(xiàn)場總線是“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動化控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線”。 3 現(xiàn)場總線是在生產(chǎn)現(xiàn)場、測控設備之間形成開放型測控網(wǎng)

2、絡的新技術，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個開放式通信網(wǎng)絡，又是一種全分布式控制系統(tǒng)。它作為智能設備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上，作為網(wǎng)絡節(jié)點的智能設備連接為網(wǎng)絡系統(tǒng)，并進一步構(gòu)成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動化功能。4典型現(xiàn)場總線典型現(xiàn)場總線 自80年代以來，有幾種現(xiàn)場總線技術逐漸形成其影響，并在一些特定的應用領域顯示了自己的優(yōu)勢。它們具有各自的特點，也顯示了較強的生命力，對現(xiàn)場總線技術的發(fā)展已經(jīng)發(fā)揮并將繼續(xù)發(fā)揮較大的作用。 1 、PROFIBUS 2、 FF 3、 Lonworks 4、CAN 5、HART5現(xiàn)場總線在自動化系統(tǒng)中的位置6P

3、ROFIBUS現(xiàn)場總線概述 (1) PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其他領域自動化。 (2) PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA(Process Automation)、 PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。7 (3) PROFIBUS-DP：是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代辦24VD

4、C或4-20mA信號傳輸。 (4) PROFIBUS-PA：專為過程自動化設計，可使傳感器和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。 (5) PROFIBUS-FMS：用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實時多主網(wǎng)絡。 PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設備智能化提供了可行的解決方案。 8PROFIBUS傳輸技術 PROFIBUS提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型： 用于DP和FMS的RS485傳輸。 用于PA的IEC1158-2傳輸。 光纖9 用于DP/FMS

5、的RS485傳輸技術 由于DP與FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因而，這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時操作。 RS-485傳輸是PROFIBUS最常用的一種傳輸技術。這種技術通常稱之為H2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。 10RS-485傳輸技術基本特征 網(wǎng)絡拓撲：線性總線，兩端有有源的總線終端電阻。 傳輸速率：9.6K bit/s12M bit/s 介質(zhì)：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（EMC）。 站點數(shù)：每分段32個站（不帶中繼），可多到127個站（帶中繼）。 插頭連接：最好使用9針D型插頭。 11RS-485傳輸設備安裝要點 (1) 全部設備均與總線連接。 (2

6、) 每個分段上最多可接32個站（主站或從站）。 (3) 每段的頭和尾各有一個總線終端電阻，確保操作運行不發(fā)生誤差。兩個總線終端電阻必須永遠有電源。 (4) 當分段站超過32個時，必須使用中繼器用以連接各總線段。串聯(lián)的中繼器一般不超過3個。如圖所示： 12每個分段上最多可接32個站（主站或從站） 13 (5) 電纜最大長度取決于傳輸速率。如使用A型電纜，則傳輸速率與長度如下表 波特率（K bit/s）9.619.293.75187.5500150012000距離/段（M）120012001200100040020010014 (6) RS-485的傳輸技術的PROFIBUS網(wǎng)絡最好使用9針D型插

7、頭。(7) 當連接各站時，應確保數(shù)據(jù)線不要擰絞，系統(tǒng)在高電磁發(fā)射環(huán)境（如汽車制造業(yè)）下運行應使用帶屛蔽的電纜，屏蔽可提高電磁兼容性（EMC）。(8) 如用屏蔽編織線和屏蔽箔，應在兩端與保護接地連接，并通過盡可能的大面積屏蔽接線來復蓋，以保持良好的傳導性。另外建議數(shù)據(jù)線必須與高壓線隔離。(9) 超過500Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率時應避免使用短截線段，應使用市場上現(xiàn)有的插頭可使數(shù)據(jù)輸入和輸出電纜直接與插頭連接，而且總線插頭可在任何時候接通或斷開而并不中斷其它站的數(shù)據(jù)通信。15用于PA的IEC1158-2傳輸技術 (1) 數(shù)據(jù)IEC1158-2的傳輸技術用于PROFIBUS-PA，能滿足化工和石油

8、化工業(yè)的要求。它可保持其本征安全性，并通過總線對現(xiàn)場設備供電。 (2) IEC1158-2是一種位同步協(xié)議，通常稱為H1。 (3) IEC1158-2技術用于PROFIBUS-PA： 每段只有一個電源作為供電裝置。 當站收發(fā)信息時，不向總線供電。 每站現(xiàn)場設備所消耗的為常量穩(wěn)態(tài)基本電流。 現(xiàn)場設備其作用如同無源的電流吸收裝置。 主總線兩端起無源終端線作用。 允許使用線性、樹型和星型網(wǎng)絡。 為提高可靠性，設計時可采用冗余的總線段。 16IEC1158-2傳輸技術特性 傳輸速率：31.25K bit/s，電壓式。 電纜：雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式。 遠程電源供電：可選附件，通過數(shù)據(jù)線。 防爆型：能進

9、行本征及非本征安全操作。 拓撲：線型或樹型，或兩者相結(jié)合。 站數(shù)：每段最多32個，總數(shù)最多為126個。 中繼器：最多可擴展至4臺。17 IEC1158傳輸設備安裝要點 (1) 分段藕合器將IEC1158-2傳輸技術總線段與RS-485傳輸技術總線段連接。藕合器使RS-485信號與IEC1158-2信號相適配。它們?yōu)楝F(xiàn)場設備的遠程電源供電，供電裝置可限制IEC1158-2總線的電流和電壓。 (2) PROFIBUS-PA的網(wǎng)絡拓撲有樹型和線型結(jié)構(gòu)，或是兩種拓撲的混合 1819光纖傳輸技術 (1) PROFIBUS系統(tǒng)在電磁干擾很大的環(huán)境下應用時，可使用光纖導體，以增加高速傳輸?shù)木嚯x。 (2) 可

10、使用兩種光纖導體，一是價格低廉的塑料纖維導體，供距離小于50米情況下使用。另一種是玻璃纖維導體，供距離大于1公里情況下使用。 (3) 許多廠商提供專用總線插頭可將RS-485信號轉(zhuǎn)換成光纖導體信號或?qū)⒐饫w導體信號轉(zhuǎn)換成RS-485信號。 20PROFIBUS總線存取協(xié)議 (1) 三種PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過OSI參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實現(xiàn)的。它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術及傳輸協(xié)議和報文處理。 (2) 在PROFIBUS中，第二層稱之為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（Fieldbus Data Link-FDL）。介質(zhì)存取控制（Medium Acce

11、ss Control-MAC）具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，MAC必須確保在任何一個時刻只有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)。 21 (3) PROFIBUS協(xié)議的設計要滿足介質(zhì)存取控制的兩個基本要求： 在復雜的自動化系統(tǒng)（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時間間隔中，任何一個站點要有足夠的時間來完成通信任務。 在復雜的程序控制器和簡單的I/O設備（從站）間通信，應盡可能快速又簡單地完成數(shù)據(jù)的實時傳輸。 22PROFIBUS協(xié)議模型與ISO/OSI協(xié)議模型的關系23PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)24 PROFIBUS總線存取協(xié)議，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。(4) 令牌傳遞程序保證每個主站在一

12、個確切規(guī)定的時間內(nèi)得到總線存取權(quán)（令牌）。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。(5) 主站得到總線存取令牌時可與從站通信。每個主站均可向從站發(fā)送或讀取信息。 25S1S2S4S7S9S10M3M5M6M8令牌環(huán)令牌傳遞輪詢M:Master (active stations)S:Slave (passive stations)主站從站.26 在圖中，PROFIBUS總線上的主設備M3獲得令牌，即獲得了總線控制權(quán)，此時，主設備M3與M5進行數(shù)據(jù)傳遞，同時M3也可以與從設備S1、S2、S3等進行通信，M3對從設備進行循環(huán)查詢。當M3主站沒有需要發(fā)送的幀或在規(guī)定時間內(nèi)發(fā)送完了所需發(fā)送的幀

13、，或者M3的控制時間終了時，它就將主站令牌傳遞給下一個主站M5。以后，令牌在M5-M6-M8-M3之間進行傳遞。 27PROFIBUS-DP系統(tǒng)配置和設備類型 PROFIBUS-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。在同一總線上最多可連接126個站點。系統(tǒng)配置的描述包括：站數(shù)、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)格式、診斷信息格式及所使用的總線參數(shù)。每個PROFIBUS-DP系統(tǒng)可包括以下三種不同類型設備： (1) 一級DP主站（DPM1）：一級DP主站是中央控制器，它在預定的信息周期內(nèi)與分散的站（如DP從站）交換信息。典型的DPM1如PLC或PC 28 (2) 二級DP主站（DPM2）：二級DP

14、主站是編程器、組態(tài)設備或操作面板，在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。(3) DP從站：DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設備（I/O設備、驅(qū)動器、HMI、閥門等）。 (4) 單主站系統(tǒng)：在總線系統(tǒng)的運行階段，只有一個活動主站。 29電子設備數(shù)據(jù)文件（GSD） 為了將不同廠家生產(chǎn)的PROFIBUS產(chǎn)品集成在一起，生產(chǎn)廠家必須以GSD文件（電子設備數(shù)據(jù)庫文件）方式提供這些產(chǎn)品的功能參數(shù)（如I/O點數(shù)、診斷信息、波特率、時間監(jiān)視等）。標準的GSD數(shù)據(jù)將通信擴大到操作員控制級。使用根據(jù)GSD文件所作的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設備集成在同一總線系統(tǒng)中。 30 GSD文件可分為

15、三個部分： (1) 總規(guī)范：包括了生產(chǎn)廠商和設備名稱、硬件和軟件版本、波特率、監(jiān)視時間間隔、總線插頭指定信號。 (2) 與DP有關的規(guī)范：包括適用于主站的各項參數(shù)，如允許從站個數(shù)、上裝/下裝能力。 (3) 與DP從站有關的規(guī)范：包括了與從站有關的一切規(guī)范，如輸入/輸出通道數(shù)、類型、診斷數(shù)據(jù)等。 31網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 412-2DP 編程站 工程師站 操作員站以太網(wǎng)Profibus-DP總線315-2DPET200變頻器軟啟動觸摸屏DP/ASI網(wǎng)關 各控制對象ASI總線LOGOLOGO4I/4O 控制對象光電開關接近開關32 最上一層為SIEMENS工業(yè)以太網(wǎng)，該網(wǎng)絡上有兩臺計算機，分別為工程師站和操作

16、員站，工程師站安裝有監(jiān)控軟件組態(tài)王運行狗，負責整個監(jiān)控系統(tǒng)的運行；同時作為OPC服務器，負責與Profibus主站-西門子S7400系列可編程CPU412-2DP交換數(shù)據(jù)，使組態(tài)王的變量與PLC中的各個控制點關聯(lián)起來 33 工程師站、操作員站、CPU412-2DP是通過SIEMENS工業(yè)以太網(wǎng)電氣鏈路模塊（相當于HUB）6GV1 105-3AA0互相連接通訊；其中工程師站和操作員站分別裝有SIEMENS專用工業(yè)以太網(wǎng)卡CP1612；而CPU412-2DP則是通過CP443-1工業(yè)以太通訊模塊連接。（該模塊的作用相當于PLC的以太網(wǎng)卡），同時CPU412-2DP是OPC客戶端。在以太網(wǎng)中是通過各

17、站點的IP地址來標識身份的，本系統(tǒng)的IP地址分別為：工程師站：140.80.0.10操作員站：140.80.0.11 CP443-1：140.80.0.334 第二層為Profibus-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)，各站點是通過DP地址來標識身份的，本系統(tǒng)的各站點地址分別為：主站CPU412-2DP其DP地址為2，掛在DP總線上的各從站點分別：CPU315-2DP其DP：3 遠程I/O ET200M其DP：4，變頻器其DP：5，DP/ASI網(wǎng)關其DP地址為：6，CP5613其DP：0（系統(tǒng)規(guī)定，一般不允許更改），觸摸屏其DP：1（系統(tǒng)規(guī)定，一般不允許更改）35 第三層為ASI現(xiàn)場總線網(wǎng)，通過DP/ASI網(wǎng)關

18、（IM153）與DP網(wǎng)相連，該網(wǎng)關同時作為ASI主站，ASI總線的特點是結(jié)構(gòu)簡單，兩線信號即是電源回路也是信號回路（類似于兩線制傳感器的工作方式），可連接31個ASI從站，每站點最大傳輸點為4I/4O，比較適合于一些簡單的檢測器件和執(zhí)行機構(gòu)的組態(tài)，本系統(tǒng)中的ASI從站有以下幾個：帶ASI接口模塊的西門子LOGO兩塊，4I/4O模塊一塊，帶ASI接口的光電開關和接近開關各一只；一個LOGO用于控制挖土機，另一個用于控制天車；ASI各從站的地址通過專用的ASI手持編址器進行設定。 36西門子工業(yè)以太網(wǎng)西門子工業(yè)以太網(wǎng) 西門子工業(yè)以太網(wǎng)其本質(zhì)上與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)一樣，只是其硬件都是工業(yè)級專用，如網(wǎng)卡、網(wǎng)

19、線、鏈路模塊（HUB）等；PLC連接以太網(wǎng)是通過以太網(wǎng)通訊模塊來實現(xiàn)（如上所述），采用標準的TCP/IP通訊協(xié)議，10M帶寬，硬件結(jié)構(gòu)見下圖： 37PC Station 1CP1612PC Station 2CP1612S7400PLC以太網(wǎng)通訊模塊CP443-1鏈路模塊（HUB）6GV1 105-3AA0Profibus-DP38名稱型號備注地址PLCCPU412-2DP自帶DP口2PLCCPU315-2DP自帶DP口3遠程I/OET200M自帶DP口4遠程I/OET200M自帶DP口7變頻器MM420外置DP通訊模塊5網(wǎng)關IM-153自帶DP口6DP InterfaceCP5613自帶DP

20、口0OPMP270B自帶DP口139西門子CPU412-2DP和CPU315-2DP都帶有兩個通訊口，一個為MPI另一個為DP，在出廠時，新的PLC其MPI地址和DP地址都為2，因此在CPU首次使用時，若系統(tǒng)中DP總線上有兩個以上的CPU就必須先對每個CPU進行單獨DP地址設置，否則系統(tǒng)將報錯，地址重復。CP5613既可設置為DP也可設置為MPI，先將CP5613設置為MPI方式，然后用一根兩端裝有總線接頭的DP電纜（注：電纜和總線接頭MPI和DP是一樣的）一端插在CP5613上，另一端插在PLC的MPI口上，通過STEP7就可以和PLC連接上了，此時通訊占用MPI口，DP口被自由釋放，可以修

21、改地址。 40 本系統(tǒng)就是通過此方式將CPU412-2DP的DP地址設置為2，CPU315-2DP的DP地址設置為3，ET200M、變頻器的DP地址通過其自身撥碼開關設置，網(wǎng)關和觸摸屏可通過其設置按鍵設置。一般情況下，為保證系統(tǒng)的通訊可靠，修改DP的地址，DP的通訊速率等參數(shù)均采用系統(tǒng)的默認值（1.5Mbps），這樣一致性好，且不會出錯。41 當硬件連接好后，主要是通過STEP7軟件中的管理器來組態(tài)各硬件之間的關系。首先在管理器中建立各個站（這里主要是指建立各類型主站），本系統(tǒng)各類型主站分別為：S7300 Station、S7400 Station、PC Station (5613)、PC Station 1 (1612)、PC Station 2 (1612)，然后再分別對每個站進行硬件配置，此處必須與實物對應，包