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测控总线技术读书报告 题目 PROFIBUS 现场总线及应用 学号 1101170136 姓名 王振阳 成绩 评语PROFIBUS 现场总线及应用摘 要:PROFIBUS现场总线是世界上应用最广泛的现场总线技术之一,DP和PA的完美结合使得PROFIBUS现场总线在结构和性能上优越于其他现场总线。PROFIBUS既适合于自动化系统与现场信号单元的通讯,也可用于可以直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表及设备,对现场信号进行采集和监控,并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆,大量节省了电缆的费用,也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用。本文介绍了PROFIBUS现场总线主要知识点,包括PROFIBUS 现场总线的概述、协议结构、物理层和数据链接层的了解、以PROFIBUS-DP为例的PROFIBUS通信原理,最后介绍了一些典型的PROFIBUS的应用实例。1 PROFIBUS 现场总线概述 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。它来源于FF,有众多控制设备生产厂商支持,兼容性强。1.1 PROFIBUS的分类PROFIBUS由三个兼容部分组成,即PROFIBUSDP( Decentralized Periphery)、PROFIBUSPA(Process Automation )和PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。1.1.1、PROFIBUSDP 是一种高速低成本通信,用于传感器和执行器级的高速数据传输,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。主要针对PLC、相关控制设备。使用PROFIBUSDP可取代办24VDC或420mA信号传输。1.1.2、PROFIBUSPAPROFIBUS-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,采用数字信号进行通信,代替了4-20mA模拟信号传输技术,并有本征安全规范。它的传输速率达到31.25kbps。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。1.1.3、PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS用于解决车间一级通用性通信任务,是一个令牌结构实时多主网络,它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,因此它主要考虑的是系统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)。FMS可用于大范围和复杂的通信系统。1.2 PROFIBUS的协议结构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,使用了第一层(物理层)、第二层(数据链路层)和第七层(应用层),第三六层末使用。1.2.1、PROFIBUSDP: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PROFIBUSDP设备的设备行为。1.2.2、PROFIBUSFMS: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 LL)。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。LL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。1.2.3、PROFIBUSPA:PA的数据传输采用扩展的PROFIBUSDP协议。另外,PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC11582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。2 PROFIBUS的物理层由于传输技术决定现场总线的应用范围,并要考虑传输距离、速度等指标,还要考虑在危险环境下的抗爆要求,PROFIBUS没有采用单一的传输技术它提供了三种数据传输类型:用于DP和FMS的RS485传输、用于PA的IEC11582传输和光纤。2.1、RS-485传输方式RS-485是PROFIBUS广泛采用的一种传输方式,这种技术通常称之为H2。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。它采用的电缆是屏蔽双绞铜线。其网络拓扑是线性总线,两端有有源的总线终端电阻的形式;传输速率从9.6Kbit/s到12Mbit/s;采用屏蔽双绞电缆,也可取消屏蔽,取决于环境条件(EMC);站点数为每分段32个站(不带中继),可多到127个站(带中继);最好使用9针D型插头来连接。2.2、IEC11582传输方式IEC11582的传输技术用于PROFIBUSPA,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。它是一种位同步协议,可进行无电流的连续传输,通常称为H1。IEC11582的技术特性主要有以下几点:数字式、位同步、曼彻斯特编码的数据传输方式;31.25Kbit/s的传输速率;前同步信号,采用起始和终止限定符避免误差;采用屏蔽式或非屏蔽式的双绞线;可用远程电源供电,通过数据线可选附件;具有防爆特性,能进行本征及非本征安全操作;线型或树型,或两者相结合的拓扑结构;站数为每段最多32个,总数最多为126个;最多可扩展至4台中继器。2.3、光纤传输方式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。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。许多厂商提供专用总线插头可将RS485信号转换成导体信号或将光纤导体信号转成RS-485信号。可用光链路(OLM)模块单独供电或光链路插头(OLP)进行总线站点供电。 3 PROFIBUS的数据链路层PROFIBUS-DP、FMS、PA均采用同样的总线存取协议。即具有同样的数据链路层协议。主站间采用总线令牌方式避免传输冲突;主站与从站采用主从方式。PROFIBUS的主要报文格式有固定信息字段长度的格式、带数据的有固定信息字段长度的格式、可变信息字段长度的格式、短应答及令牌报文,可根据实际应用选择一种报文格式收发数据。不同的报文格式如下所示:无数据:SD1 DA SAFCFCS ED变动长度数据:SD2 LE LEr SD2 DA SA FC DSAPSSAP PDUFCS ED固定长度数据:SD3DASAFCPDUFCSED令牌(Token):SD4DASAED短应答:SC传送的信息依其起始字符(start delimiter, SD)可以识别是哪一种信息, SD1 = 0x10表示无数据;SD2 = 0x68表示变动长度数据;SD3 = 0xA2表示固定长度数据; SD4 = 0xDC表示令牌;SC = 0xE5表示短应答。各位的表示含义如下:l SD1SD4(起始界定符):起始字节,用于区别不同的报文格式。l DA(目的地址):目的地址字节,指出将接收此信息的站。l SA(源地址):指出发出此信息的站,便于应答 l SC(单字符):单字符,仅用于应答。l LE:信息字段长度。l LEr:长度字节,指出可变长报文中信息字段的长度。l 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。l 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。l 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)。l ED(终止界定符):终止字节,指出此报文终止。l DSAP/SSAP:目标地址和源地址的另一种标识方法。5 PROFIBUS通信原理(以PROFIBUS-DP为例)PROFIBUS-DP协议是为自动化制造工厂中分散的I/0设备和现场设备所需要的高速数据通信而设计的。典型的DP配置是单主站结构,DP主站与DP从站间的通信基于主-从原理,一个报文循环由DP主站发出的请求帧 (轮询报文)和由DP从站返回的有关应答或响应帧组成。DP主站分为两类:一是中央处理器或控制器,如:PLC等,可在固定的时间对总线进行读写操作,其特点是永远在线。二是组态设备或操作面板,如:笔记本等,用于对系统维护和诊断、组态设置,特点是不必永远在线。DP从站是测量装置和执行装置。如:变送器、阀门等,只能对主站的请求回应其特点是不能主动发起通信。一个总线段最多126个设备。在数据链路层,PROFIBUS-DP使用混合的总线存取控制机制来实现相关站之间的通讯。其存取控制机制包括用于主站间通讯的分散的令牌传递机制和用于主站与从站间通讯的集中的主从机制。PROFIBUS-DP的总线存取控制机制与所使用的传输介质无关,每个节点有一个总线上唯一的地址,报文用节点编址的方法组织。令牌介质存取中令牌是一种特殊的电文,它在主站间传递控制权。连接到PROFIBUS-DP网络的主站按它的总线地址(由总线存取控制程序自动判定总线上所有主动节点地址并记录在主动站表中)的升序组成一个逻辑令牌环。当某个主站得到令牌后,该主站就被允许在以后的一段时间内执行主站工作。根据主从站关系表给其他的主站或从站发送帧,直到发完或规定的时间到,再把令牌按令牌环规定的顺序传给其他主站。具有总线地址(最高站地址)的站点例外,它只传递令牌给具有最低总线地址的站点,以使逻辑令牌环闭合。在主从方式下,由一个主站控制着多个从站,构成主从系统主站发出命令,从站给出响应,配合主站完成对数据链路的控制,一个主站应与相关的多个从站中的每一个从站建立一条数据链路,从站可以发送多个帧,直到以下一种情况发生为止:从站没有信息帧可发送,未完成帧的数目已达最大值或从站被主站停止。典型的PROFIBUS-DP总线配置是以主从总线存取程序为基础的,一个主动节点(主站)循环地与被动节点(从站)交换数据。其大致流程如下:l DP主站检查DP从站是否在总线上l DP主站通过请求从站的诊断数据来检查DP从站的准备情况l DP主站定义DP从站的参数并组态此从站l DP主站循环地与DP从站交换用户数据6 PROFIBUS现场总线的应用Profibus现场总线控制系统的应用范围十分广泛,其主要应用领域有以下几个:(1)制造业自动化。汽车制造(机器人、装配线、冲压线等)、造纸、纺织等领域。(2)过程控制自动化。石化、制药、水泥、食品等领域。(3)电力。发电、输配电。(4)楼宇。空调、风机、照明等的控制。(5)铁路交通。信号系统。由于PROFIBUS现场总线是西门子公司大力推广的,其市场占有率为首位,我们介绍一些常见的西门子公司制造的总线控制系统主要设备:(1)S7-200PLC-DP通讯模块西门子EM277通过EM277PROFIBUS-DP扩展从站模块可以将S7-200CPU接到PROFIBUS-DP网络。EM277经过IO串行总线连接到S7-200CPU。PROFIBUS网络通过其DP通信端口连接到EM277模块,这个端口可以运行9600bps和12Mbps之间的任何PROFIBUS波特率。作为从站,EM277接受从主站来的多种不同的配置,并向主站发送不同数量的数据,EM277能读写S7-200CPU中定义的数据块,能与主站交换任何类型的数据。(2)DP总线通讯卡西门子CP5611PCI卡是西门子控制系统最常用的PROFIBUS DP总线接口卡,在通常的系统集成当中有着广泛的应用,增加整套DP总线架构系统提供主站控制系统;可以为S7-200从站系统和远程I/O从站系统提供主站接入系统。(3)总线连接器西门子总线连接器连接Profibus站与Profibus电缆之间进行信号传输,带有内置的终端电阻。连接器的设计充分考虑到了水平电缆进线,缓解拉紧的问题,内置接地金属片有效的抗EMC干扰。使用方便,直接将总线连接器插入Profibus主/从站的接口,总线电缆用螺丝钉固定接入即可。ProfibusDP电缆采用实心裸铜线导体作芯线,加厚铝箔和加密裸金属丝编织层,屏蔽效果好,紫色PVC外护套。具有良好的信号传输性能。(4)智能压力变送器西门子智能压力变送器,型号为7MF40341BA003BB,提供压力变送器PA信号。变送器具有符合 IEC 61158-2 和 EN 50170 的总线连接具有防爆本质安全的变送器设计,可安装在具有爆炸危险的场合确认性证书符合欧洲准则(CENELEC)。数据传输和辅助电源(9 到 32 V)通过总线连接到一起总线连接独立于极性和发生错误时的固定总线电流界限接点间隔(测试电压 500 V AC)本质安全和防火版本,用于爆炸保护场合(Ex 场合)可通过 PROFIBUS-PA (概要版本 3.0,B 类)通信,变送器可以使用三个按钮在本地进行参数化,或从外部通过 SIMATIC PDM 进行。(5)智能气动调节阀门定位器西门子智能气动阀门定位器SIPART PS2,型号为6DR5510-0NG11-0AA1.西门子智能气动阀门定位器用于控制气动直行程或角行程执行机构这类终端控制元件。电气定位器驱动终端执行机构至与设定点相应的阀位。附加的输入功能可用于锁定阀位或驱动阀门到安全位置,为实现此功能一个数字输入通道已作为标准配置集成到了产品中。7 结语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,从而实现工厂综合自动化和现场设备智能化。它是一种无知识产权保护的标准,任何用户都可以利用这个标准设计各自的软、硬件解决方案。理论上,PROFIBUS协议在任何微处理器上都可以实现,在微处理器内部或外部安装异步串行通信接口(UART)即可完成。但当数据传输速率超过500Kbit/s、或需要使用IEC11

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