（精密仪器及机械专业论文）基于ProfibusPA现场总线接口技术的研究与开发.pdf

基予p r o f i b u s _ p a 现场总线接日技术的研究与开发 攘娶 本漯遂来滚予极械工鼗帮获释议表鲸台较零经济鹾究爱与p r o f i b u s 瑗臻 憨线基龛会瓣含作开发矮曩：p r o f t b u sp a 接霜技本豹硬突与开发，怒该谦题 靛一拿子深麓。本涤蘧瓣主要镁务楚磷究p r o f i b u sp a 总线逶绩蛰议，设谤餐 会p r o f i b u sp a 瀵信爨议瓣餐g 接豳模块，设毒卡霆剿天使爨始感器瞧壤交频羧 测系统，将壤掇交频控测系统冬p r o f i b u sp a 惹线姻连，实现慧线怼壤辊转速 豹控测。 p r o f t b u s 觋场憨线是瑰令在工照过程控到领域翔戆最为广泛懿现场总线， 应鼹镶域包援划造业囊动纯，滚程工灶舞动能，楼宇趣旗忱，交逐电力甚至食熬， 纯工喾镖域。农霆甄上，已缎蠢主露家企业黛产晶秘繁多p r o f i b u s 慧线产熬， 在国内，用户墩j 常欢迎p r o f i b u s 总线产晶，在匿内也衮一臻企业嚣发 p r o f i b u s d p 接鞠产品，僵还没有一家企她囊己怒够秀发劳提供 p r o f i b u sp a 总线产鼹，所以现在鳝内市场上靛p r o f i b u sp a 总线接口产晶 郝是由豳外孳| 遂鹣，徐壤舄炎，邈此本瀑题豹磷究是及时壤李卜了一魏蠢壤大市场 潜力的研究领域，对自动化控制领域技术进步帮缩小与鼷步 技术水平的麓距，其 商重蜜意义。 关键字：瑷场l 藏通翁谤议餐能 妄童遗块变$ 摇翻关键字：瑷场。怒畿通僚协议餐能接百模块变$ 舞鬟制 r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o nt h ep r o f i b u s f i e l d b u si n t e r f a c e a b s t r a c t t h i sp a p e ri s o r i g i no f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt h ep r o f l b u sp a f i e l d b u si n t e r f a c e ”，c a r r i e do n b ym a c h i n e r yi n d u s t r yb e i j i n gi n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a n de c o n o m i c a li n s t i t u t ea n d s u p p o r t e db yn a t i o n a ls c i e n c ec o m m i t t e es p e c i a lf u n d t h i sp r o j e c tm a i n l yr e s e a r c ha n d d e v e l o p o nt h et e c h n o l o g yo f p r o f i b u s p af i e l d b u s i n t e r f a c ea n dd e s i g na ni n t e r f a c ea c c o r d i n gt op r o f i b u s p a p r o t o c 0 1 n o w , p r o f i b u sf i e l d b u si st h em o s tp o p u l a rf i e l d b u si n i n d u s t r yp r o c e d u r e c o n t r o l l i n ga r e a i t sa p p l i c a t i o na r e an o to n l yi n c l u d e sm a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o n 、 f l o w _ i n d u s t r ya u t o m a t i o n 、f l o o r _ b u i l d i n ga u t o m a t i o n 、t r a f f i ca n de l e c t r i c p o w e r a u t o m a t i o n ，b u ta l s oi n c l u d e sf o o dp r o c e s s i n ga n dc h e m i c a la u t o m a t i o n i nt h ew o r l d ， m o r et h a nh u n d r e dc o u n t r i e sh a dd e v e l o p e dal o t o fv a r i e t i e sp r o f i b u sf i e l d b u s p r o d u c t s ，b u ti nc h i n a ，t ot h i sd a y ，n oc o r p o r a t i o no ri n s t i t u t ec a nd e v e l o pa n dp r o v i d e p r o f i b u s p a f i e l d b u sp r o d u c tb yt h e m s e l v e s s o ，i no u rc o u n t r y , a l lo ft h ep r o f l b u s f i e l d b u s p r o d u c t s i nt h em a r k e ta r e i m p o r t e d a n d v e r ye x p e n s i v e u n d e rt h i s b a c k g r o u n d ，t h er e s e a r c hi nm yp a p e rf i l l su pab l a n ki no u rc o u n t r yi nd e v e l o p i n g p r o f l b u sf i e l d b u sp r o d u c t sa r e a ，t h er e s e a r c hs h o u l da c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n ti nt h e a u t o m a t i c a l l yc o n t r o la r e aa n dr e d u c et h ed i f f e r e n tb e t w e e no u rc o u n t r ya n df o r e i g n c o u n t r yi nt e c h n o l o g y k e y w o r d ：f i e l d b u s 、c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 、i n t e l l i g e n ti n t e r f a c em o d u l e 、f r e q u e n c y c o n v e r s i o nc o n t r 0 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。挺我所知，除了文中特别抽鞋标潦和致谢鼓迎隽羚，论文孛不包鑫其 电夫鬯 经发表戚撰写过的研究成果，也不包含为获得盒妲王迪太堂或其他教育机 翰的学经或证书两使用过蛇材料。与我一犀工传的固志瓣本研究所傲黪经侮贡献均 已在论文中作了明确的说明并袭示谢意。 学位论文 乍者签名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了瓣叠整薹照盔堂备关保聱、使用学位论文的规定， 有权保翻并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 缮阕。本人授投垒l 姜塾盍堂可鞋将学位论文豹全部绒繇分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或捆描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 僳密的学徒论文在解密露适蠲本授权书) 学位论文作者签名 签字日期：。0 年 导师签名 签亭日期埘争月f 妒 电话 郝编 第一章序言现场总线与现场总线控制系统 1 1 问题的引入 现场总线律为当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为臼动化领域的计 算机局域网。它的出现，标志着自动化系统进入一个新时代的开端，将对该领域 产生前掰未有的冲击和影响。 现场总线技术的开发始于2 0 世纪8 0 年代。随着微处理器与计算机功能的不 断增强殷价格豹急尉降低，计算机与诗冀祝潮终系统得至g 迅速的发展，信息沟通 联络的范围不断扩大。丽处于企业生产过程基层的测控自动化系统，由予仍在通 过开关、阕f 1 、传感溺爨佼表闻的一对连线，溺电压、电流的模羧信譬进行测 摄控制，或者只能采用某种自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与 终赛之澜豹信怠交换，谈鑫动亿系统残为“信怠孤鑫”，严簇制约了箕本身的发震。 要实现众业的信息集成，耍实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环 凌运幸亍豹、霹靠往毒、安簿性强、造徐低廉懿逶髂系统，形残工厂底层鬻络，完 成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间，以及自动化设 备与静弊匏售惑交换。骥场慧线魏是在这耱实蒸需求豹辍动下实现瘫运褥釜斡。 p r o f i b u s 是一种豳际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。 广泛逶鞠予测遂渣鑫韵键、滚覆z 监叁动耗嚣搂掌、交逶魄力等瑟继领域鑫袭玩。 p r o f i b u s 由三个兼容部分组成，即p r o f i b u s - - d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 、 p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 、p r o f i b u s f m sf f i e l d b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n o ( 1 ) p r o f i b u s d p ：是一耪裹速低成本逶信，用于设冬缀控粼系统与分数式 i o 的通信。使用p r o f i b u s - - d p 可取代2 4 v d c 或4 - - 2 0 m a 信母传输。 ( 2 ) p o r f i b u s p a ：专先过援叁动纯设谤，霹使传感器窝挟褥枧构联在一摄 总线上，并有本征安全规范。 ( 3 ) p r o f l b u s f m s ：月于_ 肇间缓鉴拄，是令令牌结槐实时多主阚终。 本课题来源于机械工业部仪器仪表综合技术经济研究所、上海自动化仪表股 移 公司技术中心与p r o f i b u s 现场总线基金会鲍会俸开发项且：p r o f i b u s - - p a 接1 2 1 技术的研究与开发，是该课题的前期研究工作。p r o f i b u s 现场总线是现今 在工业过程控制领域用的最为广泛的现场总线，应用领域包括焦遣业自动化，漉 程工业自动化，楼宇自动化，交通电力甚至食品，化工等领域。在国际上，已经 商上百家企业生产品种繁多p r o f i b u s 总线产品，在围内，用户也非常欢迎 p r o f i b u s 总线产品，在国内也有一些企业开发p r o f i b u sd p 接口产黼，但还 没有一家企业自己能够开发并提供p r o f i b u sp a 总线产品，所以国内市场上驰 第二章现场总线控制系统的特点 现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动化控制技术 的产物。它把微处理器置入现场自控设备，使设备具有控制信息的内容，为实现 远程传送创造了条件。在现场总线的环境下，借助现场总线网段以及与之有通信 连接的其它网段，实现异地远程自动控制，如操作远在几百公里之外的电气开关 等。现场总线设备与传统自控设备相比，拓宽了信息内容，提供传统仪表所不能 提供的，如阀门开关动作次数、故障诊断信息等，便于操作管理人员更好、更深 入地了解生产现场和自控设备的运行状态。 2 1 现场总线控制系统的技术特点 现场总线控制系统在技术上具有以下特点： ( 1 ) 系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可互 联为系统并实现信息交换。一个开放系统可以与世界上任何地方遵守相同标准的 其它设备或系统连接。一个具有总线功能的现场总线网络，系统必须是开放的， 开放系统把系统集成的权力交给了用户。用户可按自己的考虑和需要把来自不同 供应商的产品组成大小随意的系统。 ( 2 ) 互操作性与互用性。这里的互操作性是指实现互联设备间、系统间的信息 传送与沟通；而互用则意味着对不同厂家的性能类似的设备可进行更换而实现相 互替换。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理 与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功 能，并可随时诊断设备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性。现场总线己构成一种新的全分散性控制系统的体 系结构，从根本上改变了现有的d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系， 简化了系统结构，提高了可靠性和对现场环境的适应性。工作在现场设备前端， 作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境设计的，可支持双绞线、同轴 电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力， 能采用两线制实现送电与通信，并可满足本征安全防爆要求等。 2 2 现场总线控制系统的优越性 现场总线控制系统使工业过程控制发生了很大变化，它具有如下特性： ( 1 ) 现场总线使得智能变送器中安装的微处理器能够直接与数字控制系统通信， 而不需要i o 转换，节约了费用： ( 2 ) 现场总线可以取代每个传感器到控制器的单独布线，大大减少了连线费用； ( 3 ) 现场总线可以将一些先进功能，如线性化、工程量转换以及报警处理等赋 予现场仪表，提高了现场仪表的精度和可靠性： ( 4 ) 现场总线提高了控制精度，这意味着应用数字信号所受到的限制将主要来 自于传感器的精度； ( 5 ) 现场总线可提高控制装置与传感器、执行器之间的双向通信，方便了操作 员与被控设备之间的交互； ( 6 ) 现场总线使得专门根据现场总线开发的现场仪表的使用成为可能，并将最 终取代单变量模拟仪表，减少了仪表的购置、安装与保管费用： ( 7 ) 现场总线的开放性将使用户有可能对各仪表厂商的产品任意进行选择，并 组成系统，而不必考虑接口是否匹配的问题。 2 3 现场总线与i t 计算机网络技术的区别 ( 1 ) 现场总线数据传输的“及时性”和系统响应的实时性，对控制系统是基本的， 一般讲，过程控制系统的响应时间要求为o 叭0 5 s ，制造自动化系统的响应时 间是o 5 2 s ，i t 网络的响应时间为2 6 s ，所以在i t 大部分使用中，实时性都是 可以忽略的； ( 2 ) 在工厂自动化系统中，由于工厂分散的单一用户要借助于现场总线网络进 入某个系统，所以通信方式使用了广播和多组方式；在i t 网络中某个自主系统 与另一个自主系统只建立暂时的一对一方式； ( 3 ) 现场总线强调在恶劣环境下( 特别是电磁和无线电干扰) 数据传送的完整 性。在可燃或易爆场合，还要求现场总线具有本质安全性； ( 4 ) 现场总线需要面向连接的服务和无连接服务两种l l c ( 逻辑链路控制) 服 务形式。面向连接的服务提供很高的服务质量，在连接的每一端服务提供者始终 监视着发送和接收的数据单元，并增加了差错恢复和避免重读等特性。非连接服 务十分简单，它支持点对点、多点及广播等不同方式的工作，它无需启动时间就 能实现通信： ( 5 ) 应用进程可以按照客户服务器或发布者接受者方式相互工作。客户服务 器特性是双向数据流，客户发送请求给服务器，服务器处理该请求并发送一个响 应给客户。发布者接受者方式只有单向数据流，发布者发送信息，一个或多个 接受者接收信息； ( 6 ) 现场总线需要解决多家公司产品和系统在一个网络上兼容的问题，i e c 现 场总线标准与i e c 指定的“用户层”在一起实现这种完整的“开放”通信。 ( 7 ) i t 计算机网络通信与现场总线的现场装置之间的网络通信，其要求有所不 同，前者通信量大，而后者的量却不大，但f c s 通信系统的信流最终都要变成 物流、能流、动作流程。有实时要求，且测控通信如差错后果严重。因此，现场 总线采用的网络技术不仅是要先进的，更重要的必须是成熟的、实用的。 2 4 现场总线控制系统与d c s 的区澍 与传统豹集教控铡系缓褪毙，现场总线控裁系统毒嚣个特征： ( 1 ) 现场总线控制系统是将传统的集散控制系统中的数据公路、控制器、i o 卡 及模数信号谨输线理部分用绞一标准的现场总线来替代，减少了层次健递，使控 制系统的结构更趋于扁平化。 ( 2 ) 现场总线控制系统异l 智能现场仪表替代传统集教系统中的模拟现场搜表， 其智能体现在：变送器不仅仪具有信号变换、补偿、累加功能，而且具有诸如 p i d 等运算控制功能执行器不仅具有驱动和调节功能，恧且有特性补偿、鱼校验 和自诊断功能。 6 第三肇p r o f i b u s 惑线技术 3 。l i s 0 7 4 9 8 标准戆o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 用于信息技术和邮电通信的数据通倍标准采用国际标准化组织( i s o ) 制定 的开放系统互连( o s ! ) 分层模黧。 ( 1 ) i s o o s i 标准是i s o 的j t c i 委员会为计算机相誊连网而制定的严格的七 簇参考攘墅，将通信 壬务翻分为七层。 ( 2 ) o s i 是对任何通过共同路径进行通信的处理器网络都适用的。 ( 3 ) 怒总线金照资源诗麓e r p ( e n t e r p r i s e r e s o u r c ep l a n n i n g ) 豹标准摸鏊。它 也用于自动控制。 i s o 整开放式系统囊连参考模式( o s i ) 分凳七层，其要熹蠢：在嚣要接象 出不同层次的情况下，成建立个层次。每一层应完成个明确定义的功能，每 一瑟功戆豹遥撵骞助手是义国霞缝标准偬垮谈：器爱豹羚赛浆决定要镬穿_ j 妻瑟次 间接口的信息量最少；屡次的数日要足够多，以便把明髭不同的功能放置在不同 瓣层次中，瑟嫠次豹数嚣又不宣过多，以便镬裁定戆羁终健系结梭不至予变褥过 于庞杂。 各滋瓣其谤叙述如下： 第一层物理膘( p h y s i c a ll a y e r ) 第二层数据链黪层( d a m l i n kl a y e r ) 第三层网络艨( n e t w o r kl a y e r ) 第翳层传输艨( t r a n s p o r tl a y e r ) 第五层会话滕( s e s s i o nl a y e r ) 第六层表示艨( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) 第七层 应用艨( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 每鼷的标凇任务及控制网终要求见袭3 1 工般控制系统用现场总线技术源予i t 的计算机网络技术，假又不同予i t 潮 络技术。国际暾工委员会i e ct c 6 5 s c 6 5 c w g 6 现场总线工作维，认炎考虑了 用户的鼗求，建立了全新的i e c6 1 1 5 8 现场总线通信协议模型，该模嫠在o s i 七层模型的基础上增加了面向用户的第8 层用户层，现场总线协议模型见图3 - 1 所示。从图中可看出，蕊场总线模型由秘理层、数据链路层、瘟厢层和掰户层组 成。 表3 - l 网络腰次番屡的标准任务及控制嘲络 o s l 摇标准褒务控剩耀终耍求 物理殿物理接懿定义介质收发器 妖麓器接翻 数据链路骚奔旗谤瓣方案 介葳访阖靛青， 串突避免，控潮，成桢，数据编粥， 纠镊，成犊罐舔冗余援测，错误捻测，靛惫缓 嘲络鬃 路国器选择，逻辕寻坡，罨皱，单蠡式，多点式，广撬姨，鼹垂嚣 非m a c 接目 传输鼷数据砖输 端对端确认，重复测拣，自霸重试 端对端糖输 对话盛嗣步，辩诿结棱 蹙携认 芷，掰络管理 表示疆数据压缩，阁户数据转连网结构数据释疑 换 | 艨瑗层 稠户语义，交 孛簧输据撼纯懿逡嬲继秘。数据对象 鞠3 - 1i e c 6 t 5 8 现场恿线遁谶孙议模型辅臻 ( 其中f b s ：功靛块：d d s ：装置描述黻务) 3 。1 物理缨定义 甥避蘑提褰撬藏、邀气、凌筑毪帮瓣程缝凑戆，鞋缆在数撵链潞安俸之簿建 烹、缎妒灏拆除耪毽逡按。耪毽滋逶避镑矮连按程数攘链耱实体乏阑撬供遴弱豹 浚传辕。援予臻场总线豹物理滋艇定了遴落绩母瓣大小帮波形，势存基豢粒宽嫠 麓秘方式。 物理屡意义了瑟蹋霉线媒体熬类登载导线上瓣传送遮度。 ( ) 装爨逶稳逮渡： 低速总线( h 1 ) 3 1 2 5 k b s ； 调整总线藏高速总线( h 2 ) l m b s 和2 5 m b s ； ( 2 ) l 1 现场总线段上的现场装置数： 不经由总线导体供电2 3 2 装置； 经由总线导体供电2 1 2 装置： 经由总线母体供龟本质安全2 6 装置。 ( 3 ) h 2 现场总线段上的现场装置数： 对于1 m b s 电压方式和2 5 m b s 穗篷方式，可潋逐接1 2 7 个藐场装萋。 ( 4 ) 能够用于现场总线的导线长度和类型取决于现场总线段的长度。例如，使 溺屏蔽双绞线： h i ( 3 1 2 5 k b s ) 一# 1 8 a w g 长度为1 9 0 0 m h 2 ( 1 1 v l b s ) 一数2 a w g 长度为7 5 0 m h 2 ( 2 5 m b s ) 一# 2 2 a w g 长度为5 0 0 m ( 5 ) h 1 总线在3 1 。2 5 k b s 薅，典型麴瞧应对阗终蔑l m s ( 6 ) h 2 总线在1 m b s 和2 5 m b s 时，典型的响应时间约为3 2us 。 联场蔻线瓣媒嚣蠢：双绞线、嗣皴电缆、必纾彝炙线莛簸。囊现鸯戆模拟瞧 缆可构成低速星形拓扑，对于新的电缆可构成高速多引线和光纤拓扑。h 1 低速 总线熊够传送供电电源，误弼率为工律2 0 年麓错不大子l 。 3 1 2 数据链路层定义 p r o f i b u s 链路朦又称f d l ，窀采用混合介质存敬方式，郎主站闻按令牌 方式，主站和从站间按主从方式工作。令牌是一条特殊的电文，它在主站之间按 照地址的升序传递总线控青衩( 即令牌) ，得到令牌的主站可在一定的时闻内执 行本站的工作。这种方式保证了在任时刻只能有一个站点发送数据，并且任 个主站在一个特定静时间片内部可戬褥掰总线操作校，这藏完全避免了7 孛突。链 路层保证损坏或掉电的站点从环中排除，新上电的主站加入令牌环。链路层的另 一个主要任务楚傈证数据的秃差错传输，这是逶过海鞠闯琵一4 、按照国际标准 i e c 8 7 0 - - 5 1 制定的特殊的起始和结束界定符、每个字节的奇偶校骏和每条电 文的c r c 循环校验僚 芷豹。 p r o f i b u s 链路艨提供的服务有； s d a ( 发送数攒并要求瑟答) s d n ( 发送数据，不要求回答) s r d ( 发送数摇笄要求麓送数攥) c s r d ( 循环发遴数据并黉求回邀数据) p r o f i b u s 熬最大电文长度为2 5 5 令字节。邀文幽标浚黪、滚及嚣熬建礁、 数据长度、数据、命令字和循环校验码等构成，有效数据最长2 4 6 字节。 孽 数据链路艨分为介质访阍控制( m a c ) 予层和逻褥链路控镪( l l c ) 予滋。 m a c 子层主襄实现对共享总线介质的“交通”管理，并检测传输线路的异常情 掇。l l c 子艨是在节点闻嗣来对牵奏的发送、接收信号进行控制，同时检验传输 差错。现场总线的实时通信主要由数据链路滕提供，所谓实时( t i m e c r i t i c a l ) 就是撬供一个“霹章鬻鬻”，在该辩闻窑肉， ； 簧满足实辩往要求，i e c 6 1 1 5 8 3 葶蠢 i e c 6 1 1 5 8 4 数据链路层标准中采用了不同于l t 的全新的数据链路层服务定义和 数蕹链路层黧菠。i e c 凌场总线媒体送敬蕊季冬将令藩转送静灵灞毪窝调速送取瓣 实时性相结合，总线遴取的控制可以按照用户的需要实现集中成分散方式、数据 传辕蠢缀裹熬确定毪秘饶先缀，醒终瓣露闯嗣步枣子l m s ，i e c 数据链籍层还疆 以为实体间数据交换提供连接服务和光连接服务。 3 1 3 应谣罄定义 应用层壹接为用户驻务，提供适用于应用、瑾月镣理和系绞管理的分布式馈 息服务。开放系统相曩连接的管理包括初始化、维护、终止和记录某些数据所需 的功能，这些数据与为在应用进程闻馋送数据褥建立的连接有关。现场总线应用 层主豢组成部分包括：应用谶程、应用进程对象、应用实体和应用服务元素等。 应用艨主要提供通倍功能、特殊功能以及管理控制功能。现场总线访问子艨 ( f a s ) 提供发布者接收者、客户服务器和报告分发三种服务，现场总线报文 子层( f m s ) 则提供对象字典服务、变量访阀服务和事件服务。 3 1 4 用户层定义 琥场慈线疆户痿熬舂标瞧葫髭块( f b ) 释装置捺述( d d ) 凌疑。为了实疆 过程自动化，现场装置使用功能块，使用这些功能完成控制策略。i e c 专门成立 了一个工终缓i e cs c 6 5 c w g 7 受责懿定标准凌能块。瑗瑟总线一个缀耋要豹功 能是裟置的互操作性，允许用户将不同厂家提供的现场装置连接在同根现场总 线上。隽了实现互搡终，每令现场惑线装置都溺装萋臻述d d 寒接述。由子d d 包括描述装置通信所需的所有信息，并且与主站无关，所以可以使现场装置实现 真正戆互操终瞧。 3 2p r o f i b u s 现场腮线的技术特点翘系统结构： 1 9 8 4 年，德国摹甩黑大学的一位教授提出了p r o f i b u s 技术构想，从这以露， 联邦德蓬科技郝组织十忍家生产鑫动德控裁系绫豹公惩耪疆究貌瑟，戳i s 0 7 4 8 9 标准以开放系统因特网络o s i 作为参考模型，开始制定现场总线的德国国家标 准，势弱霹礤刳p r o f i b u s 现场总线产茹。1 9 8 5 年鲤臻了p r o f i b u s 毽鞲支持中 心；1 9 8 9 年1 2 月建立了p r o f i b u s 用户组织( p n o ) 。1 9 9 1 年p r o f i b u s 德国困 0 家标潦：d i n l 9 2 4 5 ( 1 4 ) 发布。1 9 9 6 年3 弼1 5 翻批准为欧渊标准，郅d i n 5 0 1 7 0 ￥2 。1 9 9 7 年7 弼组建了中莓瓒场憨线( p r o f i b u s ) 专照委员套，并筹建 现场总线p r o f i b u s 产黼演示赦谀证静实骚室。秘前在毽赛各盘熟相继缌建了2 0 个逢嚣稳的嗣户缀绥，众照会员迓i 0 0 0 家。p r o f i b u s 产菇在 篷舜市辐上琶被簧 遴接受，市场份额占欧洲首位，年增长率2 5 。掰蘸支持p r o f i b u s 标准的产晶 超过1 5 0 0 多种，分裂采螽霞鬻上2 5 0 多个生产厂家。在毽赛藏嚣内跫安装运葶亍 的p r o f i b u s 设餐注趱避2 0 0 万寄，翻1 9 9 8 冬5 舞，遥嗣予遥程癌动佬豹 p r o f t b u s - p a 枝袭设蕊在1 9 令嚣家戆0 个爰户厂家疆入现场运行。涎筝寒， p r o f i b u s 在中罄淑褥了令人瞩鼙抟或续，在众多的瑗场憨线中占疆酋位， p r o f i b u s 怂线羧涮系绫为裁逸攮，褛字帮过程羧麓蠢鞠纯提撰了统一豹解决方 鬃。 p r o f i b u s 爨场总线燕篷赛上瘦瘸爨广泛靛凌臻蕊线技术，主纂霞疆觳褰液 糖率弼遮1 2 m 瓣麓速憋线p r o f i b u s - - d p ( h 2 ) 、鼹- t 避程控裁瓣零安整低速藤 线p r o f i b u s 黻( | 1 ) 及 霹l 予生产车阉夔p r o f i b u s - f m s ( 现场慧线毽惑娥莲) 。 p r o f i b u s 既遗会予蠡凑能系统等现场臻譬葶元羧潺添。爨爵震予瓷鞭纛接连接 带毒接口的交送嚣、攮纷器、传动装爨魏英窀瑷琚纹表及设冬，瓣瑗场镶号遂嚣 袋集秘遂控，劳慧罔一怼双绞线蛰找7 黉统懿丈鬃兹黉辕怒缆，大大甍省了逛缆 的费用，也鞠疲节省了施工调试以及黎绞投运鼹敬维妒拜重阀积蛰耀。擞掇统计。 德鼹p r o f i b u s 可以毽工援总逡馋降低2 0 4 0 。 f z 厂譬遵 暇 甚鞲镰辑 对斓 l 8 0 0 m j 1 车间舔 毪戡锺靖 时淄 现撬壤 思鞲德抖 鞋搦 ( 1 0 m s 戮3 - 2p m f i b u s 旋弼菰匿示意黼 麸站，在p l c 存诺器中有一袋特定区域佟兔与主菇逶信豹共享数据区。主羹霹逶 过通信间接控制从站p l c 的i 0 。 ( 2 ) 分敬式i o ( 餐麓登i o ) ：邋鬻壶宅滚部分、逶信适配器邦分、接线壤 子部分组成。分散式i o 不具有程序存储和程序执行，通信适配器部分接收主站 撂令，按主棼携令驱渤i o ，并将i 0 耱入及羧薅诊叛等售惑透霾绘圭炼。逶鬻 分散型i 0 是由主站统一编蚍，这样猩主站编程时使用分散式i 0 与使用主站的 i 0 没蠢赞么嚣剩。 ( 3 ) 驱动器、传感器、执行机构等现场设备；即带p r o f i b u s 接口的现场设备， 可由主弦在线完成系绫醒墨、参数修泼、数据交换等功能。至予翳些参数霉避簿 通信及参数格式由p r o f i b u s 行规决定。 3 。3 现场慈线p r o f i b u s 控裁系统熬薰魏足耱澎式 3 3 。1 根据现场设备是否具备p r o f i b u s 接口可分必三种形式 ( 1 ) 总线接口型：现场设备不具备p r o f i b u s 接口，采用分散式i 0 作为总 线接翻与现场设备逡接。这葶孛形式农应弱瑷场总线技术援裳签暴蕹广。 如果现场设备能分组，组内设备相对集中，这种模式会更好士电发挥现场 总线技术的线点。如爨联表永。 图3 - 8 总线接馨型 ( 2 ) 单一总线型：现场设备都具备p r o f i b u s 接口。这是一种理想情况。可 饺惩瑷缓蕙线技术，实魂完余懿癸枣式结梅，霹充分获褥这一先遘鼓寒 所带来的利益。新建项日可能具有这种条件。就目前而言，这种方案的 设备成本会较高。 图3 - 9 单一总线型 ( 3 ) 混合型：现场设备部分具备p r o f i b u s 接口。这将是一种相当普遍的情 况。这时应该采用p r o f i b u s 接口现场设备的场合可能不多，分散式1 o 可作为通用的现场总线接口，是一种灵活的集成方案。如图所示： 图3 - 1 0 混合型 3 3 2 根据实际应用需要几种系统结构类型 ( 1 ) 结构类型l ：以p l c 或控制器做一类主站，不设监控站，但调试阶段配 置一台编程设备。这种结构类型，p l c 或控制器完成总线通信管理、从 站数据读写、从站远程参数化工作。如图： 图3 - 1 1 结构类型 ( 2 ) 结构类型2 ：戬p l c 躐控翩器傲一类主站，靛控站通过串口与p l c 一对 一的连接。送种结构类型，监控站不在p r o f i b u s 网上，不是二类主站， 不能袁接读敬献站数据和完成远程参数亿工作。监羧靖所需要髂鼠站 数据只能从p l c 或掇制器中读取。如图所示： 图3 2 缝撬类型2 ( 3 ) 结构类型3 ：以p l c 或其它控制器做一类主站，监控站( 二类主站) 连接 p r o f i b u s 总线上。这萃申结构黉壅，蕴控站在p r o f i b u s 网上俸为二类主站，哥完 成远程编程、参数化殿在线监控功能。如图所示： 蚕3 - 1 3 缝梅类型3 ( 4 ) 结构类楚4 ：使用p c 机加p r o f i b u s 网卡做一类主站，脓控站与一类主站 一终纯这是一个低残零方案，毽跨撬应选曩舆骞裹霹靠控、熊长嚣瓣连续运行 的工业级p c 机。对于这种结构类型，p c 机故障将导致整个系统瘫痪。另外，通 信摸投厂囊逶鬻只提供一个摸援豹驱凌程旁，慧线控割、鼠站控铡程黟、监控程 序可能要由用户开发，因此应用开发正作量可能会比较大。如图： 圈3 一1 4 结糖类型4 ( 5 ) 结构类型5 ：坚固式p c 机( c o m o p a c tc o m p u t e r ) + p r o f i b u s 网卡+ s o f t p l c 的结构形式。如果上述方案中p c 祝换成一台坚嗣式p c 机，系统可靠健将大大增 强，足以使用户信服。但这是台监控站与一类主站一体化控制器工作站，要求 它的软件完成如下功熊： 支持编程，包括主站应用稷序的开发、编辑、调试。 执行应用程序。 通过p r o f i b u s 接口对从站静数据读写。 从站远程参数化设鬻。 主觚站敌簿报警及记录。 支持设备图形监控嘲面设计、数据库建立等监控程序的开发、调试。 设餐妖态在线圈形簸控、数据存储及统计、撮表等功能。 谶来出现种称为s o f t p l c 的软件产品，是将通用型p c 机改造成一台由软 传( 软逻辑) 实现魏p l c 。这耱软传将p l c 豹编程及斑雳程痔运行动煞，j 整操作 员监控站的图形监控歼发、在线监控功能集成到一台嫩固式p c 机上，形成一个 p l c 与l | 釜控蘩一体鹣簸控器王终菇。麴图繇表示： 图3 1 5 结构类型5 ( 6 ) 结构类黧6 ：使用两缀瞬络结构，这释蠢案充分考虑了来来扩展需要，魄 如要增加几条生产即扩展出几条d p 网络，车间监控要增加几个监控站等，都可 虢方後进行扩震。鲡鬻所表菇鼍的为采羹l 了两级两络缩稳形式： 圈3 - 1 6 缩构类型6 3 。4p r o f i b u s 一器p 飘逶穰接蠹耱嚣发 p r o f i b u s 是开放的，与制造商无关，没有知识产权保护的标准。世界上经 何入都可敷获德这个标准并开发设计籀鲁己的软、硬件解决方案。原则上， p r o f i b u s 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 串行遴信接嗣( u a r t ) 帮可完成。僵警数据传输速率超过5 0 0 k b i t s ，绒需要便 用i e c l1 5 8 2 传输技术时，般建议使用协议专用芯片。p r o f i b u s 的a s i c 简化 了第三方部彳辛粒系统麓p r o f i b u s 现场总线的连接。哭骞瘸这貉a s i c ，才能这魏 p r o f i b u s d p 所需要的最大传输速率1 2 m b i t s 。以下对常用的a s i c 的功能特点 镞一说赞： 一嫩设备的a s i c a s p c 2 ( a d v a n c e ds i e m e n sp r o f i b u sc o n t r o l l e r ) 是焉予主设备翁餐能避 信芯片。这种a s i c 适合于连接到p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s - f m s 的主接口模块。 鼹予p r o f i b u s 一静簿翡最大接辕速率为l 巍b i t s 。 二橱能从设餐a s i c s p c 3 ( s i e m e n sp r o f i b u sc o n t r o l l e r ) 筵用于觚设备韵智能通馕芯片，它 可连接到p r o f i b u sd p 。最大传输速率为1 2 m b i t s 。 三。带有处瑷器内辕瓣获设备a s i c d p c 3 l 将s p c 3 、s p c 4 和微处理器8 0 3 t 集成到一起。d p c 3 1 可作为d p 从控制 器，麓有缀离豹灵活襁，西戴麓适合于各释疲用场合。 d p c 3 1 特别适合于本征安全应用，因为它是一种低功率系统。它可连接到 p r o f i b u s d p 翻p r o f i b u s p a 。 d p c 3 1 通过使用s i m l 为逐接符合i e c l1 5 8 2 传输规程的p r o h b u s - p a 提供 了一转集藏豹紧凑韵瓣决方案。 用于p r o f i b u s d p 的最大速率为1 2 m b i t s ：用于p r o f i b u s - p a 的最大传输 速率必3 1 。2 5 k b it s 。 四简单从设备a s i c s p m 2 ( s i e m e n sp r o f i b u sm u l t i p l e x e r ) 怒耪瘸子薅荸从浚器豹单片鳃决 方案。l s p m 2 ( l e a ns i e m e n sp r o f i b u si u l t i p l e x e r ) 是用于简单从站协议芯片。 可瘸予传感嚣、执行糗鞫、嚣关设备、显忝浚冬襄热泡猖溺爨。这硬耱a s i c 蕊 片支持p r o f i b u s d p 协议，l s p m 2 采用小尺寸封装，熙适合体积小的虑用场合。 两者鹣最大傣辕速率酃为1 2 m b i t s 。 s p m 2 具有6 4 i i o 位接口。采用1 2 0 管脚p q f p 封装部分i o 可设置为输入戚 输出。具有i 0 诊疑艇。实酝上s p m 2 霹完全独立处联数据恧不霉要另如微处理 器和篡它的硬件电路。所以便用s p m 2 和其它一些外围器件即可连接成 p r o f i b u s d p 功能。l s p m 2 与s p m 2 同榉的功能，难一的麓剐就是它只有3 2 位i 0 ， 使用8 0 管脚的p q f p 封装。 s p m 2 和l s p m 2 可以独立处理通信执议，只要将管脚接到i o 信号线上及总线 电缆上就可以了。对它们的操作就如陌是d p 上的一个从站。潞它们从主站接受 到一个无错擞文爱，可独立痢圭站发出应答搬文。 a s i c 处璃总线节点与网络之间的很大一部分的通信任务。s p m 系统( s p m 2 和l s p m 2 ) 的a s i c 完全和独立地处理所有通锖任务。只需在攒针上加上正确的 信号。不需要附加的处理器或固件。 s p c 系统( s p c 3 ，s p c 4 i ，s p c 4 2 ，d p c 3 1 和a s p c 2 ) 的a s i c 商一个处理器接口。 它们需要用语a s i c 和应用之闻的接翻的附加蕊件。 图3 - 1 7 按应用和形式的a s i c 分类 3 4 1p r o f i b u s 协议专用a s i c s 芯片s p c 4 芯片 a s i c s 芯片s p c 4 是一种用于从站的智能通信芯片，由于该芯片具有低功耗 管理系统，因此特别适合用于本征安全场合。p r o f i b u s p a 是用于过程自动化的 p r o f i b u s 。物理层传输技术符合i e c l l 5 8 2 ，而链路层以上与p r o f i b u s d p 相同。 p r o f i b u s p a 可用于本征安全场合。s p c 4 用于p r o f i b u s d p 从站连接时使用带隔 离的r s - 4 8 5 驱动。s p c 4 还提供了s i m l 的同步接口。s i m l 芯片用于p r o f i b u s p a 单元，数据传输符合i e c l1 5 8 - 2 。s p c 4 具有1 5 k b y t e 的信息报文存储器，采用 4 4 管脚的p q f p 封装。 s p c 4 可处理报文，地址码及备份数据序列，可完全按照协议，完成 p r o f i b u s d p 网络上的数据通信，加快了协议的处理过程，现场设备及接口模块 中微处理器的工作可以减轻。总线存取采用硬件驱动。p r o f i b u s f m s 和p a 协议 以及d p 的参数设置和诊断功能均可由固态程序完成。s p c 4 需要与微处理器及其 他固态程序一起工作。 s p c 4 主要技术指标： 支持p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 协议。 最大数据传输速率为1 2 m b i t s ，使用i e c l l 5 8 2 技术时数据传输速率为 3 1 2 5 k b i t s ，可自动检测并调整数据传输速率。 与8 0 c 3 2 、8 0 x 8 6 、8 0 c 1 6 5 、8 0 c 1 6 6 、8 0 c 1 6 7 粒h g l 6 、h c 9 1 6 系列蕊冀燕 褰。 掇袋p r o f i b u s - d p 舜步接强震p r o f i b u s - p a i e c l1 5 8 2 嚣嚣疹援鞠。 唾蛰瓣戆p q f p 封装。 5 v 戏3 3 v d c 供魄，低功耗。 鬻态援精 源酶方式撼键) 霹寅蕊凌s p c 4 内瓤鼯攀器与成麓接懿_ 之搁连接。 鞭态疆玲翁运行萋二哥凝爨浚蘩孛魏镦处壤器，受惑照提供了麓零连接魏接固。 搜冈s p c 4 疯耀黪p r o f i b u s - d p 键戆扶蛙设螽，魏黼惩承。 f | 薅豢掩帮l 一” | 黼圭壤 卜o | 熏羲粪符番美鼙褡 、“_ - u _ _ ，一。+ j p r o f l b u s 巷1 蠢蒋髯蓑鼙授鬻熏辩瓣崔赣耱 圈3 - 1 8 搜崩s p c 4 实现熬p r o f i b u s 智能献站设餐 3 4 2p b - b - r s 2 3 2 搂嚣横浚 p b - b -