现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准

现场总线控制系统信息学院自动化系第8讲ProfiBus现场总线标准现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第1页主要内容1PROFIBUS现场总线概述2PROFIBUS——DP3PROFIBUS——PA4PROFIBUS——FMS5几个支持芯片现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第2页1RPOFIBUS技术由来87年由Siemens企业等13家企业和5家研究机构联合开发;89年同意为德国工业标准DIN19245；96年同意为欧洲标准EN50170V.2;98年PROFIBUS-PA同意纳入EN50170V.2;99年PROFIBUS成为国际标准IEC61158组成部分(TypeIII);同意成为中国行业标准JB/T10308.3-;现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第3页PROFIBUS簇现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第4页PROFIBUS应用领域PROFIBUSDP：

PROFIBUSPA：

PROFIBUSFMS：

主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级设备高速通信。主要用于自动化系统中系统级和车间级过程数据交换。电源和通信数据经过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第5页PROFIBBUSPA现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第6页RPOFIBUS给客户好处一、节约硬件和安装费用降低硬件成份（I/O、终端块、隔离栅）更轻易、更加快捷和低成本安装二、节约工程费用更轻易组态（对全部设备只需一套工具）更轻易保养和维修更轻易和更加快捷系统起动三、更大制造灵活性改进功效降低故障时间准确、可靠诊疗数据可靠数字传输技术现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第7页PROFIBUS网络组成经由通讯处理器连接到网络计算机及编程设备工程及诊疗工具、网络配置、诊疗工具PROFIBUS主站(一类主站，必需)

PROFIBUS从站PROFIBUS网络部件

人机界面设备(二类主站，可选)

中央可编程控制器，如PLC、PC,支持主站功效通讯处理器（通信控制和管理）分布式I/O、支持DP接口传动装置支持从站功效通讯处理器其它支持DP接口输入、输出或智能设备通信介质—电缆总线部件—总线连接器、中继器、耦合器、链路等现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第8页PROFIBUS协议结构

IEC传输技术确保安全性和直接给现场设备供电。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第9页PROFIBUS传输技术

PROFIBUS使用两端有终端总线拓朴。在运行期间，接入和断开一个或几个站不会影响其它站工作，即使在本质安全区也如此。提供三种不一样物理层选择：RS485：用于DP和FMS（对称传输，称H2）IEC1158-2：用于PA（位同时协议，称H1）光纤：用于DP和FMS现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第10页传输特点（1）高速（H2），RS485依据RS485，异步NRZ传输波特率从9.6kBit/s~12MBit/s,可选双绞屏蔽电缆每段32个站，最多允许127个站距离：12MBit/s=100m;1.5MBit/s=400;小于等187.5KBit/s=1000m;有中继器距离可延长到10公里9针，D型插头数据传输现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第11页RS485传输数据位次序每个8位二进数（1字节）按11位次序被传输最小有效位（LSB）被第一个发送最大有效位（MSB）被最终发送每个八位二进当选都补充三位，即开始、终止和奇偶校验位此编码原理称NRZ（即NonReturntoZero)现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第12页传输特点（2）低速（H1）IEC1158-2同时Manchester编码,31.25kBit/s本质安全（可选）和经过总线对站供电（可选）屏蔽或非屏蔽双绞电缆第段距离达1900米，用中继器可延长到10公里最多127个站，每段10=32个设备（依赖于EX类型和供电消耗）本安、防爆、安全栅隔离现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第13页PROFIBUS电缆要求-RS485参数电缆类型A电缆设计屏蔽双绞线电缆浪涌阻抗135~165回路电阻110/km线径0.64mm线截面积>0.34mm每单位长度电容<30pF/m现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第14页PROFIBUS电缆要求-IEC11582-2电缆设计：屏蔽双绞电缆导线面积：0.8毫米2(AWG18)回路电阻：44/km阻抗（在31.25KHz时）：100+/-20%衰减（在39KHz时）：3dB/km每单位长度电容：2nF/km现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第15页现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第16页9针D型连接器针脚分配（为RS485用）对PROFIBUS-DP/FMS提供连接器类型是9针D型连接器插座部分被安装在设备上假如其它连接器能提供必要命令信号话，也允许使用现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第17页拓朴PUOFIBUS支持总线型，树型和星型拓朴这里提供拓朴是总线型拓朴在总线型开头和结尾必须有终端一段能够由最多32个站组成现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第18页现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第19页过程自动化经典结构非现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第20页PROFIBUS总线存取协议PROFIBUS介质存取控制MAC基本要求：在主站间通信，必须确保在确切限定时间间隔中，任何一个站点要有足够时间来完成通信任务；

在主站和从站间通信，应尽可能快速又简单地完成数据实时传输。1.PROFIBUS总线访问协议（第二层）对三种PROFIBUS版本（FMS/DP/PA）均相同2.这使通令透明和FMS/DP/PA网络区域轻易组合3.因为FMS/DP使用相同物理介质（RS-485/FO），所以它们能组合在同一根电缆上。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第21页轮询令牌方式主从方式现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第22页总线访问协议特征（1）混合总线访问协议:主站间逻辑令牌环主从站间主从协议

主站:主站在一个限定时间内（TokenHoldTime)对总线有控制权

从站:从站只是响应一个主站请求，它们对总线没有控制权现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第23页PROFIBUS总线访问协议(FDL)特征(2)主站或从站能够在任何时间点接入或断开。FDL将自动地重新组织令牌环。FDL层提供4种服务：SDA（发送需确认数据）、SRD（发送并请求回答数据）、SDN（发送不要求确认数据）和CSRD（周期性发送并请求回答数据）。令牌环调度确保每个主站有足够时间推行它通令任务。所以，用户必须计算全部目标令牌环时间（TTR）。持有令牌时间(TTH)=目标令牌循环时间(TTR)–实际令牌循环时间(TRR)总线访问协议有能力发觉有故障站、失效令牌、重复令牌、传输错误和其它全部可能网络失败。全部信息（包含令牌信息）在传输过程中确保高度安全，以免传输错误。海明距离HD=4。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第24页2PROFIBUS

——DP

PROFIBUS—DP用于设备级高速数据传送，中央控制器经过高速串行线同分散现场设备进行通信。多数数据交换是周期性，智能化现场设备还需要非周期性通信进行配置、诊疗和报警处理。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第25页代替PLC/PC与I/O之间昂贵电线;快速，传输1千字节输入数据和1千字节输出数据所需时间<ms;强有力工具，降低组态和维护费用;被全部主要PLC制造商支持;有广泛产品：PLC，PC，I/O，运动器，阀，编码器等;允许周期性和非周期性数据传输;单主和多主网络;每个站输入和输出数据最多可达244字节;PROFIBUS_DP特点现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第26页PROFIBUS_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I/O设备（DP-从）交换数据；允许若干个DPM1，经典设备是PLC，PC，VME。DP-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信号外围设备；经典设备是输入、输出、驱动器、阀、操作面板等等。总线控制器板，嵌入式计算机惯用总线。VME（VersaModuleEurocard）总线是一个通用计算机总线，它结合Motorola企业Versa总线电气标准和在欧洲建立Eurocard标准机械形状因子，是一个开放式架构。VME系统总线分为四大类：数据传输总线、数据传输仲裁总线、优先中止总线和通用总线。数据传输总线是一个高速异步平行数据传输总线，能传输数据和地址信号。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第27页现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第28页现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第29页PROFIBUS-DP提供广泛诊疗可能性诊疗信息能快速确定故障位置。诊疗信息分为三级：1、与站相关诊疗：站普通运行状态信息，如温度过高，电压过低……2、与模块相关诊疗：设备中相关模块信息，如输出模块8A有故障……3、与通道相关诊疗：输入或输出某一信号位信息，如输出线3断了……现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第30页系统配置现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第31页现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第32页运行模式在EN50170Vol.2中定义了DP-主和DP-从系统行为。系统行为主要由DP-主站（1类）系统行为来确定。DP-主站（1类）区分以下状态：停顿（STOP）在DP-主和DP-从之间无数据传输。去除（CLEAR）DP-主读DP-从输入数据并保持输出在失效安全状态。运行（OPEARTE）DP-主处于数据传输段。在后继周期中，DP-从输入被读，且输出数据被写给DP-从。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第33页通信模式点对点(用户数据传送)或广播(控制指令)循环主—从用户数据传送非循环主—主数据传送现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第34页DP-主站和DP-从站间数据传输参数化阶段：从站由DP-主站用现行总线参数、监控时间和从站特定参数进行参数化。

组态阶段：DP-主站对DP-从站所需要配置和现行配置进行比较。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，从站参数化能被更改，而不心中止数据传输。在这三个阶段中，都能够附加诊疗数据和控制命令传输。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第35页主—主数据传送功效含义DPM1DPM2取得主站诊疗数据读取DPM1诊疗数据或从站全部诊疗数据MO加载-卸载组合（开始，加载/卸载，结束）加载或卸载DPM1及相关DP从站全部配置参数OO激活参数（广播）同时激活全部已编址DPM1总线参数OO激活参数激活已编址DPM1参数或改变其操作状态OOPROFIBUS-DP主-主功效现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第36页控制命令除与用户数据传输相关站以外，DP-主站能够发送控制命令给一个、一组或全部DP-从站。这些控制命令设计为全局控制（Global-Controls)。它们是：输入同时（锁定模式）输出同时（同时模式）输出去除进入失效安全状态（去除模式）现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第37页DP扩展功效DP扩展功效允许非循环读写功效现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第38页设备数据库文件GSDFPOFIBUS-DP设备GSD文件（1）在GSD文件中，描述每一个FPOFIBUS-DP设备特征。每个设备GSD文件用设备电子数据单来表示。GSD文件包含全部设备特定参数，如：

支持波特率支持信息长度输入/输出数据量诊疗信息含义对模拟设备有效选择GSD是可读ASCII文本文件，它包含用于通信通用和设备专用规范。GSD结构分为3部分：通用规范、主站规范和从站规范。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第39页FPOFIBUS-DP设备GSD文件（2）

现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第40页允许开放配置现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第41页现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第42页RPOFIBUS-DP行规概述（1）对NC/RC行规

此行规描述许多操作机器和许多装配机器人怎么经过DP来实现控制。依据详细流程图，从高水平自动化观点，很轻易描述这些机器人运动和程序控制。

对编码器行规

此行规描述PROFIBUS-DP到编码器联接，如旋转编码器，角度编码器和线性编码器，两类设备定义基本功效和补充功效。（如百分比尺，中止处理和扩展诊疗）。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第43页RPOFIBUS-DP行规概述（2）各种速度驱动器行规著名驱动技术制造商都参加了PROFIDRIVE制订。此行规指出驱动器怎样参数化以及设定点和实际值怎样被传输，这就使不一样制造商驱动器能相交换。此行规包含必要速度和位置控制规范，还说明了对DP或FMS应用功效联络。操作员控制和过程监视（HMI）行规简单操作员控制和过程监视设备（HMI）行规指出这此设备经过PROFIBUS-DP怎样与高层自动化部件连接。此行规使用扩展PROFIBUS-DP通信功效。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第44页3PROFIBUS-PA现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第45页应用范围PROFIBUS-PA=用于过程自动化PROFIBUS变送器、阀、执行器等等经过串行总线系统连接在化学工业和过程控制中使用经过数据线对现场设备供电在危险区域（EExi型保护区域）应用现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第46页PROFIBUS-PA适应全部过程自动化领域对防爆和非防爆区域过程自动化低端应用，PROFIBUS-PA是优选。PROFIBUS-PA完全满足化学工业用户组织（如NAMUR）对数字现场总线要求。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第47页采取PROFIBUS-PA技术，PA设备运行在以下防爆区域Zone0:危险爆炸瓦斯气体经常或长久存在区域Zone1:在正常运行期间危险爆炸瓦斯气体有可能存在区域Zone2:不希望在正常运行期间存在危险爆炸瓦斯气体区域现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第48页PROFIBUS-PA与4—20mA系统比较现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第49页节约成本潜力安装节约电线PLCI/O板安装元件（Ex-/电流隔离器等）排列机架空间降低错误降低安装时间现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第50页PROFIBUS-PA基本成份

PROFIBUS-DP现场总线系统主站（1类）主站（2类）现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第51页PROFIB-PA组态——拓朴现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第52页PROFIB-PA组态—现场设备供电设备数现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第53页PROFIB-PA成份网络元件耦合器和链接器现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第54页耦合器功效段耦合器在不一样传输技术之间提供一个网关（gateway）异步NRZ编码DP/PA耦合器同时Manchester编码1Byte=11Bit

1Byte=8Bit(8个用户位+1开始位+1停顿位+1奇偶检验位）可变波特率固定波特率=31.25kBit/s现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第55页从现今4-20mA很轻易转移到PROFIBUS-PA现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第56页PROFIBUS-PA协议功效PROFIBUS-PA以PROFIBUS-DP为基础。经过标准DP周期性数据交换功效传输量值和状态。对于设备参数传输和用工程工具设备运行，使用扩展PROFIBUS-DP非周期性读/写功效。PROFIBUS-PA行要求义有送PA功效映像。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第57页PROFIBUS-PA基本成份DP协议，周期和非周期现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第58页PROFIBUS-PA行规概述对过程自动化行规

这是专为过程自动化制订行规。依据功效块技术，它包含对全部类型现场设备都有效普通定义和设备数据单（如温度、压力、液位、流量变送器和定位器等）。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第59页PROFIBUS-PA行规确保互操作性定义运行、识别、维护、诊疗等参数定义数据（如温度、压力、流量等）含义定义一个模拟量，含范围、工程单位和状态依据国际认可功效块技术定义通信子集和设备行为支持简单（单变量）和复杂（多变量）设备结合化学工业应用开发现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第60页ThePROFIBUS-PA行规行规包含两部分:普通定义对全部类型设备都有效定义此设备与PROFIBUS-PA间关系定义操作、起动和再起动设备数据单每个设备类型（如变送器、阀）有各自设备数据单定义此设备特定参数和操作现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第61页今天可提供PA行规设备数据单变送器

+温度+压力+液位+流量

执行器

+阀+数字I/O

PID-循环控制器现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第62页PA行规标准化设备参数例：功效块模拟输入，压力变送器现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第63页现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第64页PROFIBUS-PA组态—

设备行规（简单现场设备）现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第65页PROFIBUS-PA组态—

互操作性现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第66页4PROFIBUS

——FMSFMS设计意在处理车间级通信，在这一级可编程控制器主要是相互通信。在此应用领域内，高级功效比快速系统反应时间更主要。PROFIBUS—FMS应用层包含以下两个部分：1.

FMS:现场总线信息规范(FMS)描述通信对象和服务；2.LLI:低层接口(LLI)用于将FMS适配到第2层。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第67页PROFIBUS-FMS协议结构现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第68页PROFIBUS-FMS特点为连接智能现场设备设计，如PLC，PC，MMI强有力应用服务提供广泛功效面向对象协议多主和主-从通信点对点、广播和局部广播通信周期性和非周期性数据传输每个设备用户数据多达240个字节得到全部主要PLC制造商支持现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第69页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特征（读，写……）全部对象被列在对象字典（OD）中对象字典依据每个设备单独组成现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第70页通信对象类型

对象不明确明确由PROFIBUS标准定义VFD：虚拟现场设备OD：对象字典DataTypes:标准数据类型由用户定义静态：由行规予定义或在组态期间定义如变量、数组、统计、区域动态：在运行时定义如程序、变量表现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第71页对象字典（OD）对象字典包含以下部分：头部

包含此OD结构信息数据类型字典包含静态通信对象表（如停机时间、故障率……）动态变量表表*包含全部现今已知变量表表动态程序表*包含全部现今已知程序表

注：*部分是可选，仅对一些设备存在。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第72页例：一个简单设备OD头部：ROM/RAM标志名字长度，访问保护，OD版本静态OD第一个指针和长度数据类型OD第一个指针和长度动态OD部分第一个指针和长度数据类型字典：索引对象代码含义1数据类型整数8……数据类型整数166数据类型浮点静态对象字典：指针对象代码数据类型内部地址符号20VAR14711H件数21VAR25000H停机时间22VRA6100H故障率现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第73页PROFIBUS—FMS支持以下类型对象静态通信对象（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：同类型简单变量数组统计：各种类型简单变量数组区域：大数量数据事件：事件信息动态通信对象（这些对象登入动态对象字典）程序调用：程序描述变量表：简单变量、数组或统计统计现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第74页PROFIBUS—FMS通信关系站之间数据传输经过通信关系来执行通信关系允许存取保护和自动联接监视现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第75页现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第76页PROFIBUS—FMS设备电子数据单对每一个FMS设备有一张由制造约定义电子数据单（GSD文件）FMSGSD文件包含全部相关设备通信能力。在组态期间，FMS组态工具读GSD文件并将全部信息放入账号。在PROFIBUS导则No.2.101中，描述了FMSGSD文件格式。现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准第77页ROFIBUS—FMS行规概述控制器间通信行规这是一个通信行规，对标准控制器类型描述了必要服务、参数和数据类型。楼宇自动化行规这是专为楼宇自动化制订分支行规，它包含普通定义，如楼宇自动化设备怎样使用ROFIBUS—FMS协议进行通信。低夺开关装置行规这是一个分支行规。它定义低夺开关装置怎样作用