《现场总线技术》课件-第三章 PROFIBUS 总线

第三章

PROFIBUS现场总线3.1PROFIBUS的通信模型和协议类型3.2PROFIBUS的数据传输和拓扑结构3.3PROFIBUS的总线存取控制机制3.4PROFIBUS-DP技术简介3.5PROFIBUS-PA技术简介3.6PROFIBUS-FMS技术简介3.7PROFIBUS的应用PROFIBUS概述PROFlBUS(ProcessFieldbus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、电力等自动化领域。

PROFIBUS技术的发展历程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IEC61158的组成部分(TYPEIII)；2001年成为中国的机械行业标准JB/T10308-3-2001。3.1PROFIBUS的通信模型和协议类型

PROFIBUS通信模型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。PROFIBUS－DP和PROFIBUS－FMS的第1层和第2层相同，PROFIBUS-FMS有第7层，PROFIBUS－DP无第7层。PROFIBUS－PA有第1层和第2层，但与DP/FMS有区别，无第7层。PROFIBUS通信模型

PROFIBUS协议类型三个兼容部分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IEC1158-2规定的通信规程。PROFIBUS-PA是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协议的特点1)不支持长信息段>235B2)不支持短信息组块功能3)本规范不提供由网络层支持运行的功能4)除规定的最小组态外，根据应用需求可以建立任意的服务子集。5)其他功能是可选的，如口令保护方法等。6)网络拓扑是总线形，两端带终端器或不带终端器。7)介质、距离、站点数取决于信号特性。8)传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9.6kbit/s到l2Mbit/s不等。9)可选第二种介质(冗余)。10)在传输时，使用半双工，异步，滑差(Slipe)保护同步。11)报文数据的完整性，用海明距离(HD)=412)地址定义范围为:0~127(对广播相群播而言，127是全局地址)。13)使用两类站:主站(主动站，具有总线存取控制权)和从站(被动站，没有总线存取控制权)。14)总线存取基于混合、分散、集中3种方式。15)数据传输服务有两类:

非循环的:有/无应答要求的发送数据;有应答要求的发送和请求数据。循环的(轮询):有应答要求的发送和请求数据。3.2PROFIBUS的数据传输和拓扑结构物理层1.DP/FMS(RS-485)的物理层2.DP/FMS(光纤电缆)的物理层3.PA的物理层一.用于DP/FMS的RS-485传输技术屏蔽双绞电缆符合EIARS-485标准(也称H2)总线段的两端各有一个终端器传输速率从9.6kbit/s到12Mbit/s可选RS-485总线段的结构

RS485总线段的结构....BA

最多32个站

VP(6)390Ω220Ω390ΩDGND(5)

VP(6)390Ω220Ω390ΩDGND(5)RS485段

（1）传输程序半双工、异步、无间隙同步NRZ（不归零）编码“1”——RXD/TXD-P（Receive/Transmit-Data-P）线上的正电位，而在RXD/TXD-N线上则正相反。各报文的空闲（idle）状态对应于二进制“1”信号A线对应于RXD/TXD-N信号，而B线对应于RXD/TXD-P信号。（2）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型连接器的插头与总线电缆相连接。

594837261连接器外形针脚号信号名称信号含义1SHIELD屏蔽或逻辑地2M2424V输出电压逻辑地（辅助电源）3RxD/TxD－P接收/发送数据－正，RS485信号B线4CNTR－P方向控制信号P5DGND数据基准电位（逻辑地）6VP供电电压（正）7P24+24V输出电压（辅助电源）8RxD/TxD－N接收/发送数据－负，RS485信号A线9CMTR－N方向控制信号N连接器外壳屏蔽机壳接地(3)总线终端器根据EIARS-485标准，在数据线A和B两端均加接总线终端器。空闲状态：确定的空闲电位。可以由跳接器或开关来启动。传输速率大于1.5Mbit/s时，由于所连接站的电容性负载而引起导线反射，因此必须使用附加有轴向电感的总线连接插头。（4）传输技术网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻；传输速率：9.6kbit/s—12Mbit/s；介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC）；站点数：每段32站（无中继），127站（有中继）；插头连接：9针D型插头（5）拓扑结构

二、用于PA的IEC61158-2传输技术PROFIBUS-PA采用符合IECl158-2标准的传输技术。这种技术确保本质安全并通过总线直接给现场设备供电。（1）数据传输非直流传输的位同步、曼彻斯特编码(也称H1编码)。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-PA的数据传输（2）总线连接（PA总线段的结构）（3）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。总线型结构：提供了与供电电路安装类似的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。树型与线型的组合结构：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。

（4）IECl158-2传输技术特性数据传输:数字式、位同步、曼彻斯特编码;传输速率:31.25kbit/s，电压式;数据可靠性:前同步信号，采用起始和终止界定符避免误差;电缆:双绞线，屏蔽式或非屏蔽式;远程电源供电:可选附件，通过数据线;防爆型:能进行本征及非本征安全操作;拓扑:总线形或树形，或两者相组合;站数:每段最多32个，总数最多为126个;中继器:最多可扩展至4台。

三.光纤传输技术DP/FMS(光纤电缆)的物理层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。站之间的距离最大到15km。用玻璃或塑料纤维制成的光纤电缆可用作传输介质。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。连接技术

(1)OLM技术(OpticalLinkModule)(2)OLP技术(OpticalLinkPlug)（3）集成的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（OpticalFiberBusTerminal，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。3.3PROFIBUS的总线存取控制机制PROFIBUS（DP、PA、FMS）使用一致的总线存取控制机制。数据链路层规定总线存取控制、数据安全性以及传输协议和报文的处理。在PROFIBUS中，数据链路层(第2层)称为FDL层(现场总线数据链路层)。介质存取控制（MAC，MediumAccessControl）具体控制数据传输的程序。PROFIBUS的总线存取控制要满足介质控制的两

个基本要求：（1）主站（PLC或PC）间的通信必须使每个总线站在确定的时间内能获得足够的时间处理自己的通信任务。（2）复杂的控制器与简单的分散的过程I/O设备（从站）间的数据交换必须快速简单。PROFIBUS在主站间采用令牌传送方式，主站与从站间采用主从方式。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)。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与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息。PROFIBUS总线存取控制机制3.4PROFIBUS-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。

l.PROFIBUS-DP的基本功能(1)传输技术1)RS-485双绞线或光缆2)波特率从9.6kbit/s-l2Mbit/s(2)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126(3)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)强大的诊断功能，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字节的输入和输出数据。

(4)设备类型1)第一类DP主站(DPMl):可编程控制器，如PLC、PC等;2)第二类DP主站(DPM2):可编程、可组态、可诊断的设备;3)DP从站:带二进制或模拟输入、输出的驱动器、阀门等。

(5)诊断功能（分为3类）本站诊断操作: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:一个站点的某个具体I/O模块出现故障(如8位的输出模块)。通道诊断操作:一个单独的输入、输出位的故障(如输出通道7短路)。

(6)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)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)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。PROFIBUS-DP主-主之间的数据通信(9)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)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。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。PROFIBUS-DP协议是为自动化制造工厂中分散的I/O设备和现场设备所需要的高速数据通信而设计的。典型的DP配置是单主站结构DP主站与DP从站间的通信基于主-从原理，一个报文循环由DP主站发出的请求帧

(轮询报文)和由DP从站返回的有关应答或响应帧组成。单主站结构在DP主站上处理轮询表的情况

多主站结构

2.DP设备类型1)

DP主站（1类）循环地与DP从站交换用户数据：PLC、PC或可以做1类主站使用的控制器。通信任务：(l)Set_Prm和Chk_Cfg在启动、重启动和数据传输阶段，DP主站发送参数集给DP从站。(2)Data一Exchange循环地与指定DP从站进行输入/输出数据交换。(3)Slave_Diag在启动期间或循环的用户数据交换期间，读取DP从站的诊断信息。(4)Global_ControlDP主站将它的运行状态告知给各DP从站；将控制命令发送给个别从站或规定的DP从站组，以实现输出数据和输入数据的同步(Sync和Freeze命令)。2)DP从站：PLC、分散式I/O、驱动器、传感器、执行机构等现场设备。DP从站只与装载此从站的参数并组态它的DP主站交换用户数据。DP从站可以向此主站报告本地诊断中断和过程中断。3)DP主站(2类)2类DP主站是操作员工作站、编程装置，诊断和管理设备，完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。特殊功能:(l)RD_Inp和RD_Outp在与l类DP主站进行数据通信的同时，读取DP从站的输入和输出数据。(2)Get_Cfg读取DP从站的当前组态数据。(3)Set_Slave_AddDP主站(2类)分配一个新的总线地址给一个DP从站。4).DP组合设备可以将l类DP主站、2类DP主站和DP从站组合在一个硬件模块中形成一个DP组合设备。这样的设备是很常见的，一些典型的设备组合如下:（1）l类DP主站与2类DP主站的组合（2）DP从站与l类DP主站的组合

3.DP设备之间的通信1)DP通信关系和DP数据交换通信作业的发起者：请求方，通信伙伴：响应方。l类DP主站的请求报文以第2层中的“高优先权”报文服务级别处理。由DP从站发出的响应报文使用第2层中的“低优先权”报文服务级别。DP从站可将当前出现的诊断中断或状态事件通知给DP主站，通过将Data_Exchange的响应报文服务级别从"低优先权"改变为高优先权来实现。各类DP设备间的通信关系2)初始化阶段，重启动和用户数据通信DP主站检查DP从站是否在总线上DP主站通过请求从站的诊断数据来检查DP从站的准备情况DP主站定义DP从站的参数并组态此从站DP主站循环地与DP从站交换用户数据DP从站初始化(1)参数数据(Set_Prm):参数集包括预定给DP从站的重要的本地和全局参数、特征和功能。StationStatus:与从站有关的功能和设定Watchdog:(定时监视器，“看门狗”)检查DP主站的故障Ident_Number:DP从站的标识号,由PNO在认证时规定的DP从站的标识号放在此设备的主要文件中。Group_Ident:将DP从站分组组合，以便使用Sync和Freeze控制命令。User_Prm_Data:DP从站参数数据(User_Prm_Data)为DP从站规定了有关应用数据。（2）组态数据(Chk_Cfg)在组态数据报文中，DP主站发送标识符格式给DP从站，这些标识符格式告知DP从站要被交换的输入/输出区域的范围和结构。这些区域(也称“模块”)是按DP主站和DP从站约定的字节或字结构(标识符格式)形式定义的。标识符格式允许指定输入或输出区域，或各模块的输入和输出区域。（3）诊断数据(Slave_Diag)在启动阶段，DP主站使用请求诊断数据来检查DP从站是否存在和是否准备就绪接收参数信息。由DP从站提交的诊断数据包括符合EN50170标准的诊断部分。还包括此DP从站专用的诊断信息。DP从站发送诊断信息告知DP主站它的运行状态以及发生出错事件时出错的原因。（4）用户数据(Data_Exchange)DP从站检查从DP主站接收到的参数和组态信息，如果没有错误而且允许由DP主站请求的设定，则DP从站发送诊断数据报告它已为循环地交换用户数据准备就绪：DP主站与DP从站交换所组态的用户数据。DP从站只对由定义它的参数并组态它的l类DP主站发来的Data_Exchange请求帧报文作出反应。其他的用户数据报文均被此DP从站拒绝。4.PROFIBUS-DP循环1)PROFIBUS-DP循环的结构一个DP循环包括固定部分和可变部分。固定部分由循环报文构成，它包括总线存取控制(令牌管理和站状态)和与DP从站的I/O数据通信(Data_Exchange)。DP循环的可变部分由被控事件的非循环报文构成。单主总线系统中DP循环的结构报文的非循环部分包括下列内容:（1）DP从站初始化阶段的数据通信;（2）DP从站诊断功能;（3）2类DP主站通信;（4）DP主站和主站通信;（5）非正常情况下(Retry)，第2层控制的报式；（6）与DPV1对应的非循环数据通信;（7）PG在线功能;（8）HMI功能。2)固定的PROFIBUS-DP循环的结构对于自动化领域的某些应用来说，固定的DP循环时间和固定的I/O数据交换是有好处的。与正常的DP循环相比较，在DP主站的一个固定的DP循环期内，保留一定的时间用于非循环通信。允许一定数量的非循环报文事件。如果此保留的时间未用完，则通过多次给自己发报文的办法直到达到所选定的固定总线循环时间为止，这样就产生了一个暂停时间。固定的PROFIBUS-DP循环的结构5.采用交叉通信的数据交换交叉通信，也称之为“直接通信”，是在SIMATICS7应用中使用PROFIBUS-DP的另一种数据通信方法。在交叉通信期间，DP从站不用1对1的报文(从--主)响应DP主站，而用特殊的1对多的报文(从—主)。用交叉通信，通信关系"主-从"和"从-从"是可能的，但它们并不被所有类型的SIMATICS7DP主站和从站设备的模块所支持。6设备数据库文件PROFIBUS设备具有不同的性能特征，特性的不同在于现有功能(即I/0信号的数量和诊断信息)的不同或可能的总线参数，如波特率和时间的监控不同。为达到PROFIBUS简单的即插即用配置，这些特性均在电子数据单中具体说明，有时称为设备数据库文件或GSD文件。(1)总体说明(2)DP主设备相关规格(3)从设备的相关规格3.5PROFIBUS-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，PA可以取代4-20mA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.常规的4-2OmA系统与基于PROFIBUS-PA的系统在布线方面的区别2.过程工业一应用领域的特殊要求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"非本质安全"。3.

PROFlBUS-PA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-PA总线的数据传输3.6PROFIBUS-FMS技术简介PROFIBUS-FMS：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-FMS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.PROFIBUS-FMS的通信模型

FMS利用通信关系将分散的过程统一到一个共用的过程中。在应用过程中，可用来通信的那部分现场设备称VFD(虚拟现场设备)，在实际现场设备与VFD之间设立一个通信关系表。通信关系表是VFD通信变量的集合，如零件数、故障率、停机时间等。VFD通信时间表完成对实际现场的通信。3.通信对象和对象字典(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2种类型的动态通信对象:1)程序调用;2)变量列表(一系列简单变量，数组或记录)。4.PROFIBUS-FMS服务

FMS服务是ISO9506制造信息规范(Manufacturing