现场总线技术3-2 Profibus 现场总线技术及其应用教学课件

1、现场总线技术及其应用第3讲胡青松2022/8/2013.2 Profibus现场总线现场总线概述3.2.2 Profibus协议结构和通信模型3.2.3 Profibus主要特性3.2.4 Profibus-DP3.2.5 Profibus-FMS3.2.6 Profibus-PA3.2.7 Profibus协议专用ASICs芯片3.2.8 Profibus-DP从站通信接口的开发3.2.9 Profibus在电厂输煤控制系统中的应用2022/8/202现场总线概述PROFIBUS：Process Fieldbus （过程现场总线）是德国国家标准DIN19245，欧洲标准EN50170之一。P

2、ROFIBUS根据应用特点分为以下三个兼容版本：PROFIBUS-DPPROFIBUS-PAPROFIBUS-FMS2022/8/203EN 50170 Volume 2 Device ProfilesApplication Profiles过程自动化PROFIBUS-PAIEC 1158-2- 总 线 供 电 - 本 质 安 全 PROFIBUS 簇工厂自动化PROFIBUS-DPRS 485 / FO- 即 插 即 用- 高 效、廉 价快速通用目的自动化PROFIBUS-FMSRS 485 / FO- 大 范 围 的 应 用- 多 主 通 信通用面向应用PROFIBUS 给客户的好处节省硬

3、件和安装费用减少硬件成份 (I/O, 终端块、隔离栅)更容易、更快捷和低成本的安装节省工程费用更容易组态(对所有设备只需一套工具)更容易保养和维修更容易和更快捷的系统起动更大的制造灵活性改进功能减少故障时间准确、可靠的诊断数据可靠的数字传输技术现场总线概述2022/8/206现场总线概述Profibus-DP是一种经过优化的高速通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计，可用于分布式控制系统的高速数据传输，其传输速率可达12Mbps。Profibus-PA专为过程自动化设计，提供标准的本质安全的传输技术，一般用于对安全性要求较高的场合及由总线供电的站点。 Profibus-FM

4、S主要解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成中等速度的循环和非循环通信任务。2022/8/207PROFIBUS 已有大量的实际应用到1997年7月止已有100,000 多个实际应用 制造业自动化汽车制造 装瓶系统 仓储系统楼宇自动化交通管理自动化供热、空调系统过程自动化 清洗工厂化工和石化工厂造纸和纺织品工业 电力工业和电力输送发电厂开关装置case studies are listed in the Electronic Product Guide水泥生产聚合物储存胶制品生产啤酒生产汽车制造在GM, BMW, Ford, FIAT 等污水处理 3.2.2 Profibus协议结

5、构和通信模型2022/8/2093.2.3 Profibus主要特性传输技术总线访问协议2022/8/2010PROFIBUS传输技术 PROFIBUS提供了三种数据传输类型（1）用于DP和FMS的RS485传输（2）用于PA的IEC11582传输（3）光纤2022/8/2011传输技术PROFIBUS 采用一种两头有终端的总线拓扑确保在运行期间接入和断开一个或多个站而不影响其他站（即使在本质安全区亦如此）允许三种不同的物理层选择:RS 485: 主要用于 DP 和 FMSIEC 1158-2: 主要用于 PA光纤: 主要用于 DP 和 FMS 终端 终端传输技术的特点:RS 485 (H2)

6、异步 NRZ 传输编码，适合RS 485波特率从 9.6 kBit/s 到 12 MBit/s 分步可选屏蔽双绞电缆每段 32 个站，最多允许 127 个站距离取决于波特率12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; 187.5 kBit/s = 1000 m 用中继器可延长距离到 10 公里9 针、D型连接器IEC 1158-2 (H1)同步曼彻斯特传输编码, 31.25 kBit/s, 电流方式本质安全（可选）和通过总线对站点供电屏蔽或非屏蔽双绞电缆每段距离 1900 米， 用中继器可延长到 10 公里最多允许 127 个站，每段 10-32 个站（取决于EX

7、类型和电耗）PROFIBUS的冗余概念PROFIBUS-DP带若干接口的星型结构带冗余光纤线的 PROFIBUS-DP低级别的小型 PLCsPROFIBUS-DPPROFIBUS-DP光纤耦合器光纤耦合器光纤耦合器光纤耦合器总线访问协议 多主站，主从式，仅支持轮询的令牌总线网络令牌仅在主站间传递总线系统初建主站制定总线上的站点分配并建立逻辑环。断电或损坏的主站从环中排除,新上电主站加入逻辑环2022/8/2015PROFIBUS主动站、主设备驱动器执行器变送器被动站、从设备传感器传感器驱动器传感器MMTPCPLCPLC主设备间的逻辑令牌环传输技术：RS485双绞线，双线电缆或光缆。波特率从9.

8、6 KBit/s到12M bit/s。总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主从传送。支持单主或多主系统。总线上最多站点（主从设备）数为126。通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。循环主从用户数据传送和非循环主主数据传送。运行模式：运行、清除、停止。同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离HD进行，DP从站带看门狗定时器 2022/8/2017PROFIBUS-DP 定义三种设备类型DP-1类主设备 (DPM1)中央控制器, 它与分散的 I/O 设备 (DP-从) 交换数据允许若干个DPM1，典型的设备是

9、 PLC, PC, VMEDP-2 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 监视 DP-从设备DP-从设备直接连接 I/O 信号的外围设备典型的设备是输入、输出、驱动器、阀、操作 面板等等PROFIBUS-DP 的特点:适合代替 PLC/PC 与 I/O 之间成本昂贵的电缆线快速，传输 1千个字节的输入数据和输出数据所需时间小于 2 ms功能强大的工具减少组态和维护费用 所有主要 PLC 制造商都支持有广泛的产品可提供，如 PLC、 PC、 I/O、 驱动器、阀、编码器等允许周期性的和非周期性的数据传输单主和多主网络每站的输入和输出数据多达 246 个字节PROFI

10、BUS-DP 单主系统DP 主 (1 类)PLC单主系统有最短的总线循环时间它们的组成: - 一个DP-主 (1 类) - 1 到 125 个DP-从 - DP-主 (2 类) 可选分散的输入和输出PROFIBUS-DPSensorActuatorDP - 从PROFIBUS-DP用户数据传输原理请求帧尾部输出数据头部响应帧帧SRD请求，各种用户数据长度DP- 从立即响应Syn = 同步时间SD2 = 开始分界符 2LE = 长度DU = 数据单元FCS= 帧检查顺序ED = 结束分界符LEr = 重复长度DA = 目的地址SA = 源地址FC = 功能码SRD响应，各种用户数据长度 DP-

11、主DP-主DP- 从SYNSD2LESD2DASAFCDUFCSEDLErSD2LEErDASAFCDUFCSEDSD2头部输入数据尾部PROFIBUS-DP 多主系统若干个 DP- 主可以用读功能访问一个 DP- 从PROFIBUS-DP 多主系统的组成：- 多个主 (1 类 or 2类)- 1 到最多 124 个 DP- 从- 最多 126 个设备在同一总线上DP-主( 2 类)DP- 主 (1 类)DP- 主 (1 类)分散的输入和输出分散的输入和输出传感器 执行器PROFIBUS-PPROFIBUS - DP DP - 从 PCCNCPLC设备数据库文件GSD 文件PROFIBUS组态

12、工具系 统 组 态开放的 PROFIBUS 组态PLC现场设备I/O传感器驱动器M变送器现场设备PROFIBUS - DPProfibus-DP系统行为 （1）停止 在这种状态下，DPM1和DP从站之间没有数据传输。（2）清除 在这种状态下，DPM1读取DP从站的输入信息，并使输出信息保持故障安全状态。 （3）运行 在这种状态下，DPM1处于数据传输阶段，循环数据通信时，DPM1从DP从站读取输入信息，并向DP从站写入输出信息。 2022/8/2024设备数据库（GSD）文件 GSD文件是对各个Profibus设备功能或总线参数的说明，包括：（1）总体说明，包括厂商和设备名称，软硬件版本号，支

13、持的波特率，可能的监控时间间隔等。（2）DP主设备的相关规定，包括所有只适用与DP主设备的参数，例如可连接的从设备的最多台数或加载和卸载能力等。（3）从设备的相关规定。包括与从设备有关的所有规定，如I/O通道的数据和类型，诊断测试的规格及I/O数据一致性信息等。 2022/8/2025FMS Profibus-FMS的设计旨在解决车间一级的通信。在这一级，可编程控制器（PLC）与PC可以FMS方式互相通信，强有力的FMS服务向人们提供广泛的应用范围和更大的灵活性。 在这个应用领域，高性能的功能要求远比系统的快速反应时间更显得重要。 2022/8/2026FMS 增加了PROFIBUSFMS应用

14、层 Profibus-FMS应用层包括两部分：现场总线信息规范（fieldbus Message Specification，FMS），描述了通信对象和应用服务；低层接口（LLI），FMS服务到第二层的接口。PROFIBUSFMS通信模型 （VFD） 在应用过程中，可用来通信的那部分现场设备称为虚拟现场设备（VFD），在实际现场设备与VFD之间建立一个通信关系表，VFD通过通信关系表完成对实际现场设备的通信。 2022/8/2027FMS通信对象与通信字典（OD） FMS面向对象通信，它确认五种静态通信对象，即简单变量、数组、记录、域和事件，还确认两种动态通信对象：程序调用和变量表。每台FMS

15、设备的所有通信对象都填入对象字典中。 Profibus-FMS服务 Profibus-FMS服务项目是ISO 9506制造信息规范（Manufacturing Message Specification-MMS）服务项目的子集。这些服务项目在现场总线应用中已被优化，而且还加上了通信对象的管理和网络管理。2022/8/2028PROFIBUS - FMS 的特点:适合连接智能的现场设备，如 PLC、 PC、MMI等很强的应用服务为变量、程序、区域等提供了广泛的功能面向对象的协议多主和主从通信点对点、广播和局部广播通信周期性的和非周期性的数据传输每个服务多达 240 个字节的用户数据所有主要的 P

16、LC 制造商支持有广泛的产品可以提供，如 PLC、PC、VME、MMI、I/O等等PROFIBUS - FMS 面向对象操作变量、参数被设计为对象每个通信对象有确定的特性（如读、写.）通信对象被登入对象字典 (OD)在组态时，每个设备的对象字典分别构成在对象字典中的标准登入项由行规来定义DCS / 区域控制器温度变送器比例尺滤波时间温度通信关系PROFIBUS - FMSPROFIBUS-FMS 提供很强的应用服务:事件管理上、下关系管理OD- 管理VFD 支持变量存取程序调用管理区域管理PROFIBUS-FMS 服务:事件管理事件通知 带类型的事情通知响应事件通知事件后状态监视上、下关系管理

17、起动删除拒绝所有 PROFIBUS 设备都支持带下划线的服务，其它服务的选择由Devices 行规确定.OD 管理 获得 OD 起动放置 OD放置 OD 终止放置 ODVFD 支持状态未被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、删除区域管理起动下载顺序下载段终止下载顺序起动上装顺序上装段终止上装顺序请求区域下载请求区域上装FMSProfibus-FMS和Profibus-DP的混合操作 FMS和DP设备在一条总线上进行混合操作是Profibus的一个主要优点，两个协议

18、也可以同时在一台设备上执行，这些设备称为混合设备。之所以可能进行混合操作是因为FMS和DP均使用统一的传输技术和总线存取协议，不同的应用功能是通过第二层不同的服务访问点来分开的。 2022/8/2033PROFIBUS-DP 和 PROFIBUS-FMS 的混合系统VisualizationFMSFMSFMSDPDPDP分散的输入和输出PLC 条码阅读器072036324智能传感器DP- 从组合 - 从FMS - 从FMSDPFMSPROFIBUS-DP 和 PROFIBUS-FMSProfibus-PA是Profibus-DP在现场级的通信扩展，它采用的总线机制（数据传输技术）能够满足过程工

19、业本质安全以及系统和产品互操作性的要求，保证处于危险环境中的变送器和执行器与中央自动化系统的通信。 2022/8/2035什么是 PROFIBUS-PA ? 定义PROFIBUS-PA=PROFIBUS-DP 通信+对现场设备优选的传输技术PROFIBUS-PA +PROFIBUS-DPPROFIBUS - PA= 用于过程自动化的PROFIBUS致力于化学工业和过程工程中的使用适合代替现今的 4 20 mA 技术数据和供电仅两根线通过串行总线系统互联变送器、阀、执行器功能改进，可靠的数字传输通过简单的双绞电缆进行控制、调节和监视本质安全和通过总线对现场设备供电有效的行规，基于功能块技术由于行

20、规的定义，保证了互操作性和互换性可提供的基础技术 (SW, HW, ASICs) PROFIBUS-DPRS 485DCS (PLC)工程工具PROFIBUS-PA IEC with 31.25 kBit/sI过程自动化中的典型系统配置段耦合器I/O驱动器变送器The PROFIBUS - PA 行规保证互操作性对运行、调试、维护、诊断定义参数定义通信子集和设备行为 定义数据（如温度、压力、流量）的含义依据国际上承认的功能块技术支持简单（单值）和复杂（多值）的设备它是结合化学工业应用开发的PA-行规提供标准的设备参数12 bar8 bar0 bar-12 bar测量范围极限测量传感器的物理极限

21、测量范围极限测量传感器物理极限HI-HI-LIM (报警上限)HI-LIM (警告上限)LO-LIM (警告下限)LO-LO-LIM (报警下限)PV_SCALE（测量范围的刻度）Measuring range(bar)OUT(被测量值)采用 PROFIBUS-PA 给客户的利益 节省硬件工程 节省 I/O 模块、电缆、终端块、隔离器、文本编制、开关间等的成本 节省软件工程 通过集中组态节省费用 由于很少的组态工具，减少了错误源 通过预防性的维护和诊断，节省费用 在系统起动方面节省费用 增加了系统运行的安全 由于减少了硬件，少了错误源 容易、快捷发现故障 缩短停机时间 工厂状态的自动报文 使验

22、证质量简单化PROFIBUS-DP, up to 12 Mbit/sDCS (PLC)从今天的 4-20 mA 转移到 PROFIBUS-PA段耦合器模拟 I/O 模块PROFIBUS-PA4-20 mA4-20 mA+ HartProfibus-PA传输协议 Profibus-PA采用Profibus-DP的基本功能来传送测量值和状态。并用扩展的Profibus-DP功能来制定现场设备的参数和进行设备操作。2022/8/2043扩展DP功能 DPM1与DP从站间非循环的数据传输报警响应，DP基本功能允许 DP 从站用诊断信息向主站自发地传输事件DPM2 与从站间的非循环的数据传输2022/8

23、/2044Profibus-PA设备行规 Profibus-PA行规保证了不同厂商所生产的现场设备的互换性和互操作性，它是Profibus-PA的一个组成部分。行规的任务是选用各种类型现场设备真正需要通信的功能，并提供这些设备功能和设备行为的一切必要规格。 2022/8/2045Profibus-PA与DP的连接 通过耦合器或链路设备将变送器、转换器和定位器连接到Profibus-DP网络。Profibus-PA协议使用同Profibus-DP一样的通信协议。这源于它们的通信服务和报文一致。 Profibus-PA= Profibus-DP通信协议+扩展的非周期性服务+作为物理层的IEC115

24、8由于Profibus-DP和Profibus-PA使用不同的数据传输速度和方式，为使它们之间平滑地传输数据，使用DP/PA耦合器和DP/PA链路设备作为网关。 2022/8/2046DP/PA耦合器适用于简单网络与运算时间要求不高的场合。用于在Profibus-DP与Profibus-PA间传递物理信号。DP/PA耦合器有两种类型：非本质安全型和本质安全型。系统组态后，DP/PA耦合器是可见的。可以通过可编程控制器或自动化系统直接访问或分配地址给所连接的现场设备。2022/8/2047Profibus-PA现场设备可以通过DP/PA链路设备连接到Profibus-DP。DP/PA链路设备应用

25、在大型网络，此时依赖网络复杂程度和处理时间要求的不同，不止一个链路设备连接到Profibus-DP。DP/PA链路设备可以作为所有标准Profibus-DP的主站，由于每个链路设备可以连接多台现场设备，而链路设备只占用Profibus-DP的一个地址，因此，整个网络所能容纳的设备数目大大增加。2022/8/2048协议ASICs芯片 ASPC 2：用于主站的智能通信芯片 SPC3是一种用于从站的智能通信芯片SIMI（Siemens IEC H1介质连接单元）与IEC H1即PROFIBUSPA信号兼容 SPM2和LSPM2：用于简单从站协议芯片 2022/8/2049PROFIBUS ASIC

26、s大量产品的关键各种 ASICs 都对 PROFIBUS有效PROFIBUS-DP 单片解决方案不依赖处理器的外围芯片，用于 FMS/DP/PA 带 PROFIBUS 核心功能的微控制器，用于 FMS/DP优越性对制造商来说，减少实现费用一个接口的价格减到小于 US $ 25ASPC2主要技术指标支持PROFIBUSDP、FMS、PA协议最大数据传输速率12M bit/s最多可连接125个ACTIVEPASSIVE站点100管脚的MQFP封装16位数据线。2个中断线可寻址1M字节的外部信息报文存储器功能支持: Ident, request FDL status, SDN, SDA, SRD,

27、with distribution database, SM5VDCW用于ASPC2的固态程序可完成所有协议处理和主站应具有的功能要求。用于PROFIBUSDP的固态程序提供给许可证机构内部的设备制备商 2022/8/2051SPC3主要技术指标支持PROFIBUSDP协议，用于远程智能节点最大数据传输速率12Mbit/s，可自动检测并调整数据传输速率与80C32，80X86，HC11，HC16，HC916系列芯片兼容44管脚的PQFP封装可独立处理PROFIBUSDP通信协议集成的看门狗（WATCHDOG TIMER）外部时钟接口24MHZ或48MHZ2022/8/2052SPM2/LSPM