ProfiBus通訊原理詳解解析.ppt

1、,P R O F I B U S,現(xiàn)場總線技術(shù),ProfiBus(Process field Bus)通訊簡介,作為眾多現(xiàn)場總線家族的成員之一，ProfiBus是在歐洲工業(yè)界得到最廣泛應(yīng)用的一個現(xiàn)場總線標準，它既符合德國標準DIN19345及歐洲標準EN50170，同時也于2000年成為國際標準IEC61158的組成部份，是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標準之一。 ProfiBus是屬于單元級、現(xiàn)場級的SIMITAC網(wǎng)絡(luò)，適用于傳輸中、小量的數(shù)據(jù)。其開放性可以允許眾多的廠商開發(fā)各自的符合ProfiBus協(xié)議的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以連接在同一個ProfiBus網(wǎng)絡(luò)上。 Profibus是在1987年由Si

2、mens等13家企業(yè)和5家科研機構(gòu)在德國聯(lián)邦研技部的資助下，聯(lián)合研究開發(fā)的開放式現(xiàn)場總線標準。 ProfiBus是一種電氣網(wǎng)絡(luò)，物理傳輸介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線、光纖、無線傳輸。,ProfiBus主要有三部分組成，包括：ProfiBus-DP、ProfiBus-PA、 ProfiBus-FMS ，簡稱DP、PA和FMS ProfiBus-DP（H2）是一種經(jīng)優(yōu)化的高速低成本通信，專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間的通信設(shè)計 ProfiBus-PA(H1)是專為過程自動化設(shè)計，提供本安傳輸技術(shù)，可使傳感器和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)在一根總線上，主要用于現(xiàn)場設(shè)備層的總線 ProfiBus-FMS主要用于車間級監(jiān)

3、控網(wǎng)絡(luò)，解決車間級通用性通信任務(wù)，是一個令牌結(jié)構(gòu)的實時多主網(wǎng)絡(luò) 一般將DP和FMS混合使用 Profibus 的三個兼容產(chǎn)品，使得Profibus 既適合于自動化系統(tǒng)與現(xiàn)場I/o單元的通訊，也可用于直接連接帶接口的變送器、執(zhí)行器、傳動裝置和其它現(xiàn)場儀表對現(xiàn)場信號進行采集和監(jiān)控。,通 信 透 明 從 傳 感 器執(zhí) 行 器 到 區(qū) 域 控 制 器,Ethernet/TCP/IP,TCP/IP/Ethernet,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-DP,PROFIBUS-PA,工廠級,總線 循環(huán)時間 1000 ms,車間級,總線 循環(huán)時間 100 ms,現(xiàn)場級,總線 循環(huán)時間 10 ms,P

4、LC,其它技術(shù)特點,信號線可用設(shè)備電源線。 每條總線區(qū)段可連接32個設(shè)備，不同區(qū)段用中繼器連接。 傳輸速率可在9.6kB/S12MB/S間選擇。 傳輸介質(zhì)可以用金屬雙絞線或光纖。 提供通用的功能模塊管理規(guī)范。 在一定范圍內(nèi)可實現(xiàn)相互操作。 提供系統(tǒng)通信管理軟件(包括波形識別、速率識別和協(xié)議識別等功能)。 提供244字節(jié)報文格式，提供通信接口的故障安全模式(當IO故障時輸出全為零)。,EN 50170 Volume 2,Device Profiles Application Profiles,過程自動化,PROFIBUS-PA IEC 1158-2,- 總 線 供 電 - 本 質(zhì) 安 全,PRO

5、FIBUS 簇,工廠自動化,PROFIBUS-DP RS 485 / FO,- 即 插 即 用 - 高 效、廉 價,快速,通用目的自動化,PROFIBUS-FMS RS 485 / FO,- 大 范 圍 的 應(yīng) 用 - 多 主 通 信,通用,面向應(yīng)用,1. Profibus 基本特征,一. 協(xié)議結(jié)構(gòu) Profibus現(xiàn)場總線是目前應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線技術(shù)之一。DP和PA的完美結(jié)合使得Profibus現(xiàn)場總線在結(jié)構(gòu)和性能上優(yōu)越于其它現(xiàn)場總線 Profibus 既適合于自動化系統(tǒng)與現(xiàn)場I/o單元的通訊，也可用于直接連接帶接口的變送器、執(zhí)行器、傳動裝置和其它現(xiàn)場儀表對現(xiàn)場信號進行采集和監(jiān)控。并且用一

6、對雙絞線替代了傳統(tǒng)的大量的傳輸電纜，大量節(jié)省了電纜的費用，也相應(yīng)節(jié)省了施工調(diào)試以及系統(tǒng)投運后的維護時間和費用 Profibus協(xié)議以O(shè)SI為參考模型，其協(xié)議結(jié)構(gòu)如下圖所示,PROFIBUS 協(xié)議符合 ISO/OSI 的開放系統(tǒng)參考模型,FMS的協(xié)議結(jié)構(gòu),FMS定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層和用戶接口，三到六層未加描述 物理層提供了光纖和RS485二種傳輸技術(shù) 數(shù)據(jù)鏈路層完成總線的存取控制并保證數(shù)據(jù)的可靠性 應(yīng)用層定義了低層接口LLI和現(xiàn)場總線信息規(guī)范FMS LLI的作用是協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不信賴設(shè)備的第二層訪問接口，F(xiàn)MS提供了范圍廣泛的功能來保證它的普遍應(yīng)用 在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，具體

7、需要的功能范圍必須與具體應(yīng)用要求要適應(yīng)，這些適應(yīng)性定義稱之為行規(guī)，行規(guī)提供了設(shè)備的可互換性，保證不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備具有相同的通信功能 FMS在用戶接口中規(guī)定了相應(yīng)的用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，定義了現(xiàn)場設(shè)備行為的行規(guī),DP定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和用戶接口，三至七層未加描述 這種結(jié)構(gòu)是為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖儆行У剡M行 DP中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層與FMS中的定義完全相同，二者采用了相同的傳輸技術(shù)（光纖或RS485傳輸）和統(tǒng)一的總線控制協(xié)議（報文格式），直接數(shù)據(jù)鏈路映像DDLM為用戶接口與數(shù)據(jù)鏈路層之間的信息交換提供了方便。 用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細

8、說明了各種不同DP行規(guī),DP的協(xié)議結(jié)構(gòu),PA的協(xié)議結(jié)構(gòu),PA主要應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，可以把測量變送器、閥門、執(zhí)行機構(gòu)用一根總線連接起來 PA數(shù)據(jù)傳輸采用擴展的DP協(xié)議，只是在上層增加了描述現(xiàn)場設(shè)備行為的PA行規(guī) 簡單的說，PA就相當于DP通信協(xié)議加上最適合現(xiàn)場儀表的傳輸協(xié)議IEC1158-2 根據(jù)IEC1158-2標準，PA可通過總線給現(xiàn)場設(shè)備供電，并可確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋举|(zhì)安全性 當使用分段耦合器，PA裝置能很方便的連接到DP網(wǎng)絡(luò),二 傳輸技術(shù),現(xiàn)場總線系統(tǒng)的應(yīng)用在很大程度上取決于選擇哪種傳輸技術(shù) 除了傳輸可靠性、傳輸速度、傳輸距離等通用的要求以外，考慮一些使用的靈活性及其它一些機電因素也十分重

9、要 例如，當應(yīng)用于過程自動化時，特別是涉及本質(zhì)安全防爆的應(yīng)用場合，數(shù)據(jù)和電源在同一根總線上傳輸就很有必要 由于單一的傳輸技術(shù)不可能滿足所有要求，因此Profibus提供了RS485傳輸、IEC1158-2傳輸和光纖傳輸三種類型,三種有效的傳輸技術(shù),PROFIBUS 使用兩端有終端的總線拓撲 在運行期間，接入和斷開一個或幾個站不會影響其他站的工作，即使 在本質(zhì)安全區(qū)也如此。,提供三種不同的物理層選擇:,RS 485: 用于 DP 和 FMS IEC 1158-2: 用于 PA 光纖: 用于 DP 和 FMS,站 1,.,站 n,（1）RS485傳輸技術(shù),RS485傳輸用于PROFIBUS-DP和

10、PROFIBUS FMS,通常稱之為H2 總線電纜在EN50170標準中規(guī)定為A型屏蔽雙絞銅芯電纜，其最大允許的長度與傳輸速率是直接相關(guān)的 RS485傳輸技術(shù)的基本特征，A型導線的特性，參數(shù)以及傳輸速率與總線長度的關(guān)系分別如下表所示,RS485傳輸?shù)幕咎卣骱虯型導線的特性參數(shù),傳輸速率與A型電纜總線長度的關(guān)系,PROFIBUS 電纜要求 - RS 485,參數(shù)電纜類型 A 電纜設(shè)計 屏蔽雙絞電纜 浪涌阻抗 135 . 165 回路電阻 110 / km 線徑0.64 mm 線截面積 0.34 mm 每單位長度的電容 30 pF / m, PROFIBUS 電纜被列在 PROFIBUS 電子產(chǎn)

11、品指南中。,A型屏蔽雙絞電纜,9 針D 型連接器的針腳分配 （為RS 485用）,對 PROFIBUS-DP/FMS 提供的連接器類型是9 針 D 型連接器 插座部分被安裝在設(shè)備上 如果其他連接器能提供必要的命令信號的話，也允許使用,表 9 針D 型連接器的針腳分配,9針D型插頭外觀,RS 485傳輸設(shè)備安裝 要點(1),電纜接線,A型電纜的總線終端器,* 注: 中繼器沒有站地址，但它們被計算在每段的最多站數(shù)中,*終羰電阻供電電源 +5V,數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，即 +5V地,全部設(shè)備均與總線連接 每個分段上最多可接32個站 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

12、須一直有電源 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四個 電纜的最大長度取決于傳輸速度.一旦設(shè)備投入運行，全部設(shè)備均需選用同一傳輸速度。,安裝 RS 485 (2),VP,B,A,DGND,第一個站,總線終端,最后一個站,總線終端,VP,B,A,DGND,數(shù)據(jù)線 B,數(shù)據(jù)線 A,B,B,A,A,站 2,站 3,總線的連接示意圖,為了在高電磁輻射環(huán)境下獲得良好的抗干擾性能，可以使用帶屏蔽的數(shù)據(jù)傳輸電纜，屏蔽電纜兩端的屏蔽編織箔必須與地線連接，并通過盡可能大面積的屏蔽接線來覆蓋。此外，在鋪設(shè)過程中建議把數(shù)據(jù)線和高壓線隔離,拓樸,這里提供的拓撲是總線型拓撲 在總

13、線的開頭和結(jié)尾必須有終端 一段可以由最多 32 個站*組成,終端,終端,終端,2,3,30,31,62,61,33,32,(PROFIBUS 支持總線型，樹型和星型拓撲),終端,中繼器,中繼器,* 注: 中繼器沒有站地址，但它們被計算在每段的最多站數(shù)中,站 1,在一個PROFIBUS 系統(tǒng)中最大可連接126個站，總線系統(tǒng)分為若干段，每個分段最多可連接32個站（主站和從站），每段的頭尾都需要一個永遠有源的總線連接器，標準的總線連接器用一個開關(guān)來控制終端電阻。兩個總線終端必須一直有電源 如果總線上超過32個站點，各個總線分段之間用中繼器（線路放大器）連接，中繼器也計數(shù)為其中的一個站點 作為被動的總

14、線站，中繼器的作用是保證能明確識別與之連接站點之間所交換的數(shù)據(jù) 如果PROFIBUS總線要覆蓋更長的距離，中間可建立連接段，連接段內(nèi)不掛接任何站點 一般情況下，建議使用的中繼器不超過四個,RS 485 的屏蔽 / 接地,詳細的安裝指示在PROFIBUS-DP / FMS 的安裝導則中說明， 訂單號 2.112,數(shù)據(jù)電纜,接地電纜,從,從,主,接地線,數(shù)據(jù)電纜,接地線,接地線,RS-485 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位順序,每個八位二進制數(shù)（字節(jié)）按 11 位的順序被傳輸 最小的有效位 (LSB) 被第一個發(fā)送 最大的有效位 (MSB) 被最后發(fā)送 每個八位二進數(shù)都補充三位，即開始、終止和奇偶校驗位 此編碼原理

15、稱非歸零碼NRZ （即 Non Return to Zero）,開始 1 2 3 4 5 6 7 8 奇偶 終止 開始 校驗,根據(jù)IEC1158-2的傳輸技術(shù)用于PROFIBUS-PA，能滿足石油和化工工業(yè)要求，它可保證其本質(zhì)安全，并通過總線對現(xiàn)場設(shè)備供電。IEC1158-2是一種位同步協(xié)議，其技術(shù)特性如下： 本質(zhì)安全 (可選) 和通過總線對站供電 (可選) ，能滿足化工和石油化工業(yè)的要求 同步 Manchester 編碼, ，可進行無電流的連接傳輸，通常稱為H1 傳輸速度：31.25 kBit/s（kbps), 電壓式 數(shù)據(jù)可靠性：前同步信號，采用起始和終止限定符避免誤差 電纜： 屏蔽或非屏

16、蔽的雙絞電纜 網(wǎng)絡(luò)拓撲： 總線型 、樹型或兩者相結(jié)合、星型 站點數(shù)最多 127 個站, 每段 10-32 個設(shè)備 (依賴于 EX-類型和供電消耗) 距離： 每段距離達 1900 米，用中繼器可延長到 10 公里,用于PA的IEC1158-2傳輸技術(shù),PROFIBUS 電纜要求 - IEC 1158-2,電纜設(shè)計:屏蔽雙絞電纜 導線面積:0.8毫米2(AWG 18) 回路電阻: 44 / km 阻抗 （在31.25 KHz時）:100 +/- 20% 衰減 （在39 KHz時）:3dB / km 每單位長度的電容: 2nF / km,對 IEC 1158-2 傳輸?shù)碾娎|被列在 PROFIBUS

17、電子產(chǎn)品指南中,冗余性提高了系統(tǒng)的可靠性,若干種接口給予了冗余系統(tǒng)的可能,光纖段給予了冗余電線的能力,PROFIBUS-DP,每個測量點 兩個設(shè)備,系統(tǒng)冗余,介質(zhì)冗余,IEC1158-2傳輸技術(shù)總線段與RS485傳輸技術(shù)總線段連接,基于IEC1158-2傳輸技術(shù)總線段與基于RS485傳輸技術(shù)總線段可以通過耦合裝置相連，耦合器使RS485信號和IEC1158-2信號相適配。每段通常配一個電源裝置，電源裝置經(jīng)耦合器和PA總線為現(xiàn)場設(shè)備提供電源，這種供電方式可以限制IEC1158-2總線段上的電流和電壓。如果需要外接電源設(shè)備，根據(jù)EN5020標準必須用適當?shù)母綦x裝置 ，將總線供電設(shè)備與外接電源設(shè)備連

18、接在本質(zhì)安全總線上。,IEC1158-2標準供電裝置及傳輸設(shè)備的線路長度,PA使用的傳輸介質(zhì)是雙絞線電纜，可以使用下表所列的IEC1158-2傳輸技術(shù)的參考電纜規(guī)格，也可使用更粗截面導體的其它電纜,IEC1158-2傳輸技術(shù),連接到一個端的站點數(shù)量最多限于32個 如果使用本質(zhì)安全型總線供電方式，總線上最大供電電壓和電大供電電流均具有明確的規(guī)定 按防爆等級和總線供電裝置，總線上的站點數(shù)量也將受到限制 為此，PROFIBUS-PA總線段的設(shè)計應(yīng)遵循 根據(jù)現(xiàn)場儀表的型號和數(shù)量初步計算所需要的電流 根據(jù)現(xiàn)場的防爆要求和電源裝置的功率要求選擇合適的電源裝置 根據(jù)現(xiàn)場對總線長度的要求確定電纜類型,（3）光

19、纖傳輸技術(shù),PROFIBUS系統(tǒng)要橋接更長的距離或在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時，可使用光纖導體（塑料和玻璃）傳輸。 光鏈路插頭可以實現(xiàn)RS485信號和光纖導體信號的相互轉(zhuǎn)換，價格低廉的塑料纖維導體適用于50米以內(nèi)的信號傳輸，玻璃纖維導體供電離小于1公里情況下使用 為此，用戶可十分方便地在PROFIBUS系統(tǒng)同時使用RS485傳輸技術(shù)和光纖傳輸技術(shù),三、總線存取協(xié)議,PROFIBUS 總線均使用單一的總線存取協(xié)議， 通過參考模型的第2層（數(shù)據(jù)鏈路層）實現(xiàn)，包括 數(shù)據(jù)可靠性以及傳輸協(xié)議和報文的處理 媒體訪問控制（MAC）具體控制數(shù)據(jù)傳輸，并確保在任何時刻只有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù) PROFIBUS總線存

20、取協(xié)議的設(shè)計必須滿足MAC控制的兩個基本要求，即： 在復雜的自動化系統(tǒng)（主站）間通信，必須保證在確切的限定時間間隔內(nèi)，任何一個站點有足夠的時間來完成通信任務(wù) 在復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,PROFIBUS 總線訪問協(xié)議（第二層）對三種PROFIBUS 版本 (FMS/DP/PA)均相同 這使通信透明和FMS/DP/PA 網(wǎng)絡(luò)區(qū)域容易組合 因為 FMS/DP 使用相同的物理介質(zhì) (RS-485/FO) ，因此它們能組合在同一根電纜上。 PRIFIBUS總線存取協(xié)議包括主站之間的令牌傳遞方式 和主站與從站之間的主從方式，如下圖所示,PR

21、OFIBUS 總線存取協(xié)議,總線存取協(xié)議示意圖,主從方式允許主站在得到這些存取令牌時可與從站通信，每個主站均可向從站發(fā)送或索取信息 當某主站得到令牌后，該主站可在一定的時間內(nèi)執(zhí)行主站的工作，在這段時間內(nèi)，它可依照 主-從關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主-主關(guān)系表與其它主站通信,令牌傳遞程序保證了每個主站在一個確定的時間內(nèi)得到令牌，令牌只在主站之間通信時使用,P R O F I B U S -DP,DP概述,PROFIBUS-DP主要用于現(xiàn)場設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)傳輸 DP除了安裝簡單之外，它具有很高的傳輸速率 、多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（總線型、星型、環(huán)型）以及可選的光纖雙環(huán)冗余 在這一級，中央控制器（主站

22、）通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備（從站）進行通信,PROFIBUS-DP 的特點:,代替 PLC/PC 與 I/O 之間昂貴的電線 快速，傳輸 1 千字節(jié)的輸入數(shù)據(jù)和 1千字節(jié)的輸出數(shù)據(jù)所需時間2 ms 強有力的工具，減少組態(tài)和維護費用 被所有主要的 PLC 制造商支持 有廣泛的產(chǎn)品: PLC, PC, I/O, 驅(qū)動器, 閥, 編碼器等 允許周期性和非周期性的數(shù)據(jù)傳輸 單主和多主網(wǎng)絡(luò) 每個站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最多可達 244 字節(jié),1設(shè)備類型,PROFIBUS具體說明了串行現(xiàn)場總線的技術(shù)和功能特征，它可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場底層到車間級網(wǎng)絡(luò)化，該系統(tǒng)分為主站和從站 主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，

23、當主站得到總線控制權(quán)（令牌）時，不用外界請求就可以主動發(fā)送信息，它可分為DPM1和DPM2,（1）一類主站DPM1,DPM1相當于完成自動控制的中央控制器，如PLC、PC或可做一類主站的控制器，主要完成通信控制與管理 當DPM1取得令牌時，在規(guī)定的信息周期內(nèi)可依據(jù)通信關(guān)系表進行主-從或主-主通信，可周期性地通過循環(huán)和非循環(huán)與分散的從站交換信息,（2）二類DP主站DPM2,DPM2是指操作員工作站，是可進行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備，如編程器、操作面板等 DPM2主要用于系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)試和監(jiān)視目的，它們可以通過非循環(huán)與DPM1和從站交換數(shù)據(jù),（3）DP從站,DP從站是支持DP協(xié)議的智能現(xiàn)場儀表或智能型

24、I/O設(shè)備，它們沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給予確認或當主站發(fā)出請求時向主站發(fā)送信息 DP從站是更接近于底層的現(xiàn)場設(shè)備 ，它們負責執(zhí)行主站的輸出命令，并向主站提供 從現(xiàn)場傳感器采集到的輸入信號或其它輸入信號 常見的DP從站包括PLC、分散型的I/O、驅(qū)動器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備,設(shè)備類型,PROFIBUS可支持單主站系統(tǒng)也支持多主站系統(tǒng),2基本DP功能,基本功能有： 傳輸技術(shù)：RS485傳輸，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、雙線電纜或光纜 MAC協(xié)議：主站之間是令牌傳遞，主站和從站之間是主從傳遞 站地址：0126，其中126只能用于投運目的，不可用于數(shù)據(jù)交換 傳輸速率：9.6kbps12Mbp

25、s,通信：點對點方式循環(huán)傳輸(用戶數(shù)據(jù)傳送)或廣播方式(控制指令)?？蛇M行循環(huán)或非循環(huán)通信。 主站循環(huán)地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時間必須要比中央控制器（PLC）的程序循環(huán)時間短，在很多應(yīng)用場合，程序循環(huán)時間約為10ms。 一般來說，DPM1與從站之間的通信（I/O數(shù)據(jù)交換)是循環(huán)的（用戶數(shù)據(jù)），和DPM2有關(guān)的通信是非循環(huán)的（報警、診斷或參數(shù)設(shè)定）。 總線冗余：采用光學鏈路模塊OLM和光纖構(gòu)成雙環(huán)冗余,行為模式和診斷功能 DP規(guī)范包括了對系統(tǒng)行為的詳細描述以保證設(shè)備的互換性，系統(tǒng)行為主要取決于DPM1的操作狀態(tài)，這些狀態(tài)由本地或總體的配置設(shè)備所控制，主要有以下三種

26、狀態(tài) 運行-DPM1處于數(shù)據(jù)傳輸階段，DPM1從DP從站讀取輸入信息并向從站寫入輸出信息 清除-DPM1讀取DP從站的輸入信息并使輸出信息保持在故障安全狀態(tài) 停止-只能進行主-主數(shù)據(jù)傳送，DPM1和DP從站之間沒有數(shù)據(jù)傳送,行為模式和診斷功能,此外，為達到安全可靠的目的，有必要對PROFIBUS-DP系統(tǒng)提供有效的保護功能，以防止出現(xiàn)傳輸差錯或傳輸設(shè)備發(fā)生故障。在DP主站和DP從站中均帶有監(jiān)視定時器，定時器間隔時間在組態(tài)時加以確定。 DPM1使用數(shù)據(jù)控制定時器對從站的數(shù)據(jù)傳輸進行監(jiān)視，在規(guī)定的監(jiān)視時間間隔中，如數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生差錯，定時器會超時，用戶DPM1將根據(jù)用戶設(shè)定的錯誤自動反應(yīng)功能決定下一

27、步的處理。 DP從站使用看門狗控制器（WDT）檢測主站和傳輸線路的故障，如果在一定的時間間隔內(nèi)發(fā)現(xiàn)沒有與主站的數(shù)據(jù)通信，從站自動將其輸出進入故障安全狀態(tài),典型的PROFIBUS-DP 系統(tǒng),主站,一個典型的 PROFIBUS-DP 系統(tǒng)的組成: 一個 PLC/PC 作為中央控制器 各種外圍設(shè)備，如: 數(shù)字或模擬 I/O AC 或 DC 驅(qū)動器 電磁或氣動閥 人機界面 (HMI),PROFIBUS-DP,PLC,從站,從站,從站,從站,RS 485 up to 12 MBit/s,PLC,3、擴展DP功能,DP擴展功能是面向連接的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，它允許主站之間非循環(huán)的通信功能 在過程自動化系統(tǒng)中，

28、除了周期性的高速數(shù)據(jù)傳輸以外，許多信息往往只在需要時才進行數(shù)據(jù)交換，如DPM2非循環(huán)存取現(xiàn)場控制設(shè)備的參數(shù)測量值等，DP擴展功能滿足了過程自動化系統(tǒng)中非周期性的數(shù)據(jù)傳輸要求 相對于高速循環(huán)的用戶數(shù)據(jù)傳輸而言，非循環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸具有較低的優(yōu)先權(quán),（1）一類主站DPM1與DP從站的擴展數(shù)據(jù)通信,在這種數(shù)據(jù)通信的服務(wù)順序中，DPM1與從站間先建立 鏈接，該鏈接稱為MSAC-C1，它與主從站之間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸緊密連接在一起 當鏈接成功建立以后，DPM1就可以通過MSCY-C1鏈接來執(zhí)行循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸，也可以通過MSAC-C1鏈接來執(zhí)行非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸 帶直接數(shù)據(jù)鏈路映像的非循環(huán)讀/寫功能 報警響應(yīng),（2）二

29、類主站DPM2與從站間的非循環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸,DP擴展功能允許一個或幾個診斷或操作員控制設(shè)備（DPM2）對DP從站的任何數(shù)據(jù)塊進行非循環(huán)讀/寫服務(wù)。這也是一種面向鏈接的通信功能，稱為MSAC-C2 新的DDLM-Initiate服務(wù)用于在用戶數(shù)據(jù)傳輸開始之前建立連接，從站用確認應(yīng)答DDLM-Initiate.res確認鏈接成功 鏈接成功以后，在通過DDLM讀寫服務(wù)過程中，允許任何長度的間歇 如果連接監(jiān)視器監(jiān)視到故障，將自動終止主站和從站的連接,4 電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件,為了要明確識別PROFIBUS產(chǎn)品，生產(chǎn)廠家必須以電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件GSD方式將一類DP主站和DP從站的功能參數(shù)（如I/O點數(shù)、診斷

30、信息、波特率、時間監(jiān)視等，這些參數(shù)對于每種設(shè)備類型和制造商來說均有差別）進行說明，使用根據(jù)GSD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 GSD文件實現(xiàn)了設(shè)備的即插即用,GSD是一種準確定義的格式描述，每一種設(shè)備均有一個GSD文件。使用組態(tài)軟件時，把設(shè)備的GSD文件copy至相應(yīng)的目錄下，即可把此設(shè)備放至網(wǎng)絡(luò)中。 GSD文件可分為三個部份 一般規(guī)范：包括生產(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、總線插頭的信號分配 與DP主設(shè)備有關(guān)的規(guī)范，包括適用于主站的各項參數(shù) ，如允許連接從站的個數(shù)、上裝/下裝能力 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，如如輸

31、入/輸出通道數(shù)、類型、診斷數(shù)據(jù)等,開放的組態(tài)允許即插即用,PROFIBUS 組態(tài)工具,5、RORIBUS-DP行規(guī),行規(guī)對用戶數(shù)據(jù)的含義做了具體說明，并規(guī)定DP如何用于應(yīng)用領(lǐng)域 行規(guī)使得不同廠商生產(chǎn)的同類產(chǎn)品能互換 DP行規(guī)如下： NC/RC行規(guī)（3.052）-描述不同型號的數(shù)據(jù)機床、機器人如何用PROFIBUS-DP控制等 編碼器行規(guī)（3.062）-描述單圈和多圈分辨率的回轉(zhuǎn)式、角轉(zhuǎn)式、線性編碼器與DP的連接等 變速傳動行規(guī)（3.071）-描述在轉(zhuǎn)速控制的傳動中如何進行參數(shù)化，以及設(shè)定值與實際測量值如何進行傳送等內(nèi)容 操作員控制過程監(jiān)視行規(guī)（HMI）-HMI行規(guī)具體說明了通過DP把這些設(shè)備與

32、更高一級的自動化部件的連接，行規(guī)使用了擴展的DP功能來進行通信,P R O F I B U S -PA,基于擴展的 PROFIBUS-DP 協(xié)議和 IEC 1158-2 傳輸技術(shù) 適用于代替現(xiàn)今的 4.20 mA 技術(shù) 僅用一根雙絞線進行數(shù)據(jù)通信和供電 通過串行總線聯(lián)接儀器儀表與控制系統(tǒng) 適用于本質(zhì)安全的 EEx 應(yīng)用區(qū)域 可靠的串行數(shù)字傳輸 通過一根雙絞電纜進行控制、調(diào)節(jié)和監(jiān)視 對所有設(shè)備只需一個工程工具 由于 PROFIBUS-PA 行規(guī)，保證了互操作性和互換性 儀器儀表的維護和診斷信息,PROFIBUS-PA 的特點 PA = Process Automation,概述,PRIFIBUS

33、 PA是專為過程自動化而設(shè)計的，它是在保持DP通信協(xié)議的條件下，增加了對現(xiàn)場儀表實現(xiàn)總線供電的IEC1158-2的傳輸技術(shù)，使PROFIBUS也可以應(yīng)用于本質(zhì)安全領(lǐng)域，同時了保證PA總線系統(tǒng)的通用性。,概述,PA總線還有以下幾個重要的特征 PA描述了適合過程自動化應(yīng)用的各種行規(guī)，這些行規(guī)使不同廠家生產(chǎn)的現(xiàn)場設(shè)備具有了互換性 PA允許設(shè)備操作過程中進行維修，增加或去除總線站點，即使在本質(zhì)安全地區(qū)也不會影響到其它站點 過程自動化的PROFIBUS-PA總線段和制造自動化中的PROFIBUS-DP總線段之間通過耦合器實現(xiàn)通信透明化 同樣的兩條線，基于IEC1158-2技術(shù)可以進行遠程供電和數(shù)據(jù)傳輸。

34、,現(xiàn)場儀表與主控系統(tǒng)的連接,1、PA傳輸協(xié)議,PA采用DP的基本功能來傳送測量值和狀態(tài)，用DP的擴展功能來進行現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)化和操作 PA傳輸在第一層（傳輸協(xié)議）采用IEC1158-2技術(shù)，第二層（總線存取協(xié)議）和第一層之間的在DIN19245系列標準的第四部分作了規(guī)定 在IEC1158-2段傳輸時，報文被加上前導碼、起始定界符和結(jié)束定界符,2、PA/DP的連接,PA協(xié)議使用同DP一樣的通信協(xié)議。 事實上，PA=DP通信協(xié)議+擴展的非周期性服務(wù)+作為物理層的IEC1158 它使得工廠各層次的自動化和過程控制一致并高度集成，這意味著使用一種協(xié)議的不同種類來集成工廠的所有區(qū) PA 和DP總線段之間

35、通過鏈接器或耦合器連接，以實現(xiàn)兩個不同總線段的透明通信，在本質(zhì)安全地區(qū)可使用防爆型PA/DP耦合器或PA/DP鏈接器. 由于DP和PA使用不同的數(shù)據(jù)傳輸速率和方式，為使它們之間可以平滑的傳輸數(shù)據(jù)，使用PA/DP耦合器或PA/DP鏈接器作為網(wǎng)關(guān)。,PA/DP的連接,PA/DP耦合器不占地址，而PA/DP鏈接器要占用一個DP網(wǎng)絡(luò)從站地址，但對于PA段，它是一個主站 一個鏈接器下通常有多個即插式的耦合器去驅(qū)動幾個PA網(wǎng)絡(luò),PA/DP耦合器,PA/DP耦合器的作用是把傳輸速率為31.25kbps的PA總線段和傳輸速率為45.45kbps(SIEMENS公司耦合器）或93.75kbps(PEPPERL+

36、FUCHS公司非模塊型耦合器)的DP總線段連接起來，PA總線還可以為現(xiàn)場儀表提供電源。 主要用于簡單網(wǎng)絡(luò)和運算要求不高的場合。 PA/DP耦合器用于在PA和DP之間傳遞物理信號。 PA/DP耦合器分為兩類：本質(zhì)安全型（Ex型）和非本質(zhì)安全型（非Ex型） 通過Ex型耦合器連接的PA總線最大的輸出電流是100mA，它可以為10臺現(xiàn)場儀表提供電源 通過非Ex型耦合器連接的PA總線最大的輸出電流是400mA，最多可為31臺現(xiàn)場儀表提供電源 系統(tǒng)組態(tài)后，PA/DP耦合器是可見的，作為控制系統(tǒng)可見的網(wǎng)關(guān)，其所有參數(shù)改變通過PROFIBUS系統(tǒng)自動進行，系統(tǒng)采用單一協(xié)議的不同種類,PA/DP鏈接器,PA/D

37、P鏈接器最多由5個Ex型和非Ex型PA/DP耦合器組成。它們通過一塊主板作為一個工作站連接到DP總線上。 通過一個PA/DP鏈接器允許連接不超過30臺的現(xiàn)場儀表，這個限制與所使用的耦合器類型無關(guān)。 PA/DP鏈接器的上位總線（DP）的最大傳輸速率是12Mbps，下位總線（PA）的傳輸速率是31.25Kbps，因此PA/DP鏈接器主要應(yīng)用于對總線循環(huán)時間要求高和設(shè)備連接數(shù)量大的場合 PA/DP鏈接器一方面作為DP網(wǎng)絡(luò)段的從站，同時作為PA網(wǎng)絡(luò)段的主站將耦合網(wǎng)絡(luò)上的所有數(shù)據(jù)通信。由于每個PA/DP鏈接器可以連接多臺現(xiàn)場設(shè)備，而只占用DP的一個地址，因此整個網(wǎng)絡(luò)能容納的設(shè)備數(shù)目大大增加。 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)復

38、雜程度和處理時間要求的不同，可有不止一個鏈接器連接到DP。,3、PA儀表行規(guī),PA行規(guī)保證了不同生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的設(shè)備的互換性和互操作性 PA行規(guī)的任務(wù)是為現(xiàn)場設(shè)備類型選擇實際需要的通信功能，并為這些設(shè)備功能和設(shè)備行為提供所有需要的規(guī)格說明 PA行規(guī)包括適用于所有設(shè)備類型的一般要求和用于各種設(shè)備類型組態(tài)信息的數(shù)據(jù)單,PA行規(guī),一臺現(xiàn)場儀表中的行規(guī)參數(shù)可分為3組 過程參數(shù)-指測量值或輸出閥位及有關(guān)狀態(tài) 工作參數(shù)-它包括量程、濾波時間、報警參數(shù)（報告、報警與警告權(quán)限）等參數(shù) 生產(chǎn)廠商特定參數(shù)-如專用診斷信息等，它們多用于儀表的診斷和維護,PA行規(guī),帶有 PROFIBUS-PA 的典型系統(tǒng)配置,PROF

39、IBUS-DP,RS 485 up to 12 MBit/s,區(qū)域控制器 (PLC),工程或 HMI 工具,PROFIBUS-PA,IEC 1158-2 with 31.25 kBit/s,I,段耦合器鏈接器,變送器,H2,H1,+,P R O F I B U S -FMS,概述,FMS的設(shè)計旨在解決車間監(jiān)控級的通信，在這一級，可編程控制器（如PLC，PC機等）之間需要比現(xiàn)場級更大數(shù)據(jù)傳輸量，但實時性要求低于現(xiàn)場級，也就是說，高級功能比快速系統(tǒng)反應(yīng)時間更重要,FMS應(yīng)用層,應(yīng)用層提供了用戶可使用的通信服務(wù)，包括訪問變量、程序傳遞和事件控制等 FMS應(yīng)用層包括兩個部份 現(xiàn)場總線信息規(guī)范（FMS）

40、：描述了通信對象和應(yīng)用服務(wù) 低層接口（LLI）：用于將FMS適配到第2層的接口,FMS的通信模型,FMS的通信模型可以使分散應(yīng)用過程利用通信關(guān)系統(tǒng)一到一個共用的過程中 現(xiàn)場設(shè)備中用來通信的那部份應(yīng)用過程 稱之為虛擬現(xiàn)場設(shè)備（VFD）,通信對象和對象字典（OD）,每個FMS設(shè)備的所有通信對象都要填入該設(shè)備的本地對象字典中，對象字典包括描述、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型以及通信對象的內(nèi)部設(shè)備地址 和它們在總線上的標志（索引/名稱）之間的關(guān)系 對象字典包括以下元素： 頭：包含對象字典結(jié)構(gòu)的有關(guān)信息 靜態(tài)數(shù)據(jù)類型表：所支持的靜態(tài)數(shù)據(jù)類型列表 變量列表的動態(tài)列表：所有已知變量表列表 動態(tài)程序列表：所有已知程序列表,通

41、信對象和對象字典（OD）,靜態(tài)通信對象填入靜態(tài)對象字典中，可由設(shè)備的制造者定義或在總線系統(tǒng)組態(tài)時確定。FMS能識別的通信對象包括：簡單變量、數(shù)組、記錄、域、事件 動態(tài)通信對象填入對象字典的動態(tài)部份可以用FMS服務(wù)預定義或定義、刪除或改變，F(xiàn)MS能識別的動態(tài)通信對象有程序調(diào)用、變量列表,PROFIBUS-FMS服務(wù),FMS服務(wù)是ISO9506制造信息規(guī)范服務(wù)的子集，已在現(xiàn)場總線應(yīng)用中被優(yōu)化，而且增加了通信對象管理和網(wǎng)絡(luò)操作功能 通過總線的FMS服務(wù)的執(zhí)行用服務(wù)序列描述。包括被稱為服務(wù)原語的幾個互操作 服務(wù)原語描述請求者和應(yīng)答者之間的互操作,PROFIBUS-FMS行規(guī),控制器通信（3.002）-

42、定義了用于PLC控制器之間通信的FMS服務(wù)，根據(jù)控制器的等級對每個PLC必須支持的服務(wù)、參數(shù)和數(shù)據(jù)類型做了規(guī)定 樓宇自動化行規(guī)（3.011）-用于提供特定的分類和服務(wù)作為樓宇自動化的公共基礎(chǔ)，描述了使用FMS的樓宇自動化系統(tǒng)如何進行監(jiān)控、開閉環(huán)控制、操作員控制、報警處理和檔案管理 低壓開關(guān)設(shè)備（3.032）-規(guī)定了通過FMS通信過程中的低壓開關(guān)設(shè)備的應(yīng)用行為。,典型的PROFIBUS-FMS 系統(tǒng),主站,一個典型的 PROFIBUS-FMS 系統(tǒng)的組成: 各種智能自動化單元，如: PC 作為中央控制器的PLC 作為人機界面的HMI,PROFIBUS-FMS,PLC,主站,主站,主站,主站,RS

43、 485 up to 12 MBit/s,PLC,PROFIBUS-FMS 與PROFIBUS-DP的混合操作系統(tǒng),FMS和DP設(shè)備在一條總線上進行混合操作是PROFIBUS的一個主要優(yōu)點，兩個協(xié)議也可以同時在一臺設(shè)備上執(zhí)行，這些設(shè)備稱為混合設(shè)備。 之所以能進行混合操作是因為FMS和DP均使用統(tǒng)一的傳輸技術(shù)和總線存取協(xié)議 不同的應(yīng)用功能是通過第2層不同的服務(wù)訪問點來分開的。,PROFIBUS-FMS 與PROFIBUS-DP的混合操作系統(tǒng),PROFIBUS控制系統(tǒng)的幾種配置,根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備是否具有PROFIBUS接口， PROFIBUS控制系統(tǒng)配置可分為3種模式 （1）總線接口型 現(xiàn)場設(shè)備不具備

44、PROFIBUS接口，采用分散式的I/O作為總線接口與現(xiàn)場設(shè)備連接。這種形式在應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)初期容易推廣。,（2）單一總線型 現(xiàn)場設(shè)備都具備PROFIBUS接口，這是一種理想情況?？墒褂矛F(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)完全的分布式結(jié)構(gòu)，可充分獲得這一先進技術(shù)所帶來的利益。新建項目若能具有這種條件是最好的，但就目前來看，這種方案的設(shè)備成本會較高。,（3）混合型 現(xiàn)場設(shè)備部份具備PROFIBUS接口，這將是一種相當普遍的情況。這時應(yīng)采用PROFIBUS現(xiàn)場設(shè)備加分散式I/O混合使用的辦法。無論是舊設(shè)備改造還是新建項目，希望全部使用具備PROFIBUS接口現(xiàn)場設(shè)備的場合可能不多，分散式I/O可作為通用的現(xiàn)場總線

45、接口，是一種靈活的集成方案。,PROFIBUS的應(yīng)用,PROFIBUS系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),一個典型的工廠自動化系統(tǒng)應(yīng)該是三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場總線PROFIBUS是面向現(xiàn)場級與車間級的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場設(shè)備層 車間監(jiān)控層 工廠管理層,二、現(xiàn)場儀表與DP從站的連接,根據(jù)現(xiàn)場儀表的具體功能，它與DP主站之間有二種連接方式 總線連接 現(xiàn)場儀表與主控制器之間采用單一的總線連接，是現(xiàn)場總線技術(shù)最完全的體現(xiàn)，這種連接方式可以實現(xiàn)完全的分布式結(jié)構(gòu)，總線連接要求所有的現(xiàn)場儀表都具備PROFIBUS接口，而且現(xiàn)場儀表成本會較高 分布式現(xiàn)場I/O連接 如果現(xiàn)場儀表不具備PROFIBUS接口，可以采用分布

46、式I/O作為總線接口與現(xiàn)場儀表連接，I/O接口安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，分布在現(xiàn)場I/O可作為通用的現(xiàn)場總線接口，它對現(xiàn)場儀表沒有額外的功能要求。這種形式更適用于現(xiàn)場總線技術(shù)初期的推廣應(yīng)用以及對舊系統(tǒng)的技術(shù)改造。,現(xiàn)場級常見的結(jié)構(gòu)類型,現(xiàn)場級常見的結(jié)構(gòu)類型,在圖（A）、（B）中不設(shè)監(jiān)控站，只包括了一類主站DPM1，由DPM1完成總線通信管理 、從站數(shù)據(jù)讀寫、從站遠程參數(shù)化工作。圖（A）以PLC做一類主站，這種結(jié)構(gòu)類型在調(diào)試階段往往需要配置一臺編程設(shè)備，完成系統(tǒng)的基本配置和初始化，圖（B）使用IPC （Industrial Personal Computer,工控機）加PROFIBUS網(wǎng)卡做一類主站，這種

47、結(jié)構(gòu)類型往往可以實現(xiàn)監(jiān)控站與DPM1一體化。由于 通信廠商通常只提供一個模板的驅(qū)動程序，因此IPC上的總線控制、從站遠程參數(shù)化設(shè)置、系統(tǒng)監(jiān)控等各種程序可能都要由用戶自行開發(fā),現(xiàn)場級常見的結(jié)構(gòu)類型,在圖（C）中，DPM1和作為監(jiān)控站的DPM2都連接在PROFIBUS總線上，DPM2可完成遠程編程、參數(shù)化及在線監(jiān)控功能。DPM1可以是PLC、IPC和其它控制器，監(jiān)控站可以是操作面板OP、觸摸屏TP和其它監(jiān)控站 圖（D）采用了二級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)類型的監(jiān)控站不連接在PROFIBUS網(wǎng)上，因此監(jiān)控站不能直接與從站進行數(shù)據(jù)交換 ，其所需的數(shù)據(jù)只能從所連接的DP主站讀取。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是工業(yè)現(xiàn)場最常見的結(jié)構(gòu)類型。,應(yīng)用實例,工程介紹 甬（寧波）臺（州）溫（州）高速公路是兩縱兩橫4條國道主干線中同江至三亞的組成部份。公路設(shè)計等級為高速公路，路基寬度24.5米。行車道寬度2*7.5米，計算行車速度100公里/小時。 位于該路段K3943處的大溪嶺一湖霧嶺公路隧道，是目前國內(nèi)最長的公路隧道。隧道設(shè)計車速為80公里