PROFIBUS技術(shù)培訓(xùn)資料課件

PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)自動化教研室第一頁，共四十八頁。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?jǐn)?shù)據(jù)通信鏈路，是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。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(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線”。第二頁，共四十八頁?，F(xiàn)場總線是在生產(chǎn)現(xiàn)場、測控設(shè)備之間形成開放型測控網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個開放式通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布式控制系統(tǒng)。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上，作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補(bǔ)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。第三頁，共四十八頁。典型現(xiàn)場總線

自80年代以來，有幾種現(xiàn)場總線技術(shù)逐漸形成其影響，并在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域顯示了自己的優(yōu)勢。它們具有各自的特點(diǎn)，也顯示了較強(qiáng)的生命力，對現(xiàn)場總線技術(shù)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、FF3、Lonworks4、CAN5、HART第四頁，共四十八頁?，F(xiàn)場總線在自動化系統(tǒng)中的位置第五頁，共四十八頁。PROFIBUS現(xiàn)場總線概述(1)PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。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(lǐng)域自動化。

(2)PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）、PROFIBUS-PA(ProcessAutomation)、PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification)。第六頁，共四十八頁。(3)PROFIBUS-DP：是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號傳輸。

(4)PROFIBUS-PA：專為過程自動化設(shè)計，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)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(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實時多主網(wǎng)絡(luò)。

PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設(shè)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(luò)，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。第七頁，共四十八頁。PROFIBUS傳輸技術(shù)

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。

·光纖第八頁，共四十八頁。用于DP/FMS的RS485傳輸技術(shù)

由于DP與FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術(shù)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(shù)。這種技術(shù)通常稱之為H2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。第九頁，共四十八頁。RS-485傳輸技術(shù)基本特征

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌壕€性總線，兩端有有源的總線終端電阻。

·傳輸速率：9.6Kbit/s~12Mbit/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(diǎn)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。

第十頁，共四十八頁。RS-485傳輸設(shè)備安裝要點(diǎn)

(1)全部設(shè)備均與總線連接。

(2)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(yùn)行不發(fā)生誤差。兩個總線終端電阻必須永遠(yuǎn)有電源。

(4)當(dāng)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：第十一頁，共四十八頁。每個分段上最多可接32個站（主站或從站）第十二頁，共四十八頁。

(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（Kbit/s）9.619.293.75187.5500150012000距離/段（M）1200120012001000400200100第十三頁，共四十八頁。(6)RS-485的傳輸技術(shù)的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)最好使用9針D型插頭。

(7)當(dāng)連接各站時，應(yīng)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(yùn)行應(yīng)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(yīng)在兩端與保護(hù)接地連接，并通過盡可能的大面積屏蔽接線來復(fù)蓋，以保持良好的傳導(dǎo)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(yīng)避免使用短截線段，應(yīng)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。第十四頁，共四十八頁。用于PA的IEC1158-2傳輸技術(shù)

(1)數(shù)據(jù)IEC1158-2的傳輸技術(shù)用于PROFIBUS-PA，能滿足化工和石油化工業(yè)的要求。它可保持其本征安全性，并通過總線對現(xiàn)場設(shè)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(shù)用于PROFIBUS-PA：

·每段只有一個電源作為供電裝置。

·當(dāng)站收發(fā)信息時，不向總線供電。

·每站現(xiàn)場設(shè)備所消耗的為常量穩(wěn)態(tài)基本電流。

·現(xiàn)場設(shè)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(luò)。

·為提高可靠性，設(shè)計時可采用冗余的總線段。

第十五頁，共四十八頁。IEC1158-2傳輸技術(shù)特性

·傳輸速率：31.25Kbit/s，電壓式。

·電纜：雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式。

·遠(yuǎn)程電源供電：可選附件，通過數(shù)據(jù)線。

·防爆型：能進(jìn)行本征及非本征安全操作。

·拓?fù)洌壕€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(kuò)展至4臺。第十六頁，共四十八頁。IEC1158傳輸設(shè)備安裝要點(diǎn)(1)分段藕合器將IEC1158-2傳輸技術(shù)總線段與RS-485傳輸技術(shù)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(shè)備的遠(yuǎn)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(luò)拓?fù)溆袠湫秃途€型結(jié)構(gòu)，或是兩種拓?fù)涞幕旌系谑唔?，共四十八頁。第十八頁，共四十八頁。光纖傳輸技術(shù)

(1)PROFIBUS系統(tǒng)在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時，可使用光纖導(dǎo)體，以增加高速傳輸?shù)木嚯x。

(2)可使用兩種光纖導(dǎo)體，一是價格低廉的塑料纖維導(dǎo)體，供距離小于50米情況下使用。另一種是玻璃纖維導(dǎo)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(dǎo)體信號或?qū)⒐饫w導(dǎo)體信號轉(zhuǎn)換成RS-485信號。第十九頁，共四十八頁。PROFIBUS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(shù)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（FieldbusDataLink-FDL）。介質(zhì)存取控制（MediumAccessControl-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(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

第二十頁，共四十八頁。(3)PROFIBUS協(xié)議的設(shè)計要滿足介質(zhì)存取控制的兩個基本要求：

·在復(fù)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(diǎn)要有足夠的時間來完成通信任務(wù)。

·在復(fù)雜的程序控制器和簡單的I/O設(shè)備（從站）間通信，應(yīng)盡可能快速又簡單地完成數(shù)據(jù)的實時傳輸。第二十一頁，共四十八頁。PROFIBUS協(xié)議模型與ISO/OSI協(xié)議模型的關(guān)系第二十二頁，共四十八頁。PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)第二十三頁，共四十八頁。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(jìn)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。第二十四頁，共四十八頁。第二十五頁，共四十八頁。在圖中，PROFIBUS總線上的主設(shè)備M3獲得令牌，即獲得了總線控制權(quán)，此時，主設(shè)備M3與M5進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，同時M3也可以與從設(shè)備S1、S2、S3等進(jìn)行通信，M3對從設(shè)備進(jìn)行循環(huán)查詢。當(dāng)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，或者M(jìn)3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(jìn)行傳遞。第二十六頁，共四十八頁。PROFIBUS-DP系統(tǒng)配置和設(shè)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(diǎn)。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(shè)備：

(1)一級DP主站（DPM1）：一級DP主站是中央控制器，它在預(yù)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第二十七頁，共四十八頁。(2)二級DP主站（DPM2）：二級DP主站是編程器、組態(tài)設(shè)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(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備（I/O設(shè)備、驅(qū)動器、HMI、閥門等）。(4)單主站系統(tǒng)：在總線系統(tǒng)的運(yùn)行階段，只有一個活動主站。第二十八頁，共四十八頁。電子設(shè)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(shè)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(diǎn)數(shù)、診斷信息、波特率、時間監(jiān)視等）。標(biāo)準(zhǔn)的GSD數(shù)據(jù)將通信擴(kuò)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(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中。

第二十九頁，共四十八頁。GSD文件可分為三個部分：

(1)總規(guī)范：包括了生產(chǎn)廠商和設(shè)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(guān)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(guān)的規(guī)范：包括了與從站有關(guān)的一切規(guī)范，如輸入/輸出通道數(shù)、類型、診斷數(shù)據(jù)等。第三十頁，共四十八頁。網(wǎng)絡(luò)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(guān)

各控制對象ASI總線LOGOLOGO4I/4O

控制對象光電開關(guān)接近開關(guān)第三十一頁，共四十八頁。最上一層為SIEMENS工業(yè)以太網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)上有兩臺計算機(jī)，分別為工程師站和操作員站，工程師站安裝有監(jiān)控軟件《組態(tài)王》運(yùn)行狗，負(fù)責(zé)整個監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行；同時作為OPC服務(wù)器，負(fù)責(zé)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(diǎn)關(guān)聯(lián)起來第三十二頁，共四十八頁。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(dāng)于HUB）6GV1105-3AA0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(dāng)于PLC的以太網(wǎng)卡），同時CPU412-2DP是OPC客戶端。在以太網(wǎng)中是通過各站點(diǎn)的IP地址來標(biāo)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：140.80.0.11CP443-1：140.80.0.3第三十三頁，共四十八頁。第二層為Profibus-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)，各站點(diǎn)是通過DP地址來標(biāo)識身份的，本系統(tǒng)的各站點(diǎn)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(diǎn)分別：CPU315-2DP其DP：3遠(yuǎn)程I/OET200M其DP：4，變頻器其DP：5，DP/ASI網(wǎng)關(guān)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）第三十四頁，共四十八頁。第三層為ASI現(xiàn)場總線網(wǎng)，通過DP/ASI網(wǎng)關(guān)（IM153）與DP網(wǎng)相連，該網(wǎng)關(guān)同時作為ASI主站，ASI總線的特點(diǎn)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(diǎn)最大傳輸點(diǎn)為4I/4O，比較適合于一些簡單的檢測器件和執(zhí)行機(jī)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(guān)和接近開關(guān)各一只；一個LOGO用于控制挖土機(jī)，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(jìn)行設(shè)定。第三十五頁，共四十八頁。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)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(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP通訊協(xié)議，10M帶寬，硬件結(jié)構(gòu)見下圖：第三十六頁，共四十八頁。PCStation1CP1612PCStation2CP1612S7400PLC以太網(wǎng)通訊模塊CP443-1鏈路模塊（HUB）6GV1105-3AA0Profibus-DP第三十七頁，共四十八頁。名稱型號備注地址PLCCPU412-2DP自帶DP口2PLCCPU315-2DP自帶DP口3遠(yuǎn)程I/OET200M自帶DP口4遠(yuǎn)程I/OET200M自帶DP口7變頻器MM420外置DP通訊模塊5網(wǎng)關(guān)IM-153自帶DP口6DPInterfaceCP5613自帶DP口0OPMP270B自帶DP口1第三十八頁，共四十八頁。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(jìn)行單獨(dú)DP地址設(shè)置，否則系統(tǒng)將報錯，地址重復(fù)。CP5613既可設(shè)置為DP也可設(shè)置為MPI，先將CP5613設(shè)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，可以修改地址。

第三十九頁，共四十八頁。本系統(tǒng)就是通過此方式將CPU412-2DP的DP地址設(shè)置為2，CPU315-2DP的DP地址設(shè)置為3，ET200M、變頻器的DP地址通過其自身撥碼開關(guān)設(shè)置，網(wǎng)關(guān)和觸摸屏可通過其設(shè)置按鍵設(shè)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(rèn)值（1.5Mbps），這樣一致性好，且不會出錯。第四十頁，共四十八頁。當(dāng)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(guān)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：S7300Station、S7400Station、PCStation(5613)、PCStation1(1612)、PCStation2(1612)，然后再分別對每個站進(jìn)行硬件配置，此處必須與實物對應(yīng)，包括具體的槽位、各組件的產(chǎn)品序列號等，當(dāng)配置PLC的CPU時，系統(tǒng)會自動提示網(wǎng)絡(luò)選擇。第四十一頁，共四十八頁。注意：本系統(tǒng)的DP主站CPU412-2DP，而CPU315-2DP也是主站類型PLC，在硬件設(shè)置時要將其改為從站，此時系統(tǒng)會要求你選擇和主站的數(shù)據(jù)交換方式，選擇MS方式，即主從方式，再設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換區(qū)間以及長度，這里的交換區(qū)間是指PI和PQ，S7300和S7400都有此兩個稱之為外部輸入輸出的交換區(qū)，交換數(shù)據(jù)的方式是交叉的，區(qū)間定義好了后，S7300和S7400的數(shù)據(jù)交換就會通過DP總線自動進(jìn)行