PROFIBUS 现场总线

1、第4章 PROFIBUS 现场总线4.0 PROFIBUS概述PROFIBUS (Process Fieldbus的缩写)是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准。它广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他自动化领域。PROFIBUS技术的发展经历了如下过程:1987年由德国SIEMENS公司等13家企业和5家研究机构联合开发；1989年成为德国工业标准DIN19245；1996年成为欧洲标准EN50170V.2(PROFIBUS-FMS-DP);1998年PROFIBUS-PA被纳入EN50170V.2；1999年PROFIBUS成为国际标准IEC611

2、58的组成部分 (TYPEIII)；2001年成为中国的机械行业标准JB/T10308-3-2001；2006年成为中国的国家标准GB/T20540-2006。PROFIBUSPROFIBUS由以下三个兼容部分组成由以下三个兼容部分组成: :1.PROFIBUS-DP:用于传感器和执行器级的高速数据传输，它以DIN19245的第一部分为基础，根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充，DP的传输速率最高可达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。2. PROFIBUS-PA具有本质安全特性，它实现了IEC61158-2规定的通信规程。 PROFIBUS-PA是

3、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，代替了4-20mA模拟信号传输技术。因此，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。3.PROFIBUS-FMS:解决车间一级通用性通信任务，FMS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，因此它考虑的主要是系统的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)。可用于大范围和复杂的通信系统。PROFIBUS技术的发展趋势 重点发展PR

4、OFIBUS-DP、-PA，放弃FMS，发展综合了以太网技术、允许集成PROFIBUS 和其他现场总线技术的PROFINet技术。4.1 PROFIBUS的通信模型和协议类型 PROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型的第1层（物理层）和第2层（数据链路层），其中FMS还采用了第7层（应用层）,另外增加了用户层。PROFIBUSDP和PROFIBUSFMS的第1层和第2层相同， PROFIBUS-FMS有第7层，PROFIBUSDP无第7层。PROFIBUSPA有第1层和第2层，但与DP/FMS有区别，无第7层。PROFIBUSPROFIBUS的通信模型的通信模型 4.2 PROFI

5、BUS的数据传输和拓扑结构4.2.1 用于DP和FMS的RS-485传输技术4.2.2 用于PA的IEC61158-2传输技术4.2.3 光纤传输技术4.2.1 4.2.1 用于用于DPDP和和FMSFMS的的RS-485RS-485传输技术传输技术Profibus最常用的传输技术采用屏蔽双绞电缆屏蔽双绞电缆连接（符合EIA RS-485标准)总线段的两端各有一个终端器终端器传输速率传输速率从9.6kbit/s到12Mbit/s可选（与传输距离有关）每段32个站（无中继器）或127个站（带中继器）采用9针D型插头连接器RS-485总线段的结构 连接PROFIBUS电缆总线终端电阻开关VP（6）

6、DGND（5） 390Ohm220Ohm390Ohm390Ohm220Ohm390Ohm站点数 Max：32个1. 1. 传输序列传输序列半双工、异步、无间隙同步NRZ（不归零）编码1个字符祯 = 1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位、1个停止位二进制 “1” 对应于RXD/TXD-P线上的正电位，而在RXD/TXD-N线上为负电位各报文之间的空闲（idle）状态对应于二进制的 “1”信号A号线对应于RXD/TXD-N信号，而B号线对应于RXD/TXD-P信号NRZ（不归零）编码的信号波形B导线导线二进制信号二进制信号A导线导线10110102. 2. 传输电缆传输电缆最大长度与波特率有关，

7、速率越高，距离越短总线上的所有设备（站点）都要采用相同的传输速率A型电缆（0.34mm )和B型电缆(0.22mm )223.3.总线连接总线连接国际性的PROFIBUS标准EN50170推荐使用9针D型连接器用于总线站与总线的相互连接（9针头）。D型连接器的插座与总线站相连接，而D型连接器的插头端与总线电缆相连接。总线终端器总线终端器根据EIA RS-485标准，在数据线A和B两端均加接总线终端器终端器包括1个下拉电阻和1个上拉电阻空闲状态（idle)：终端电阻保证了总线上确定的空闲电位可以由跳接器或开关来启动4. 拓扑结构拓扑结构4.2.2 4.2.2 用于用于PAPA的的IEC61158

8、-2IEC61158-2传输技术传输技术IEC61158-2标准位同步协议最大特点是通过总线对现场设备供电，确保本质安全适用于对安全性要求较高的应用场合4.2.2 4.2.2 用于用于PAPA的的IEC61158-2IEC61158-2传输技术传输技术1. 1. 数据传输数据传输采用非直流传输的位同步、曼彻斯特编码 (也称H1编码)。正跳变-“0”，负跳变-”1”数据的发送采用对总线系统的基本电流IB调节9mA的方法实现 。PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA的数据传输的数据传输4.2.2 4.2.2 用于用于PAPA的的IEC61158-2IEC61158-2传输技术传输技术2. 2

9、. 传输电缆传输电缆采用屏蔽/非屏蔽双绞线4种电缆类型总线长度：200-1900米3. PA的总线连接的总线连接4. 拓扑结构拓扑结构Profibus-PA的网络拓扑的网络拓扑树型、总线型和混合型树型、总线型和混合型4. 拓扑结构拓扑结构树型结构是典型的现场安装技术，现场分配器负责连接现场设备与主干总线，所有连接在现场总线上的设备通过现场分配器进行并行切换。PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA树型结构树型结构PROFIBUS-DP终端电阻终端电阻DP/ PA耦合器（Exi）控制器供电设备（Exi）多路分配器现场设备现场设备现场设备现场设备控制室现场总线型结构：提供了与供电电路安装类似的

10、沿现场总线电缆的连接点，现场总线电缆可通过现场设备连接成回路，其分支线也可连接一个或多个现场设备。终端电阻总线型结构总线型结构终端电阻PROFIBUS-DPPROFIBUS-PADP/ PA耦合器（Exi）控制器供电设备（Exi）控制室现场现场设备现场设备现场设备现场设备现场设备树型与总线型的组合结构：基于IEC61158-2传输技术总线段与基于RS485传输技术总线段可以通过DP/PA耦合器或链接器相连，耦合器使RS485信号和IEC61158-2信号相适配。供电设备（Exi） 树型与总线型的组合结构II P R O F I B U S - P A / IEC61158-2PROFIBUS-

11、DP终端电阻终端电阻DP/ PA耦合器（Exi）控制器现场设备现场设备控制室现场I I I多路分配器现场设备现场设备现场设备外接电源非本质安全区本质安全区PROFIUS DPS7 400 ControllerSystem busIndustrial Ethernet / Fast EthernetDP/PA-LinkGas AnalyserFlowPressureTemperaturepH,C,O2Valve PositionerLevelPROFIBUS PAPROFIBUS PA耦合器耦合器DP/PA coupler的主要的主要作用：作用：1.1.实现物理层的转换实现物理层的转换2.2.通

12、过总线向现场仪表供电通过总线向现场仪表供电3.3.安全栅功能：安全栅功能：实现危险区与安全实现危险区与安全 区的电气隔离区的电气隔离链接器链接器Link的主要作用：的主要作用：1.1.控制着过程仪表与主控制器之间控制着过程仪表与主控制器之间的数据通讯工作，它肩负着主设备的数据通讯工作，它肩负着主设备和从设备的双重任务。和从设备的双重任务。2.2.作为主设备作为主设备, ,它控制着内部总线它控制着内部总线的正常工作的正常工作; ;作为从设备作为从设备, ,它又担负它又担负着与上一层总线的通讯任务。着与上一层总线的通讯任务。 4.2.3 4.2.3 光纤传输技术（用于光纤传输技术（用于DPDP和和

13、FMSFMS）PROFIBUS第1层的另一种类型是通过光纤导体中光的传输来传送数据。站与站之间的距离最大到15km。用玻璃或塑料纤维制成的光纤电缆。玻璃光纤能处理的连接距离达到15km，而塑料光纤只能达到80m（最新的塑料光纤能达到900m）。距离较远或电磁干扰较大时使用。4.2.3 4.2.3 光纤传输技术（用于光纤传输技术（用于DPDP和和FMSFMS）1.1.总线导线总线导线塑料纤维光纤，一般在百米以下使用玻璃纤维光纤，一般在千米以下使用2. 总线连接总线连接 (1)OLM技术 (Optical Link Module)(2)OLP技术 (Optical Link Plug)（3）集成的

14、光纤电缆连接使用集成在设备中的光纤接口将PROFIBUS节点与光纤电缆直接连接。（4）OBT（Optical Fiber Bus Terminal，光纤总线终端） 一个不带集成纤维光缆接头的PROFIBUS站或一个RS-485段可以通过OBT连接到一个光纤电路。4.3 PROFIBUS的总线存取控制机制PROFIBUS(DP、FMS、PA)均使用一致的总线存取协议，通过模型的第2层来实现。数据链路层(Fieldbus Data Link，FDL) ：保证数据可靠性技术、传输协议和报文处理。介质存取控制 (Medium Access Control，MAC)具体控制数据传输的程序，MAC必须确保

15、在任何一个确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据时刻只有一个站点发送数据。PROFIBUS协议的设计满足介质控制的2个基本要求：1)在复杂的自动化系统 (主站)间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。2)在复杂的程序控制器和简单的I/O设备 (从站)间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。为满足上述要求，PROFIBUS采用混合总线存取控制机制，主站之间采用令牌总线令牌总线机制，主站与从站之间采用主从主从机制。令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权 (令牌)。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。主站得到总线

16、存取令牌时可与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息。3种系统配置：纯主-从系统（主从机制） 纯主-主系统（令牌传递机制） 混合系统存取控制机制与物理层无关。PROFIBUSPROFIBUS链路层又称链路层又称FDLFDL，它采用混合介质存取方式，即主站间按令牌方，它采用混合介质存取方式，即主站间按令牌方式，主站和从站间按主从方式工作。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制权地址的升序传递总线控制权（即令牌），得到令牌的主站可在一定的时间内执行本站的工作。这种（即令牌），得到令牌的主站可在一定的时

17、间内执行本站的工作。这种方式保证了在任一时刻只能有一个站点发送数据，并且任一个主站方式保证了在任一时刻只能有一个站点发送数据，并且任一个主站 在一在一个特定的时间片内都可以得到总线操作权，这就完全避免了冲突。链路个特定的时间片内都可以得到总线操作权，这就完全避免了冲突。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。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是保证数据的无差错传输，这是通过海明间距链路层的另一个主要任务是保证数据的无差错传输，这是通过海明间距4 4、按照国际标准、按照国际标准IEC870IEC8705 51 1制定的特殊的起始

18、和结束界定符、每个制定的特殊的起始和结束界定符、每个字节的奇偶校验和每条报文的字节的奇偶校验和每条报文的 CRCCRC循环校验保证的。循环校验保证的。 PROFIBUSPROFIBUS链路层提供的服务有：链路层提供的服务有：SDA SDA （发送数据并要求回答）（发送数据并要求回答） SDN SDN （发（发送数据，不要求回答）送数据，不要求回答） SRD SRD （发送数据并要求回送数据）（发送数据并要求回送数据）CSRDCSRD（循环发（循环发送数据并要求回送数据）。送数据并要求回送数据）。 PROFIBUS的最大报文长度为的最大报文长度为255个字节。个字节。报文由报文由标识符标识符、源

19、及目的地址源及目的地址、数据长度数据长度、数据数据、命令字命令字和和循环校验码（循环校验码（CRC-16）等等构成，有效数据最长构成，有效数据最长246字节。字节。 Profibus的报文格式的报文格式 PROFIBUS总线存取控制机制总线存取控制机制 4.4 PROFIBUS-DP技术简介PROFIBUS-DP用于现场层的高速数据传输。主站周期地读取从站的输入信息并周期性地向从站发送输出信息，总线循环时间必须要比主站 (PLC)程序循环时间短，除周期性用户数据传输外，PROFlBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。4.4.l.PROFIBUS-DP4.4.

20、l.PROFIBUS-DP的基本功能的基本功能1.1.传输技术传输技术1)RS-485双绞线或光缆2)波特率从9.6kbit/s-l2Mbit/s2.2.总线存取总线存取1)各主站间为令牌传输，主站与从站间为主-从传输;2)支持单主或多主系统;3)主-从设备，总线上最多站点数为126PROFIBUS-DP 单主站系统单主站系统DP-主站主站 (1 类类)单主站系统实现最短的总线循环时间单主站系统实现最短的总线循环时间它们的组成它们的组成: - 1 个个DP-主站主站 (1 类类) - 1 到最多到最多 125 个个DP-从站从站 - DP-主站主站 (2 类类)， 可选可选分散的I/ODP -

21、 从从PROFIBUS-DPPLCPROFIBUS-DP 多主站系统多主站系统若干个若干个 DP-主站可以用读功能访问一个主站可以用读功能访问一个 DP-从站从站PROFIBUS-DP 多主站系统的组成多主站系统的组成:- 多个主设备多个主设备 (1 类类 or 2 类类)- 1 到最多到最多124 个个 DP-从设备从设备- 在同一个总线上最多在同一个总线上最多126 个设备个设备DP- 主站( 2 类)DP- 主站( 1 类)DP- 主站( 1 类)分散的分散的 I/O分散的分散的 I/O PROFIBUS-P DP - 从站从站 PLCPROFIBUS - DPPCCNC3.DP3.DP

22、的主要功能的主要功能1)DP主站和DP从站间的循环用户数据传输;2)各DP从站的动态激活和撤消;3)DP从站组态的检查;4)诊断功能，三级诊断信息;5)输入或输出的同步;6)通过总线给DP从站赋予地址;7)通过总线对DP主站 (DPM1)进行配置;8)每个DP从站最大为246字节的输入和/或输出数据。PROFIBUS-DP 基本功能基本功能主站 (1 类)主站 (2 类)数据交换（Data_Exchange）读从站诊断 （Slave_Diag）设定参数 （Set_Prm）检查组态 （Chk_Cfg）全局控制 （Global_Control）Get_Master_Diag初始化卸载参数 （Sta

23、rt_Seq）卸载 （Download）装载 （Upload）结束卸载装载参数（End_Seq）二类主站激活所有主站数据记录 （Act_Para_Brct）激活一个参数记录 （Act_Param）数据交换读输入 （RD_Ind）读输出 （RD_Outp）Slave_DiagSet_PrmChk_Cfg读组态 （Get_Cfg）Global_Control设定从站地址 （Set_Slave_Add (opt)）Data_ExchangeRD_InpRD_OutpSlave_DiagSet_PrmChk_CfgGet_CfgGlobal_ControlSet_Slave_AddPC/VMEPLC从

24、站DPM1DP-SlavesPROFIBUS-DP 功能概述功能概述DPM2DP-SlavesDPM1DPM2参数化组态-传输从设备诊断数据-传输主设备诊断数据-周期的数据交换-同步 + 锁定控制命令-设定从设备地址-非周期的读输入 / 输出映象-非周期的读 / 写任一数据(X)-报警处理功能(X)-装载/卸载主设备参数表-(x) PROFIBUS-DP 扩展功能, 它们在 PROFIBUS 技术导则中被描述，订单号：2.082(X)(X)4.4.设备类型设备类型1)第二类DP主站 (DPM2):可进行编程、组态和诊断的设备，如编程器、操作面板等;2)第一类DP主站 (DPMl):可编程控制器

25、，如PLC、PC等;3)DP从站:带开关量或模拟量输入、输出的I/O设备、驱动器、阀门等。PROFIBUS-DP 定义三种设备类型定义三种设备类型+DP-1类主设备类主设备 (DPM1)中央控制器中央控制器, 它与分散的它与分散的 I/O 设备设备 (DP-从站从站) 交换数据交换数据允许若干个允许若干个DPM1，典型的设备是，典型的设备是 PLC, PC, 工控机等工控机等+DP-2 类主设备类主设备 (DPM2)组态、监视或工程工具，它被用来设定网络或参数组态、监视或工程工具，它被用来设定网络或参数 监视监视 DP-从设备从设备+DP-从设备从设备直接连接直接连接 I/O 信号的外围设备信

26、号的外围设备典型的设备是输入、输出、驱动器、控制阀、操作典型的设备是输入、输出、驱动器、控制阀、操作 面板等等面板等等5.5.诊断功能诊断功能分为3类:本站诊断操作:诊断信息表示本站设备的一般操作状态，如温度过高，电压过低。模块诊断操作:诊断信息表示一个站点的某具体I/O模块出现故障 (如8位的输出模块)。通道诊断操作:诊断信息表示一个单独的输入输出位的故障 (如输出通道7短路)。6.6.系统配置系统配置PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统，这就为系统配置组态提供了高度的灵活性。系统配置的描述包括:站点数目、站点地址和输入、输出数据的格式，诊断信息的格式以及所使用的总体参数。7.7

27、.系统运行模式系统运行模式1)运行:输入和输出数据的循环传输。DPM1由DP从站读取输入信息并向DP从站写入输出信息。2)清除:DPM1读取DP从站的输入信息，并使输出信息保持为故障-安全状态。3)停止:只能进行主-主数据传输，DPM1和DP从站之间没有数据传输。8.8. 数据通信数据通信1)点对点 (用户数据传输)或广播 (控制指令)。2)循环主-从用户数据传输和非循环主-主数据传输。DPM1和DP从站之间的数据传输分为3个阶段: 参数设定、组态配置、数据交换。8.8. 数据通信数据通信DPM1和DP从站之间的数据传输分为3个阶段: 参数设定、组态配置、数据交换。 参数化阶段参数化阶段 从站

28、由 DP- 主站用现行总线参数、监控时间和从站的特定参数进行参数化。 组态阶段组态阶段DP- 主站对DP- 从站所需要的配置和现行的配置进行比较。 用户数据传输阶段用户数据传输阶段 在参数化和组态成功后， DP- 从站改变其状态进入用户数据交换阶段。 在此阶段，从站的参数化能被更改，而不必中断数据传输。PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP主主- -主之间的数据通信主之间的数据通信9.9.同步同步1)控制指令允许输入和输出的同步。2)同步模式:输出同步。3)锁定模式:输入同步。10.10.可靠性和保护机制可靠性和保护机制1)所有信息的传输在海明距离HD=4进行。2)DP从站带看门狗定时器

29、。3)DP从站的输入输出存取保护。4)DP主站上带可变定时器的用户数据传输监视。4.4.2 PROFIBUS-DP4.4.2 PROFIBUS-DP的扩展功能的扩展功能DP扩展功能允许非循环的读写功能并中断并行于循环数据传输的应答。对从站参数和测量值的非循环存取可用于某些诊断或操作员控制站 (二类主机，DPM2)。DP扩展功能可选，与DP基本功能兼容。DP扩展实现通常采用软件更新的办法。 4.5 PROFIBUS-PA技术简介PROFIBUS-PA是PROFIBUS的过程自动化解决方案。PA将自动化系统与现场设备，例如压力、温度和液位变送器的过程控制系统连接起来，PAPA可以取代可以取代4-2

30、0mA4-20mA的模拟技术的模拟技术。PA在现场设备的规划、电缆敷设、调试、投入运行和维护方面可节省成本40%以上，并可提供多功能和安全性。1.1.布线方式（与传统方式比较）布线方式（与传统方式比较）2.PA2.PA的特性的特性1)过程自动化独特的应用行规以及来自不同厂商的现场设备的互换性;2)增加和去除总线站点，即使在本质安全地区也不会影响到其他站点;3)过程自动化中的PPOFIBUS-PA总线段和制造自动化中的PROFIBUS-DP总线段之间通过段耦合器实现通信透明化;4)同样的两条线，基于IEC61158-2技术可进行远程供电和数据传输;5)在潜在的爆炸区使用防爆型 本质安全或 非本质

31、安全。3.PROFIBUS-PA3.PROFIBUS-PA总线的数据传输总线的数据传输 PROFIBUS-PA使用PROFIBUS-DP的基本功能传输测量值和状态，使用PROFIBUS-DP扩展功能对现场设备设置参数及操作。 传输采用基于IEC6l158-2的两线技术。PROFIBUS总线存取协议 (第2层)和IEC6l158-9技术 (第1层)之间的接口在DIN19245系列标准的第4部分中作了规定。 在IEC6l158-2段传输时，报文被加上起始和结束界定符。PROFlBUS-PAPROFlBUS-PA总线的数据传输总线的数据传输4.6 PROFIBUS-FMS技术简介PROFIBUS-F

32、MS：解决车间一级的通信，在这一级可编程控制器 (PLC和PC)主要是互相通信，高级功能比快速系统反应时间更重要。l.PROFIBUS-FMSl.PROFIBUS-FMS的应用层的应用层现场总线信息规范(FMS)描述通信对象和服务低层接口(LLI)用于将FMS适配到第2层2.2.通信对象和对象字典通信对象和对象字典 (OD)(OD)对象字典包括描述、结构和数据类型以及通信对象的内部设备地址和它们在总线上的标志 (索引或名称)之间的关系。1)头:包含对象字典结构的有关信息;2)静态数据类型表:所支持的静态数据类型列表;3)变量列表的动态列表:所有已知变量表列表;4)动态程序列表:所有已知程序列表。FMS能识别5种通信对象:1)简单变量;2)数组 (一系列相同类型的简单变量);3)记录 (一系列不同类型的简单变量);4)域;5)事件。FMS可识别