工业现场网络通信技术应用及实践 课件 项目2-Profibus网络控制系统构建

1项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行任务3-S7-1200与S7-1500之间的

Profibus控制系统构建与运行任务1-

Profibus现场总线认知任务2-S7-1200PLC之间的

Profibus控制系统构建与运行22.1.1

Profibus现场总线认知2.1.2Profibus传输技术2.1.3PROFIBUS-DP系统配置和设备类型项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行任务2-1

Profibus现场总线认知2.1.1

PROFIBUS现场总线认知1、概述作用：Profibus是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场通信网络，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制，为实现工厂自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。适用行业：制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。PROFIBUS是一种国际化、开放式、

不依赖于设备生产商的现场总线标准。2、PROFIBUS分类由三个兼容部分组成。

PROFIBUS-DP（DistributedPeriphery，分布式外围设备）

PROFIBUS-PA(ProcessAutomation，过程自动化)

PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification，现场总线报文规范)。主要使用主-从方式通常周期性地与传动装置进行数据交换。2.1.1

PROFIBUS现场总线认知3、PROFIBUS的通信协议PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（OpenSystemInterconnection-OSI）作为参考模型的。该模型共有七层：（1）PROFIBUS–DP：定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS－DP设备的设备行为。PROFIBUS–DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代24VDC或4－20mA信号传输2.1.1

PROFIBUS现场总线认知3、PROFIBUS的通信协议PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（OpenSystemInterconnection-OSI）作为参考模型的。该模型共有七层：2.1.1

PROFIBUS现场总线认知3、PROFIBUS的通信协议（3）PORFIBUS－PA：根据IEC1158－2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。PORFIBUS－PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（OpenSystemInterconnection-OSI）作为参考模型的。该模型共有七层：2.1.1

PROFIBUS现场总线认知4、PROFIBUS的数据链路层PROFIBUS-DP、FMS、PA均采用一样的总线存取控制技术，通过OSI参考模型第2层（数据链路层）来实现的，它包括保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。在PROFIBUS中，第2层称之为现场总线数据链路层（FDL，FieldbusDataLink）。介质存取控制（MAC，MediumAccessControl）具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。2.1.1

PROFIBUS现场总线认知4、PROFIBUS的数据链路层

PROFIBUS主站之间采用令牌传送方式，

主站与从站之间采用主从方式。

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），令牌在所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。主站得到总线存取令牌时可依照：主-从通信关系表与所有从站通信，向从站发送或读取信息。主-主通信关系表与所有主站通信。2.1.1

PROFIBUS现场总线认知2.1.2

PROFIBUS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IEC1158-2传输。

3.光纤1.用于DP/FMS的RS485传输技术

由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。

RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。2.RS485的传输过程

Profibus的连接器上除了有一个220欧姆（Ω）的终端电阻外，还包括一个390欧姆（Ω）的上拉电阻和一个390欧姆（Ω）的下拉电阻。其中，上拉电阻（390Ω）与针脚6（VP，+5V）相连接，下拉电阻（390Ω）与针脚5（GND，0V）相连接，终端电阻（220Ω）通过总线连接器的开关与其它两个电阻相连在Profibus的网络中，上拉电阻和下拉电阻作为终端电阻的补充，可以保证在没有数据传输的时候，两根数据线之间的电压差趋于一个固定值，从而消除干扰数据。2.RS485的传输过程

下图是带终端电阻的Profibus总线拓扑结构图：2.RS485的传输过程

·站点数：每分段32个站（不带中继），可多到126（127广播地址）个站（带中继）3.用于PA的IEC1158-2传输技术

IEC1l58-2的传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本质安全性，并通过总线对现场设备供电。IEC1158-2是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1

IEC1158－2原理：①．每段只有一个电源作为供电装置。②．当站收发信息时，不向总线供电。③．每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。④．现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。⑤．主总线两端起无源终端线作用。⑥．允许使用线性．树型和星型网络。⑦．为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段。⑧．为了调制的目的，假设每个部线站至少需用10mA基本电流才能使设备启动。通信信号的发生是通过发送设备的调制，从±9mA到基本电流之间。3.用于PA的IEC1158-2传输技术

IEC1158－2传输技术特性：①．数据传输：数字式．位同步．曼彻斯特编码。②．传输速率：31.25Kbit/s，电压式。③．数据可靠性：前同步信号,采用起始和终止限定符避免误差。④．电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。⑤．远程电源供电：可选附件，通过数据线。⑥．防爆型：能进行本征及非本征安全操作。⑦．拓扑：线型或树型，或两者相结合。⑧．站数：每段最多32个，总数最多为126个。⑨．中继器：最多可扩展至4台。4.光纤传输技术

PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输的距离。许多厂商提供专用总线插头，将RS-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成RS-485信号。两种光纤导体：一种是价格低廉的塑料纤维导体，距离小于50m；另一种是玻璃纤维导体，距离小于1km。单模光纤（SMF）单模光纤运行在100M/s或1G/s的数据速率，传输距离都可以达到至少15km。单模光纤用于远程信号传输。

多模光纤（MMF）主要用于短距离的光纤通信，如在建筑物内或校园里。典型的传输速度是100M/s，传输距离，1G/s可达1000m，10G/s可达550m。2.1.3PROFIBUS系统配置和设备类型1.设备分类(2)单一总线型:(3)混合型：(1)总线接口型:根据现场设备是否具备Profibus接口可分为三种形式：2.1.3PROFIBUS系统配置和设备类型1.设备分类根据现场设备是否具备Profibus接口可分为三种形式：(1)总线接口型:现场设备不具备Profibus接口，采用分散式I/O作为总线接口与现场设备连接。2.1.3PROFIBUS系统配置和设备类型1.设备分类根据现场设备是否具备Profibus接口可分为三种形式：(2)单一总线型:现场设备都具备Profibus接口。这种一种理想情况。可使用现场总线技术，实现完全的分布式结构，可充分获得这一先进技术所带来的利益。新建项目可能具有这种条件，就目前来看，这种方案设备成本会较高2.1.3PROFIBUS系统配置和设备类型1.设备分类根据现场设备是否具备Profibus接口可分为三种形式：(3)混合型：现场设备部分具备Profibus接口。这将是一种相当普遍的情况。2.1.3PROFIBUS系统配置和设备类型1.设备分类(2)2类主站（DPM2）:(3)从站：(1)1类主站（DPM1）:根据现场设备在控制系统中的作用可分为三种形式：2.1.3PROFIBUS系统配置和设备类型

1)一级DP主站（DPM1）：

一级DP主站是中央控制器，

它在预定的信息周期内与分散的站（如DP从站）交换信息。典型的DPM1如PLC或PC1.设备分类2)二级DP主站（DPM2）：二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。

3)DP从站：DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I/O设备、驱动器、HMI、阀门等）。

2.1.3PROFIBUS系统配置和设备类型在同一总线上最多可连接126（127广播地址）个站点。系统配置的描述包括：站数站地址输入/输出地址输入/输出数据格式等。2、PROFIBUS控制系统配置任务2-S7-1200PLC之间的Profibus控制系统构建与运行项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行2.2.1Profibus-DP系统的网络结构Profibus-DP用于现场设备级的高速数据传送。在同一总线上最多可连接126（127广播地址）个站点。系统配置包括：站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。Profibus-DP系统的网络有单主站系统和多主站系统。Profibus-DP单主站系统中，在总线系统运行阶段，只有一个活动主站，右图所示为Profibus-DP单主站系统网络结构图，PLC作为主站。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。任务2-S7-1200PLC之间的Profibus控制系统构建与运行项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行Profibus-DP多主站系统中总线上连有多个主站。总线上的主站与各自从站构成相互独立的子系统，如图所示为Profibus-DP多主站系统网络结构图，任何一个主站均可读取DP从站的输入／输出映像，但只有一个DP主站允许对DP从站写入数据。任务2-S7-1200PLC之间的Profibus控制系统构建与运行项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行Profibus-DP的数据通信分为4个阶段：主从站的初始化、令牌环的建立、主站与从站通信的初始化、交换用户数据通信。

2.2.2Profibus-DP系统的工作过程任务2-S7-1200PLC之间的Profibus控制系统构建与运行项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行2.2.3S7-1200Profibus-DP

电气连接及特性数据特性数据参数传输速率9.6Kbps到12MbpsPROFIBUSDP地址范围0到126（127广播地址）

0一般用于编程设备

1一般用于操作员站；

126为不具有开关设置，必须通过网络重新寻址的出厂设备保留；

126（127广播地址）

用于广播；

DP设备的有效地址范围是2到125S7-1200DP主站数据区的大小最大1024字节

输入区最大512字节，输出区最大512字节。S7-1200DP从站数据区的大小输入区最大240字节，输出区最大240字节，每个DP从站的诊断数据区最大240字节。项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行2.2.4S7-1200PLC之间的Profibus-DP控制系统构建1、控制要求采用Profibus-DP通信方式实现S7-1200和S7-1200之间的数据通信。分析：S7-1200自身不带Profibus-DP接口，但通过添加CM1243-5DP主站模块和CM1242-5DP从站模块构建Profibus-DP网络。2、系统配置系统为单主站Profibus-DP网络系统，系统配置如图所示，系统主站与从站之间通过Profibus连接，构成单主站形式的Profibus-DP网络系统。项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行2.2.4S7-1200PLC之间的Profibus-DP控制系统构建3、系统创建过程（1）设备组态在博图软件中创建新项，添加2个S7-1215PLC，分别命名为DP主站、DP从站。（2）主站的组态（3）从站的组态（4）Profibus网络连接（5）Profibus网络数据通信区域的建立任务3S7-1200与S7-1500PLC之间的

Profibus控制系统构建与运行项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行2）PROFIBUS通信模块CM1542-53）通信处理器CP1542-5CM1542-5/CP1542-5既可被组态为DP主站，也可被组态为DP从站，但是不能同时作为DP主站和DP从站使用。S7-1500的P