现场总线控制系统之ProfiBus现场总线标准.ppt

1、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,主 要 内 容,1 PROFIBUS 现场总线概述 2 PROFIBUS DP 3 PROFIBUS PA 4 PROFIBUS FMS 5 几种支持芯片,1 RPOFIBUS技术的由来,87年由Siemens公司等13家企业和5家研究机构联合开发; 89年批准为德国工业标准DIN 19245； 96年批准为欧洲标准EN 50170 V.2; 98年PROFIBUS-PA批准纳入EN50170 V.2; 99年PROFIBUS成为国际标准IEC 61158的组成部分(Type III); 2001年批准成为中国的行业标准

2、JB/T 10308.3-2001;,PROFIBUS簇,PROFIBUS 应用领域,PROFIBUS DP： PROFIBUS PA： PROFIBUS FMS：,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的过程数据交换。,电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。,PROFIBBUS PA,RPOFIBUS给客户的好处,一、节省硬件和安装费用 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 二、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

3、统起动 三、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,PROFIBUS 网络的构成,经由通讯处理器连接到网络的计算机及编程设备 工程及诊断工具 、网络配置、诊断工具,中央可编程控制器，如PLC、PC ,支持主站功能的通讯处理器（通信控制和管理）,分布式I/O、支持DP 接口的传动装置 支持从站功能的通讯处理器 其它支持 DP 接口的输入、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,PROFIBUS 协议结构,IEC传输技术保证安全性和直接给现场设备供电。,PROFIBUS 传输技术,PROFIBUS使用两端有终端的总线拓朴

4、。在运行期间，接入和断开一个或几个站不会影响其它站的工作，即使在本质安全区也如此。 提供三种不同的物理层选择： RS 485： 用于DP和FMS（对称传输，称H2） IEC 1158-2： 用于PA（位同步协议，称H1） 光纤： 用于DP和FMS,传输特点（1） 高速（H2），RS 485 依据RS 485，异步NRZ传输 波特率从9.6kBit/s12MBit/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,RS 485传

5、输数据位顺序 每个8位二进数（1字节）按11位的顺序被传输 最小的有效位（LSB）被第一个发送 最大的有效位（MSB）被最后发送 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 Non Return to Zero),传输特点（2） 低速（H1） IEC 1158-2 同步Manchester编码,31.25kBit/s 本质安全（可选）和通过总线对站供电（可选） 屏蔽或非屏蔽的双绞电缆 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,PROFIBUS电缆要求-RS 485,

6、参数 电缆类型A 电缆设计 屏蔽双绞线电缆 浪涌阻抗 135165 回路电阻 110 /km 线径 0.64mm 线截面积 0.34mm 每单位长度的电容 30pF/m,PROFIBUS电缆要求-IEC 11582-2,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 每单位长度的电容： 2nF/km,9针D型连接器的针脚分配（为RS 485用）,对PROFIBUS-DP/FMS提供的连接器类型是9针D型连接器插座部分被安装在设备上如果其它连接器能提供必要的命

7、令信号的话，也允许使用,拓 朴,PUOFIBUS 支持总线型，树型和星型拓朴 这里提供的拓朴是总线型拓朴 在总线型的开头和结尾必须有终端 一段可以由最多32个站组成,过程自动化典型结构,非,PROFIBUS总线存取协议,PROFIBUS介质存取控制MAC的基本要求： 在主站间通信，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； 在主站和从站间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。,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网络区域容易组合 3.因为FMS/DP使用

8、相同的物理介质（RS-485/FO），因此它们能组合在同一根电缆上。,轮询,令牌方式,主从方式,总线访问协议的特征（1）,混合总线访问协议: 主站间的逻辑令牌环 主从站间的主从协议 主站: 主站在一个限定时间内（Token Hold Time)对总线有控制权 从站: 从站只是响应一个主站的请求，它们对总线没有控制权,PROFIBUS总线访问协议(FDL)的特征(2),主站或从站可以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（发送需确认的数据）、SRD（发送并请求回答的数据）、SDN（发送不要求确认的数据）和CSRD（周期性的发送并请求回答的数据）。

9、令牌环调度确保每个主站有足够的时间履行它的通令任务。因此，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现有故障的站、失效的令牌、重复的令牌、传输错误和其它所有可能的网络失败。 所有信息（包括令牌信息）在传输过程中确保高度安全，以免传输错误。海明距离HD=4。,2 PROFIBUS DP,PROFIBUSDP 用于设备级的高速数据传送，中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通信。 多数数据交换是周期性的，智能化现场设备还需要非周期性通信进行配置、诊断和报警处理。,代替PLC/PC与I/O

10、之间昂贵的电线; 快速，传输1千字节的输入数据和1千字节的输出数据所需时间ms; 强有力的工具，减少组态和维护费用; 被所有主要的PLC制造商支持; 有广泛的产品：PLC，PC，I/O，运动器，阀，编码器等; 允许周期性和非周期性的数据传输; 单主和多主网络; 每个站的输入和输出数据最多可达244字节;,PROFIBUS_DP的特点,PROFIBUS_DP定义的三种设备类型,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

11、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。,总线控制器板，嵌入式计算机常用总线。,VME（VersaModule Eurocard）总线是一种通用的计算机总线，它结合Motorola公司Versa总线的电气标准和在欧洲建立的Eurocard标准的机械形状因子，是一种开放式架构。 VME系统的总线分为四大类：数据传输总线、数据传输仲裁总线、优先中断总线和通用总线。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。,PROFIBUS-DP提供广泛的诊断可能性,诊断信息能快速确定故障的位置。 诊断信息分为三级：

12、1、与站有关的诊断： 站一般运行状态的信息，如温度过高，电压过低 2、与模块有关的诊断： 设备中相关模块的信息，如输出模块 8A有故障 3、与通道有关的诊断： 输入或输出某一信号位的信息，如输出线3断了,系 统 配 置,运行模式,在EN50170 Vol.2中定义了DP-主和DP-从的系统行为。 系统行为主要由DP-主站（1类）的系统行为来确定。 DP-主站（1类）区别下列状态： 停止（STOP） 在DP-主和DP-从之间无数据传输。 清除（CLEAR） DP-主读DP-从的输入数据并保持输出在 失效安全状态。 运行（OPEARTE）DP-主处在数据传输段。 在后继的周期中，DP-从的输入被读

13、，且输 出数据被写给DP-从。,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,DP-主站和DP-从站间的数据传输,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 的特定参数进行参数化。 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： 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，而不心中断数据传输。 在这三个阶段中，都可以附加诊断数据和控制命令的传输。,主主数据传送,PROFIBUS-DP主-主功能,控制命令,除与用户数据传输有关的站以

14、外，DP-主站可以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： 输入同步（锁定模式） 输出同步（同步模式） 输出清除进入失效安全状态（清除模式）,DP扩展功能,DP扩展功能允许非循环的读写功能,设备数据库文件GSD,FPOFIBUS-DP 设备的GSD文件（1） 在GSD文件中，描述每一个FPOFIBUS-DP 设备的特性。 每个设备的GSD文件用设备的电子数据单来表示。 GSD文件包含所有设备的特定参数，如： 支持的波特率 支持的信息长度 输入/输出的数据量 诊断信息的含义 对模拟设备有效的选择,GSD是可读的ASCII文本

15、文件，它包含用于通信的通用的和设备专用的规范。GSD的结构分为3部分：通用规范、主站规范和从站规范。,FPOFIBUS-DP 设备的GSD文件（2）,允许开放配置,RPOFIBUS-DP行规概述（1）,对NC/RC的行规 此行规描述许多操作机器和许多装配机器人怎么通过DP来实现控制。 根据详细的流程图，从高水平自动化的观点，很容易描述这些机器人的运动和程序控制。 对编码器的行规 此行规描述PROFIBUS-DP到编码器的联接，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能和补充功能。 （如比例尺，中断处理和扩展的诊断）。,RPOFIBUS-DP行规概述（2）,各种速度驱动器的行规

16、知名的驱动技术的制造商都参加了PROFIDRIVE的制订。此行规指出驱动器如何参数化以及设定点和实际值如何被传输，这就使不同制造商的驱动器能相互换。此行规包括必要的速度和位置控制的规范，还说明了对DP或FMS的应用功能联系。 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）的行规指出这此设备通过PROFIBUS-DP怎样与高层自动化部件连接。此行规使用扩展的PROFIBUS-DP通信功能。,3 PROFIBUS-PA,应用范围,PROFIBUS-PA=用于过程自动化的PROFIBUS 变送器、阀、执行器等等 通过串行总线系统连接 在化学工业和过程控制中使用 通过数据线

17、对现场设备供电 在危险区域（EExi型保护区域）应用,PROFIBUS-PA适应所有过程自动化领域,对防爆和非防爆区域过程自动化的低端应用，PROFIBUS-PA是优选。 PROFIBUS-PA完全满足化学工业用户组织（如NAMUR）对数字现场总线的要求。,采用PROFIBUS-PA技术，PA设备运行在下列防爆区域,Zone 0: 危险的爆炸瓦斯气体经常或长期存在的区域 Zone 1: 在正常运行期间危险的爆炸瓦斯气体有可能存在的区域 Zone 2: 不希望在正常运行期间存在危险的爆炸瓦斯气体的区域,PROFIBUS-PA与420mA系统的比较,节省成本的潜力,安装 节省 电线 PLC I/O

18、板 安装元件（Ex-/电流隔离器等） 排列机架 空间 减少错误 减少安装时间,PROFIBUS-PA的基本成份PROFIBUS-DP现场总线系统,主站（1类） 主站（2类）,PROFIB-PA的组态拓朴,PROFIB-PA的组态现场设备的供电,设备数,PROFIB-PA的成份,网络元件耦合器和链接器,耦合器的功能,段耦合器在不同的传输技术之间提供一个网关（gateway） 异步NRZ编码 DP/PA耦合器 同步Manchester编码 1Byte=11Bit 1Byte=8Bit (8个用户位+1开始位+1停止位+1奇偶检验位） 可变的波特率 固定波特率=31.25kBit/s,从现今的4-2

19、0mA很容易转移到PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA 协议功能,PROFIBUS-PA以PROFIBUS-DP为基础。 通过标准的DP周期性数据交换功能传输量值和状态。 对于设备参数的传输和用工程工具的设备运行，使用扩展PROFIBUS-DP的非周期性读/写功能。 PROFIBUS-PA行规定义有送PA功能映像。,PROFIBUS-PA的基本成份,DP协议，周期和非周期的,PROFIBUS-PA行规概述,对过程自动化的行规 这是专为过程自动化制定的行规。依据功能块技术， 它包括对所有类型现场设备都有效的一般定义和设备数据单（如温度、压力、液位、流量变送器和定位器等）。,PROFIB

20、US-PA行规确保互操作性,定义运行、识别、维护、诊断等参数 定义数据（如温度、压力、流量等）的含义 定义一个模拟量，含范围、工程单位和状态 依据国际承认的功能块技术 定义通信子集和设备行为 支持简单的（单变量）和复杂的（多变量）设备 结合化学工业的应用开发的,The PROFIBUS-PA行规,行规包括两部分: 一般定义 对所有类型的设备都有效 定义此设备与PROFIBUS-PA间的关系 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）有各自的设备数据单 定义此设备的特定参数和操作,今天可提供的PA行规的设备数据单,变送器 +温度 +压力 +液位 +流量 执行器 +阀 +数字

21、I/O PID-循环控制器,PA行规标准化的设备参数,例：功能块模拟输入，压力变送器,PROFIBUS-PA的组态设备行规（简单现场设备）,PROFIBUS-PA的组态互操作性,4 PROFIBUSFMS,FMS的设计旨在解决车间级的通信，在这一级可编程 控制器主要是互相通信。在此应用领域内，高级功能比 快速系统反应时间更重要。 PROFIBUSFMS应用层包括以下两个部分： 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。,PROFIBUS-FMS协议结构,PROFIBUS-FMS的特点,为连接智能现场设备设计，

22、如PLC，PC，MMI 强有力的应用服务提供广泛的功能 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 周期性和非周期性的数据传输 每个设备的用户数据多达240个字节 得到所有主要PLC制造商的支持,PROFIBUSFMS面向对象,变量、参数、程序均设计为对象 每个对象都有确定的特性（读，写） 所有对象被列在对象字典（OD）中 对象字典根据每个设备单独构成,通信对象类型,对象,不明确的,明确的,由PROFIBUS标准定义 VFD：虚拟现场设备 OD：对象字典 Data Types: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、记录、区域 动态： 在

23、运行时定义如程序、变量表,对象字典（OD）,对象字典包括如下部分： 头部 包含此OD的结构信息 数据类型字典 包括静态通信对象表（如停机时间、故障率） 动态变量表的表* 包括所有现今已知变量表的表 动态程序表* 包括所有现今已知程序的表 注：*部分是可选的，仅对某些设备存在。,例：一个简单设备的OD,头部： ROM/RAM标志 名字长度，访问保护，OD版本 静态OD的第一个指针和长度 数据类型OD的第一个指针和长度 动态OD部分的第一个指针和长度,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16 6 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

24、址 符号 20 VAR 1 4711H 件数 21 VAR 2 5000H 停机时间 22 VRA 6 100H 故障率,PROFIBUSFMS支持如下类型的对象,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：同类型的简单变量的数组 记录：各种类型的简单变量的数组 区域：大数量的数据 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：程序的描述 变量表：简单变量、数组或记录的记录,PROFIBUSFMS的通信关系,站之间的数据传输通过通信关系来执行 通信关系允许存取保护和自动的联接监视,PROFIBUSFMS设备的电子数据单,对每一个FMS设备有一张由制造商定义的电子数据单（GSD文件） FMS GSD文件包括所有相关设备的通信能力。 在组态期间，FMS组态工具读GSD文件并将所有信息放入账号。 在PROFIBUS导则No.2.101中，描述了FMS GSD 文件的格式。,ROFIBUSFMS行规的概述,控制器间通信的行规 这是一个通信行规，对标准的控制器类型描述了必要的服务、参数和数据类型。 楼宇自动化的行规 这是专为楼宇自动化制定的分支行规，它包括一般定义，如楼宇自动化设备如何使