《网络控制技术》第4章profibus现场总线

《《网络控制技术》第4章profibus现场总线》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《网络控制技术》第4章profibus现场总线（123页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第四章 Profibus现场总线,本章主要内容,Profibus概述 物理层 数据链路层(FDL) 应用层 DP规范 PA行规,4.1概述,PROFIBUS是过程现场总线（Process Fieldbus）的缩写，于1989成为正式的现场总线国际标准。目前，它在离散制造业和过程自动化领域占据主导地位，全世界的PROFIBUS设备节点数已经达到2000万，成为全球最有影响力的现场总线技术之一。 由PA、DP和FMS三部分组成。PA主要应用于过程自动化，适合于本质安全的场合；DP的特点在于它的高速、廉价，专为现场级分散IO节点设计；FMS主要为车间级通信任务提供大量的通信服务。,4.1概述,PRO

2、FIBUS系统结构,4.1概述,PROFIBUS通信参考模型,4.1.1物理层,物理层规定了线缆长度、网络拓扑结构、总线接口、站点数和在9.6 kbit/s到1.5 Mbit/s之间可变的数据传输速率，以适应不同的领域。 根据应用场合物理层成可以分成两部分：物理层类型1和物理层类型2。 物理层类型1是根据EIA标准RS-485制定的，不能应用于本质安全场合,4.1.2数据链路层,数据链路层定义总线访问方式和数据传输服务。 PROFIBUS总线访问通信为主从式，具有对总线控制权限的站点称为主站，而通信过程对总线不具备对总线控制权限的站点为从站。主站决定了总线的数据通信，当主站获得总线控制权时，可

3、以主动发送信息，而不必有外界的请求。从站无总线控制权，仅能对接收的信息进行确认或在主站发出请求后向主站发送响应。 主站间的通信采用逻辑令牌控制方式，所有的主站构成一个逻辑令牌环，令牌传递在环中传递保证每个主站在确定的时间得到总线存取权，以确保在任何时刻只有一个站点发送数据。令牌实际上是一种数据链路层一种特殊的帧，按地址的升序依次在各主站间传递。令牌循环一周的时间是事先规定的，各主站持有令牌的时间取决于令牌配置的循环时间。拥有令牌的主站可与从站通信，向从站发送或索取信息。,4.1.2数据链路层,PROFIBUS的总线访问方式,4.1.2数据链路层,数据链路层共定义了4种数据传输服务： 发送数据需

4、应答（SDA） 此服务允许用户给单个远程站发送数据，并等待远程站点的确认信息，是点对点的通信方式。如果通信过程中出错，或等待超时，将重传数据。 发送数据无需应答（SDN） 此服务允许用户同时给单个远程站、多个远程站（组播）或同时给全部远程站（广播）发送数据，不需要任何确认。 发送和请求数据需回答（SRD） 此服务允许用户给单个远程站发送数据，同时请求此远程站回送相关数据。 循环地发送和请求数据需回答（CSRD） 此服务允许用户循环地给远程站发送数据，同时请求此远程站回答数据。,4.1.3应用层,应用层由现场总线报文规范（FMS）和低层接口（LLI）两个实体组成，利用通信关系将分散的应用过程统一

5、到一个共用的过程中。 现场总线报文规范描述了设备的应用过程、通信对象、服务以及关系模型，主要负责管理单元级(PLC和上位机)的数据通信。其服务适用的应用场合广泛，并在解决复杂的通信任务时拥有极大的灵活性。 对于一个设备的应用过程与另一个设备的应用过程间的通信，传输的过程对象必须在通信系统中是可视的，也就是说，过程对象作为通信对象需罗列在设备的对象字典（OD）中。这样，一个应用过程的通信对象在被通信服务寻址和处理之前，必须是有效且可视的。 通常在运行期间站点在网络中必须有唯一的标识，通过总线能读出诸如制造商名称、型号、行规等有关标识信息。对象字典、设备特性、相同的服务和一致的接口就构成不同制造商

6、的设备间开放通信的基础，通常也把设备的这部分信息称虚拟现场设备（VFD）。因为在PROIFIBUS总线上，它其实就是物理设备在网络中的逻辑表示。,4.1.3应用层,低层接口用于建立各种不同的通信关系并向现场总线报文规范提供对于第2层、设备无关的访问，主要任务是： 把现场总线报文规范和现场总线管理等应用层服务映像到数据链路层服务上 通信连接的建立和解除 监视通信连接关系 数据流控制,4.1.4用户层,用户层是针对工业的特点而定制的一层网络规范，保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能，提供了设备的可互换性。它定义了不同应用领域的设备功能，即FMS行规、DP行规和PA行规。,4.2物理层,物理层类

7、型1介质RS-485使用NRZ位编码，目的是降低总线耦合器成本，耦合器可以实现站与总线之间的电气隔离或非电气隔离 RS-485的技术特征如下： 介质：屏蔽双绞线。 总线长度1200米。 站数：32个站点。 数据传输速率：9.6/19.2/93.75/187.5/500/1500 kbits/s，可支持更高的数据传输速率。,4.2物理层,物理层类型2介质覆盖范围大、拓扑结构灵活，可以通过信号导体传输电流，具有易爆气体保护和高的电磁兼容性。物理层类型2能够满足一些环境恶劣的化工领域的应用，它的技术特征如下： 介质：能提供本质安全和总线供电功能(发送数据时，不向总线供电) 网络拓扑：可以是线形、星形

8、、树形或前几种的组合 数据传输：曼切斯特编码，通信速率为31.25kbps。 站数：每个网段最多32个，总数最多126（采用中继器的话）,4.2物理层,每个站点通过9针连接器与介质连接。连接器的插座装在站内，而插头安装在总线电缆上。最好用金属的连接器外壳。,4.2.3物理层(PHY)的服务,站1请求原语将数据链路层的信息发送到现场总线介质，信息可以是二进制的0或1，也可能是无效状态。站N会在总线上收到相应的信号，并在物理层进行译码并译码后的内容交给数据链路层处理。站N数据链路层此时处理信息就是指示原语，它根据PROFIBUS的协议约定进行的处理。,4.3数据链路层(FDL),4.3.1总线存取

9、技术 4.3.2数据链路服务 4.3.3现场总线管理层（FMA 1/2） 4.3.4数据链路层的帧编码,4.3.1总线存取技术,PROFIBUS的介质访问机制是基于令牌传递和主从通信技术的。主站具有对总线的访问权限，如果一个通信系统中有多个主站的话，只能有一个激活的主站。确保多主站的系统中，只有一个主站处于激活状态的机制就是令牌传递过程。从站不会主动向外传送信息，除非收到主站的请求。PROFIBUS把主站发送请求信息和从站做出响应的交互过程称为报文循环。,4.3.1总线存取技术,PROFIBUS系统把主站按照地址的高低排成一个升序序列，为了形成一个封闭逻辑令牌环，最高地址的主站后接着是最低地址

10、的主站 。逻辑环中令牌从一个主站传递给另一个主站。主站想获取数据发送权时，就必须先得到传送的令牌，此时令牌停止在逻辑环中传送，而由本地主站进行管理。每个本地主站TS从先行站PS接收到令牌，处理完数据后，传递令牌给后继站NS。在整个令牌环运行前进行初始化时，每个主站需要确定它的先行站和后继站地址。 未获得令牌的站点只有收到激活主站的请求时，才可以发送信息以做出响应，而且响应应该在一个预期的时间内完成，即时隙时间Tslot。,4.3.1总线存取技术,在逻辑令牌环中的每一个主站负责增加新站和撤除现有的站，它们的地址被安置在从本站地址到下一站之间的范围内。这个地址范围称作GAP，最高站地址和127之间

11、的地址范围除外。在GAP更新时间（TGUD）给定的时间区段内，逻辑令牌环中的每一个主站周期性地检查它的地址范围。,4.3.1总线存取技术,主站本次接收到令牌到下一次接收到令牌的时间差，我们称为实际令牌轮转时间（TRR）。为保证工程应用系统响应的实时性，通常会预先设计令牌在环中轮转时间，即目标令牌轮转时间（TTR）。通常情况下，要求实际令牌轮转时间应小于目标令牌轮转时间，以确保在规定的时间内完成控制任务。,4.3.1总线存取技术,4.3.2数据链路服务,发送数据需应答,4.3.2数据链路服务,发送数据无需应答,4.3.2数据链路服务,发送并请求数据需回答,4.3.2数据链路服务-CSRD,4.3

12、.2数据链路服务,4.3.3现场总线管理层（FMA 1/2）,它根据功能来分，可以分成两种：一种是用来管理本地，另外就是与远程站点的管理。它向用户提供了以下服务： 复位 用户可用此服务复位第一层（即物理层）、第二层（即数据链路层）和管理层自己。复位等效于设备上电。 设定值 用户使用此服务给第一层和第二层的变量设置新值，设置新值后用户会接收一个确认，报告指定的变量是否已设定为新值。 读指定值 此服务能读取第一层和第二层的变量的实际值。 事件 使用此服务通知管理用户在第一层和第二层出现的某些事件或错误。,4.3.3现场总线管理层（FMA 1/2）,标识 在请求标识服务时，对主站和从站是有区别的。从

13、站的管理用户使用此服务决定本地数据链路层和管理层的硬件、软件版本数据。在主站情况下使用此服务时，用户可附加请求从远程站来的相同类型的信息。 服务访问点状态 用户使用此服务通知它本身关于本地数据链路层的服务存取点的配置，或在远程站的情况下报告关于它们的数据链路服务。在从站的情况下，此服务仅对本地服务访问点适用。 活动表 此服务给主站的管理层用户提供一些在总线上活动的所有站的更新表。 激活服务访问点和停止激活的服务访问点 此功能为各个数据链路层服务去激活并配置链服务存取点。,4.3.4数据链路层的帧编码,每个UART字符由一个起始位、8个数据位、校验位和停止位组成 其中起始位（ST），它表现为二进

14、制0；8个信息位，它们可以是二进制0或1；奇偶校验位，它是二进制0或1；停止位，总表示为二进制1。,4.3.4数据链路层的帧编码,PROFIBUS根据帧的作用可以分为：不带数据字段的固定长度的帧、有数据字段的固定长度的帧、带可变数据长度的帧以及令牌帧。下面分别讨论这些帧的组成形式。 不带数据字段的固定长度的帧 有数据字段的固定长度的帧 带可变数据长度的帧 令牌帧,不带数据字段的固定长度的帧,图中顶部是请求报文的帧、中间是应答帧、底部是短应答帧。其中SYN是帧的同步时间，通常正常通信前需要等待最少33比特的时间； SD1是起始界定符，这里值为0x10；DA、SA是目的地址、源地址； FC是帧的控

15、制字段表明帧的类型；FCS是帧校验；ED是停止界定符，数值为0xE5。,有数据字段的固定长度的帧,图中的上面部分是请求帧，下面部分是应答帧。 SD3数值为0xA2，数据区（DATA_UNIT）字段长度固定为8个字符，其它字段和不带数据字段的固定长度的帧意义相同。,带可变数据长度的帧,图中的上面部分是请求帧，下面部分是应答帧。 SD3数值为0xA2，数据区（DATA_UNIT）字段长度固定为8个字符，其它字段和不带数据字段的固定长度的帧意义相同。,令牌帧,图描述了令牌帧的结构，起始界定符（SD4）数值为0xDC。,地址编码,地址最高位（EXT）是留给扩展使用，因此数据链路层地址最大取值是126，

16、127留给了广播地址。 EXT置1的话，扩展地址应该添加在FC之后，长度为1个字节，扩展地址或是服务访问点（SAP），或是段地址。,地址编码,地址扩展举例,地址编码,最高位是扩展（EXT）标记位，值为1时说明它后有一个相同结构的地址扩展字节； TYPE位则用来区分是链路服务访问点（LSAP），还是段地址。 如果是0，则后面6位表明一个链路服务访问点，是1则表示为一个段地址,地址编码,通常数据链路层服务通过一个链路服务访问点来处理，同一时间允许在主站和从站中有若干个服务访问点。 源服务存取点（SSAP）表示本地用户到此数据链路层的存取地址，它在SAE字节中被传输。 目的服务存取点（DSAP）表示远程用户到此数据链路层的一个或多个存取地址，它在DAE字节中被传输。 源服务存取点值范围为062，而目的服务存取点值范围为063，值为63时表示全局存取地址。 有的时候，为了提高帧的有效性，数据服务可能会省略掉SAE。而接收到此数据的站点，会回送一个不带DAE的应答帧。这种服务访问点称为缺省服务访问点。,帧控制（FC）编码,帧控制字节标识了帧的类