现场总线PROFIBUS-DP技术及应用

现场总线PROFIBUS-DP技术和应用、重点和难点在SIMATICS7系统中在PROFIBUS-DP、STEP7中构成PROFIBUS-DP和系统功能在SFC的PROFIBUS-DP通信中的应用。 基本要求1 .掌握熟悉数据通信的基本知识PROFIBUS的基础知识SIMATICS7系统的PROFIBUS-DP，4 .在熟练的STEP7中构成PROFIBUS-DP5.熟悉系统功能SFC在profibus-DP通信中的应用本章内容1 .数据通信的基本知识2 .计算机通信的国际标准3.PROFIBUS的基础、4.SIMATICS7系统中的PROFIBUS-DP； 在STEP7中构成PROFIBUS-DP的6 .系统功能SFC在PROFIBUS-DP通信中的应用。6.1数据通信的基本知识通常将具有一定的编码、格式、位长要求的数字信号称为数据信息。 数据通信是通过适当的传输线路将数据信息从一个装置传输给另一个装置。 另外，这里的设备为计算机、PLC或具有数据通信功能的其它数字设备。 数据通信系统的任务是连接地理位置不同的计算机、PLC和其他数字设备，有效地完成数据传输、信息交换和通信处理三项任务。 此外，数据通信系统一般地由传输设备、传输控制设备和传输协议、通信软件等构成。 1 .数据传输方式按时间顺序被分类为以下2种。 (1)并行传输和数据通过多个信道同时传输，用于近距离传输。 (2)串行传输和数据在一个信道上按比特顺序传输。 根据是否移动和调试，分为以下两种。 (1)基带传输(2)带传输、图6-1的三种调制方案的示意图、2 .串行通信中的两种同步技术异步传输也被称为起始停止传输，并且为被传送的每条字符存在一个附加的开始比特和多个停止比特。 另外，同步技术传输整个数据块(帧)，并利用定时信号(时钟)实现与发送侧的同步。 同步传输以字节为单位传输1-2个同步字符、多个数据字节和检查字符。 通过调制解调器方式从数据流中提取同步信号，如图62中所示，接收侧得到与发送侧同步的接收时钟信号。 图6-2异步传输和同步传输，3 .线路通信方式(1)单工通信方式。 单工通信是指如图6-3(a )所示信息的传送总是向相同的方向不能反转。(2)半双工通信方式。 所谓半双工通信，如图6 b所示，信息流在两个方向上传递，但同时刻被限制为一个方向。 (3)全双工通信方式。 如图6 c所示，全双工通信能够在两个方向上同时进行发送接收。 a侧和b侧两者都可以一边发送数据一边接收数据。 另外，图6-3线路通信方式、4 .传输率是指在单位时间内传送的信息量，传输率(也称为波特率)的符号是bit/s。 数据传输定义了三种速率：调制速率、数据信号速率和数据传输速率。 (1)调制速率。 通常用于表示调制解调器之间传输信号的速度。 (2)数据信号速率。 数据信号速率是单位时间内通过信道的信息量，单位为比特/秒(bitpersecond )，用比特/s表示。 (3)数据传输速率。 数据传输速率是单位时间内传输的数据量，通常以字符/分钟为单位。 5 .由于差错控制通信工具可以实现高可靠性，因此认为数据通信的差错主要由数据传输信道来引起。 简要介绍了错误控制的一般方式和代码。 (1)差错控制方式差错控制方式对传送的数据信号进行差错检测和纠错。 分为以下四种方式。 自动检测错误重发(ARQ )。 前向纠错(FEC )。 混合纠错(HEC )。 不需要编码的错误控制。 (2)几个常用的检错码奇偶校验码。 以字符为单位的验证方法。 一个字符通常由8比特构成，低位7比特是信息字符的ASCII，高位比特是奇偶校验位。奇偶校验码只添加1比特奇偶校验码，效率高，因此被广泛应用。 循环冗馀校验(CRC )代码。 在采用CRC码的情况下，通常在信息长度为k比特的二进制序列之后附加r(r=nk )位的监视比特，构成代码长度为n的循环码。 另外，传输介质现在常用的传输介质是同轴电缆、双绞线、光缆。 其他介质，例如收音机、红外线、微波等，很少应用于PLC网络。 其中双绞线(带屏蔽)成本低、安装简单的光缆尺寸小、重量轻、传输距离远，但成本高，安装修理需要专用设备。 具体的性能比较如表6-1所示。 表6-1传输介质的性能比较，7 .串行通信接口标准串行通信的连接接口和连接电缆看起来直观，它们的相互互换性是能够保证通信的第一要求。 (1)RS-232C串行接口标准接口的机械特性接口的电气特性RS-232的不足之处，(2)RS-449和RS-422A/423A标准(3)RS-485标准， 8 .网络概念网络是通过通信线路将分布于不同地理位置的具有独立功能的计算机、终端和附属设备连接到通信设备上，并配置网络软件以实现计算机资源的共享的系统。 网络根据拓扑结构分为总线型、星型、环型、网状型、树型和斯特林型。 9、网络发展过程(1)具有通信功能的单体系统。 (2)具有通信功能的多机器系统。 (3)以共享资源为主要目的的计算机网络。 (4)LAN网络及其相互连接主要是支持环境的分散计算阶段。 图6-4ISO企业自动化系统模型，图6-5SIMATIC网络，(1)AS-I网(2)PROFIBUS(3)工业以太网，6.2计算机通信国际标准，计算机通信网络中，所有通信设备和网站都是网络的但是，因为连接到互联网的机器和电脑根据制造商的不同有可能不同，所以机种也不同，硬件和软件的不同会给通信带来障碍。 因此，在计算机通信网络中，为了实现相互的通信和资源的共享，需要所有网络的“成员”一起遵守的约定，通常将该约定称为网络协议。 6.2.1OSI模式国际标准化组织制定了信息处理领域最重要的标准，提出了开放系统互联(OSI )的参考模式，以下对该模式进行简要介绍。 1.OSI模型结构层，图6-6OSI参考模型，2 .物理层(PL )协议物理层是通信网络上每个设备之间的物理接口，直接将数据从一个设备传输给另一个设备。 物理层协议规定了以下四个特性。 (1)机械特性：规定了连接器或插件的规格和安装。 (2)电特性：规定传输线上的数字信号的电平、传输距离、传输率等。 (3)功能特性：定义了连接器内各管脚的功能。 (4)进程特性：规定信号之间的时序关系，正确地收发数据。 3 .数据链路层(DLL )协议DLL提供一种确保物理链路的可靠性以及建立和释放链路的方法，以对所发送的数据进行帧化，并且进行错误控制和媒体访问控制。 4 .局域网(LAN )协议局域网的地理范围小，一般只有100250m，是广泛使用的网络技术。 参照OSI模型，LAN采用总线型或环形拓扑，没有中间交换点，无需选择路径。 6.2.2现场总线随着计算机、控制器、通信、显示技术的发展，为了解决过程控制系统中信号的互兼容、布线变得越来越复杂的问题，现场总线控制系统(FieldbusControlSystem ) 现场总线可以使系统具有以下特性： (1)良好的保守性；(2)开放性和扩张性；(3)良好的经济性、现场总线的主要特点如下： (1)全数字通信。 (2)可以实现完全的分散性和分布性。 (3)具有较强的信息整合能力，实现设备状态故障、参数信息的一体传输。(4)节约连接线，减少安装和维护费用。(5)互操作性和兼容性。 可以更换不同制造商性能相似的设备。 目前流行的现场总线主要有： (1)基金会现场总线(FF)(2)流程现场总线(ProcessFieldBus，PROFIBUS)(3)控制器区域网络(contro 按照国际电工委员会(IEC )标准和现场总线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输多分支结构的通信网络。 8种现场总线国际标准分别以类型1IEC技术报告(即FF的H1 )类型2控制net类型3Profibus类型4P-Net (丹麦过程数据公司支持)类型5 f 类型6SwiftNet (美国波音公司支持)类型7WorldFIP (法国Alston公司支持)类型8Interbus ，(不改变IEC61158技术报告的内容。 (2)8种类型都是平等的，类型28为类型1提供接口，标准不需要在类型28之间提供接口。 IEC62026是用于低压开关设备和控制设备的控制器电接口标准，于2000年6月通过。 其中包括(1)IEC62026-1的一般要求(2)IEC62026-2致动器传感器接口as-I (活动传感器接口)。(3)IEC62026-3设备网络dn (设备网络) (3)IEC62026-3局域网(LonWorks )总线的通信协议LonTalk。(5)IEC62026-5智能配电(智能分布式)系统(SmartDistributedSystem，SDS) (6)IEC62026-6串行多路控制总线(serialmultiplexentr 另外，IECSC17B (国际电气委员会负责低压电气设备的第17B标准化技术委员会)也通过了SDS(smartdistributedsystem )三种现场总线国际标准(2) ASI (actuatorsensororinterface ) -致动器传感器接口(3)DeviceNet设备网络国际标准化组织ISO11898决议也发表，CAN(ControlAreaNetwork )总线被认定为国际标准。 在实际设计中，将复杂的控制问题分层是普遍的做法，一般的工业通信网络的结构如图6-7所示。 图6-7工业网络通信的结构、工业通信网络的结构可以分为三个层次。 (1)监控管理级(2)生产和过程控制级(3)传感器/驱动级、6.3PROFIBUS基础、PROFIBUS (过程现场总线)在世界市场中所占份额达到21.5%，位于所有现场总线的首位。 PROFIBUS是目前最成功的现场总线之一，被广泛应用。 独立于制造商的开放现场总线，各种自动化设备可以通过同一接口交换信息。 很多制造商提供优秀的PROFIBUS产品，用户可以自由选择最合适的产品。 PROFIBUS已成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170，拥有世界上最多的用户数。 SIMATICS7是一个由PROFIBUS现场总线组成的系统，是一个很好的工业自动化解决方案。 PROFIBUSDP网基于西门子公司开发的现场总线技术。 PROFIBUS是一种开放的现场总线标准，由主站和从站构成，主站可以控制总线，主站获得总线的控制权后，可以积极地发送信息。 从站通常是传感器、执行元件、驱动器、变送器。 可以接收信号并作出响应，但您没有控制总线的权限。 主站提出请求时，从站返回与主站相应的信息。 PROFIBUS除了此主站从站外，还支持多主站从站的模式。 PROFIBUS协议基于ISO/OSI参考模型，将第一层作为物理层，定义了物理传输特性的第二层是数据链路层，未使用第三层至第六层PROFIBUS； 第七层是应用层，定义了应用的功能。此简化的结构确保了PROFIBUS-DP的高速、高效的数据传输。 PROFIBUS包括专用设备(profibus-DP )、专用设备(pa )、专用设备(FMS )。6.4SIMATICS7系统的PROFIBUS-DP、6.4.1PROFIBUS-DP概要profibus-DP (decentralizedperipherry )用于设备级自动控制系统与外围设备的通信连接。 PROFIBUS-DP协议结构符合国际标准化组织的开放系统交叉参考模型，使用其中的第1层、第2层和用户界面，而不使用第3层到第7层。 直接数据链接映像程序(DDLM )提供了访问用户的接口。 其传输介质有金属双绞线、光纤、传输速度9.6kbit/s12Mbit/s，不增加中继器时，每站最多有32个站点。 此外，中继器可以延长网络通信的距离，并且可以已授权加入网络设备，并且每个中继器可以添加32个设备。 网络最多可以使用9个转发器。 图68所示的DP网络是多主-多从的系统结构。 此外，为了在单元层(时间要求不严格)和现场层(时间要求严格)满足不同的要求，图6-8的网络架构图提供了西门子公司以下的网络。 (1)基于多点接口协议的数据通信(2)工业以太网(3)PROFIBUS，(4)点到点的连接(通过AS-I网络的进程通信AS接口(6)可编程控制器的网络， sine CS1sine cl1sine Cl2sine ch 1sine ch 3，图6-9由西门子PLC组成的DP网络系统，PROFIBUS区分主站和从站。 PROFIBUS主站管理总线上的数据流。 主站只要有权访问总线的令牌，就可以在不被请求的情况下发送消息。 主站在PROFIBUS协议中也被指定为主节点。 PROFIBUS从站是执行元件、传感器、变频器等简单的I/O设备。 令牌是不能接受的。 也就是说，