第4讲PROFIBUS现场总线

第四讲PROFIBUS现场总线-2,PROFIBUS,4.4PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA,什么是PROFIBUS-PA?本质,PROFIBUS-PA=PROFIBUS-DP通信+对现场设备优选的传输技术,PROFIBUS-PA,+,PROFIBUS-DP,PROFIBUS-PA,什么是PROFIBUS-PA?应用范围,变送器、阀、执行器等等通过串行总线系统连接在化学工业和过程控制中使用通过数据线对现场设备供电在危险区域(EExi型保护区域)应用,PROFIBUS-PA=用于过程自动化的PROFIBUS,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA适应所有过程自动化领域,对防爆和非防爆区域过程自动化的低端应用，PROFIBUS-PA是优选的。PROFIBUS-PA完全满足化学工业用户组织(如NAMUR)对数字现场总线的要求,性能,价格,PROFIBUS-PA,Zone2,采用PROFIBUS-PA技术，PA设备运行在下列防爆区域,Zone0:危险的爆炸瓦斯气体经常或长期存在的区域Zone1:在正常运行期间危险的爆炸瓦斯气体有可能存在的区域Zone2:不希望在正常运行期间存在危险的爆炸瓦斯气体的区域,Zone1,Zone1,Zone0,Zone0,Zone0,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA与420mA系统的比较,总线耦合器1,I/O模块(1-x),PROFIBUSPAn,PROFIBUSPA1,总线耦合器n,连接总线,PROFIBUSDP,4.20mA系统,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA,节省成本的潜力安装,节省电线PLCI/O板安装元件(Ex-/电流隔离器等)排列机架空间,减少错误减少安装时间,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA的基本成份PROFIBUS-DP现场总线系统,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA的组态,拓扑,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA的组态现场设备的供电,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA的成份网络元件耦合器和链接器,PROFIBUS-PA,耦合器的功能,段耦合器在不同的传输技术之间提供一个网关（gateway),PROFIBUS-PA,IEC1158-2,RS485,PROFIBUS-DP,异步NRZ编码1Byte=11Bit(8个用户位+1开始位+1停止位+1奇偶校验位)可变的波特率,同步Manchester编码1Byte=8Bit固定波特率=31.25kBit/s,DP/PA耦合器,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA的组态循环时间(例),PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA的组态循环时间(概述),PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA的组态现场设备访问,PROFIBUS-PA,从现今的4-20mA很容易转移到PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA协议功能,PROFIBUS-PA以PROFIBUS-DP为基础。通过标准的DP周期性数据交换功能传输量值和状态。对于设备参数的传输和用工程工具的设备运行，使用扩展PROFIBUS-DP的非周期性读写功能。PROFIBUS-PA行规定义有关PA功能映象。,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA的基本成份DP协议，周期的和非周期的,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA的组态设备行规(简单现场设备),PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA行规确保互操作性,定义运行、识别、维护、诊断等参数定义数据（如温度、压力、流量等）的含义定义一个模拟量，含范围、工程单位和状态依据国际承认的功能块技术定义通信子集和设备行为支持简单的（单变量）和复杂的（多变量）设备结合化学工业的应用开发的,PROFIBUS-PA,A类:描述简单设备的公共参数。对运行阶段的基本功能限定了范围。参数包括过程变量（如温度、压力、液位等）的被测量值，和工程单位。B类:对A类的扩展，包括识别、维护和诊断等更复杂的应用功能。这两类的参数关系在行规的一致性陈述中被说明。,PROFIBUS-PA行规定义两类,PROFIBUS-PA,行规包括两部分,一般定义定义启动，操作功能等定义此设备与PROFIBUS-PA间的关系对所有类型的设备都有效设备数据单每个设备类型(如变送器、阀)有各自的设备数据单（GSD）定义此设备的特定参数和操作,PROFIBUS-PA行规的两个部分,PROFIBUS-PA,变送器温度压力液位流量执行器阀数字I/O,PA行规的设备数据单常见类型,PID-控制器,PROFIBUS-PA,PA设备的标准参数,PROFIBUS-PA,PA行规标准化的设备参数,12bar,8bar,0bar,-12bar,测量范围极限,测量传感器的物理极限,测量范围极限,测量传感器的物理极限,例：功能块模拟输入，压力变送器,PROFIBUS-PA,状态字节,对每一个过程变量都附有一个状态字节,GR,QS,QS,QU,MSB,LSB,被测量值的质量(好，坏，不确定,.),子状态(关于质量的进一步说明，如组态错、传感器失效、服务状态),极限(无限、低限、高限、常量),PROFIBUS,4.5PROFIBUS-FMS,FieldbusMessageSpecification,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-FMS协议结构,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-FMS的特点:,为连接智能现场设备而设计,如PLC,PC有强有力的应用服务，功能广泛面向对象的协议具有多主和主-从通信通信方式可以点对点、广播和局部广播通信周期性和非周期性的数据传输每个设备的用户数据多达240个字节得到所有主要PLC制造商的支持可以提供大量的产品，如PLC,PC,VME,MMI,I/O.,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-FMS面向对象,变量、参数、程序均设计为对象每个对象都有确定的特性(读,写.)所有对象被列在对象字典(OD)中,控制器,一个典型的FMS设备的对象,停机时间,故障率,件数,通信关系,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-FMS,通信对象的类型,PROFIBUS-FMS,FMS对象的特征,每个对象包括:,指针访问此对象的号对象代码此对象的数据类型对象属性如，不删除名称对象全名(可选)内部地址对象的实六位地址访问权如写保护扩充用户定义,所有FMS对象都进入对象字典(OD),PROFIBUS-FMS,对象字典(OD)对象字典包括如下部分,头部包含此OD的结构信息数据类型字典包括所支持的静态数据类型表(如，布尔、整数、浮点数.)静态对象字典包括静态通信对象表(如，停机时间、故障率.)动态变量表的表*包括所有现今已知变量表的表动态程序表*包括所有现今已知程序的表,*这些部分是可选的，仅对某些设备存在。,PROFIBUS-FMS,例:一个简单设备的OD,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-FMS支持如下类型的对象,静态通信对象(这些对象登入静态对象字典),简单变量：变量类型如整数、布尔数.数组：同类型的简单变量的数组记录：各种类型的简单变量的数组区域：大数量的数据事件：事件信息,程序调用：程序的描述变量表：简单变量、数组或记录,动态通信对象(这些对象登入动态对象字典),PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-FMS服务,事件管理事件通知带类型的事件通知事件通知响应事件后状态监视,上下关系管理初始化取消拒绝,所有PROFIBUS设备都支持有下划线的服务，对其他服务的选择，在PROFIBUS行规中规定。,OD-Management获得OD初始化放置OD放置OD终止放置OD,VFD支持状态未经请求的状态识别,变量存取读带类型的读写带类型的写物理读物理写信息报告带类型的信息报告定义变量表删除变量表,程序调用管理建立程序调用删除程序调用开始、停止、继续、复位、删除,区域管理初始化下载序列下载区段终止下载序列初始上装序列上装区段终止上装序列请求区域下载请求区域上装,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-FMS的通信关系站之间的数据传输通过通信关系来执行。,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS,4.6PROFIBUS的实现,PROFIBUS的实现,实现的可能性,PROFIBUS是开放的、与制造商无关的、无知识产权保护的标准。因此世界上的每个人都可以获得这个标准并设计各自的软、硬件解决方案。一个既容易又便宜的途径是采用基础的软件（协议栈）和硬件(ASICs)解决方案，它是为大量不同设备的一般使用而开发的。对DP从设备的单芯片实现最简单的实现形成所有功能用硬件实现不需要软件节省空间、低成本用ASIC和处理器实现FMS,DP,PA高灵活性、对主从适用苛刻的时间功能用硬件实现用软件实现通信和应用功能可以混合实现FMS,DP,PA,PROFIBUS的实现,对小批量生产和快设计生产的设备，可提供全部PROFIBUS连接的小型插件板。,对从设备小型模块作为插入板，它带有:PROFIBUSRS485连接具双RAM介面的主连接基于微控制器和从ASICs(如，SPC3),对主设备小型模块作为插入板，它带有：PROFIBUSRS485连接具双RAM介面的主连接基于微控制器和主ASICs(如，ASPC2),PROFIBUS的实现,可提供的ASICs（Profibus通信控制器）,PROFIBUS的实现,对PROFIBUS-DP从设备单片实现,最简单的实现方式快速、全功能用硬件实现不需要软件高效节省空间立即可以提供！即插即用,PROFIBUSRS-485Interface,PROFIBUS的实现,PROFIBUS-DP从设备、单片、12M波特率,32I/O+8位诊断,64I/O+16位诊断,LSPM2,SPM2,MQDP外壳,PQFP外壳,尺寸ca.4cm80针MQDP外壳,尺寸ca.10cm120针PQFP外壳,PROFIBUS的实现,适用于FMS/DP/PA，用ASIC和处理器的实现,巨大的灵活性、适应于主设备和从设备快速、苛刻的时间功能用硬件实现微处理器运行协议应用软件支持波特率可达12MBit/s允许FMS/DP/PA混合实现立即可提供协议软件!最多使用的实现方法,1,000,000,PROFIBUS的实现,对PROFIBUS-DP智能从设备用单微控制器的实现,用户应用软件,应用接口和PROFIBUS-DP软件,用户应用硬件,微控制器:,协议Asic如SPC3/SPC4IX-1,总线接口RS485/光纤,地址,数据,PROFIBUS,PROFIBUS的实现,对PROFIBUS-DP/FMS智能从设备复杂的实现,带微控制器的主机,双RAM,命令,数据,本地RAM,本地Eprom,协议lASIC如SPC3,SPC4IX-1,RS485/光纤接口,16位微控制器,主机运行有关微控制器的应用软件,PROFIBUS接口运行有关微控制器的协议软件,PROFIBUS,PROFIBUS的实现,PROFIBUS-PA现场设备接口的实现(如，PROFIBUS-PA温度变送器的接口),I,BusconnectiontoIEC1158-2technology,现场设备PROFIBUS-PA接口是很小的，只需很少的ASICs采用低电耗的微控制器和低电耗的PROFIBUSASICs可减少电耗以确保通过总线的供电量小于10mA.,PROFIBUS的实现,主设备接口的实现(如，PLC的PROFIBUS-DP接口),PROFIBUS的实现,串行PROFIBUS-控制器SPC3(Siemens),总线接口单元,中断控制器,看门狗,模式/状态/参数寄存器,微序列器,RAM控制器,UART,空闲定时器,波特率发生器,SPC3内部1.5kBRAM,CPU控制线,数据线,地址线,TxD,RxD,时钟分频输出,时钟输入,PROFIBUS的实现,75ALS176D差分总线收发芯片（驱动器）,PROFIBUS的实现,PROFIBUS-DP从站智能测控节点的系统设计,PROFIBUS的实现,硬件设计(1)-总体,PROFIBUS的实现,硬件设计(2)-数字量输入输出,当跳线JP1的1-2短路，JP2的1