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1、现场总线控制系统,现场总线控制系统,湖南大学 电气与信息工程学院,王 辉,现场总线控制系统,现场总线控制系统,第2章,现场总线技术,现场总线控制系统,第2章 现场总线技术,2.1 网络通信基础,2.3 现场总线通信模型,2.4 基金会现场总线,2.5 PROFIBUS现场总线,2.6 CAN总线,2.2 开放式系统互连参考模型,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,一、概述,一项研究课题 PROFIBUS是PROcess FIeld Bus（过程现场总线）的缩写。 PROFIBUS的标准规范作为一个研究课题（19871990）得到了德国政府的大力支持和资助，由12家组织（公司）和5家
2、德国研究所共同开发研究。这12家公司是：ABB、AEG、Bosch、Honeywell、Kloechner-Moeller、Landis-Gyr、Phonenix Contact、Rheinmetall、RMP、Sauter-Cumulus、Schleicher、Siemens。 德国国家标准 1989年发布了第一个PROFIBUS的草案，作为德国国家标准DIN19245的第1部分和第2部分，它被定义为PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）。1993年发布了被定义为PROFIBUS-DP（Decentralized Peripherials）的
3、第3部分。,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,欧洲标准 1993年CENELEC成立了一个工作组，来制定和发展欧洲的现场总线标准。工作组进行了充分的技术论证和市场调研，经过1995年和1996年的两轮投票，在1996年12月发布了欧洲现场总线的标准EN50170。当时EN50170包括PROFIBUS（FMS、DP）、P-NET和WorldFIP。在1998年PROFIBUS-PA也纳入了EN50170中。,国际标准 现场总线IEC61158标准更是个经过激烈战斗后的产物。在IEC61158中，PROFIBUS（包括DP和PA，没有FMS）成为第3种标准现场总线。后来又对IEC6
4、1158进行的补充中，PROFIBUS补充得最多，主要是对DP在原有的V0的基础上增加了DP-V1和DP-V2，更重要的是PROFINET成为了第10种现场总线标准。,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,最成功的现场总线 到目前为止，超过50万个PROFIBUS网络，近1600万个各种PROFIBUS设备稳定运行在工业现场；250多个制造和供应商提供2000多种PROFIBUS产品。同时，PROFIBUS形成了世界范围内的支持网络，1989年在德国成立了PROFIBUS用户组织（PNO），目前在23个国家有地区性的RPAs（Regional PROFIBUS Association
5、s），在15个国家有近30个PCCs（PROFIBUS Competency Centres），所有这些机构都可以为广大的用户提供技术培训、咨询和交流等方面的技术支持。,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,二、ProfiBus 技术特点,Porfibus支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。 按Profibus的通信规范，令牌在主
6、站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播,或有选择地向一组站点广播。,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,用一根串行的数字总线替代传统的并行24V 信号 和 4.20 mA 模拟信号 通过一根双芯屏蔽电缆连接中央控制器和现场设备 同样适用于防爆环境和有安全要求的应用： 一个系统适合于不同的应用 数据和电源通过同一根电缆传输（PA） 对于所有的设备，只需要一个通用的组态和工程工具 连接不同厂商的设备 开放的、不依赖于厂商的现场总线， 并符合IEC 61158国际标准,现场总线控制系统,
7、2.5 PROFIBUS总线,三、PROFIBUS组成部分,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的传输速率最高可达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。,PROFIBUS-PA具有本质安全特性，它实现了IEC61158-2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
8、行业的过程自动化控制系统。,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,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簇,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,二、PROFIBUS的通信模型和协议类型,PROFIBUS通信模型参照
9、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。大大简化了协议结构，提高了数据传输效率，符合工业自动化实时性高、数据量小等特点的要求。 PROFIBUSDP和PROFIBUSFMS的第1层和第2层相同， PROFIBUS-FMS有第7层，PROFIBUSDP无第7层。PROFIBUSPA有第1层和第2层，但与DP/FMS有区别，无第7层。,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,相互关系 FMS、DP和PA的数据链路层是完全相同的，即它们的数据通讯基本协议是相同的，所以它们可以存在于同一个网络中； DP和FMS的物
10、理层均使用RS485/FO（Fiber Optic）,所以他们可以使用同一根电缆进行各自的通讯； 虽然PA的物理层使用MBP（IEC61158-2）（Manchester code Bus Powered）技术，但由于PA也使用DP-V0的基本报文协议，所以DP和PA可以互相通讯； 因为FMS的第7层规范只适合于FMS装置，所以FMS不能和DP、PA交换数据。,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,Profibus信道：逻辑信道与物理信道,现
11、场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,通信关系,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,通信关系结构 每个独立的、局部的信道可以分别定义，一个信道的所 有参数列于通信关系表（）中。,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,二、PROFIBUS的数据传输和拓扑结构,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,1 用于DP和FMS的RS-485传输技术,Profibus最常用的传输技术 采用屏蔽双绞电缆连接（符合EIA RS-485标准) 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（与传
12、输距离有关） 每段32个站（无中继器）或127个站（带中继器） 采用9针D型插头连接器,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,RS-485总线段的结构,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,传输序列 半双工、异步、无间隙同步 NRZ（不归零）编码 1个字符祯 = 1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位、1个停止位 二进制 “1” 对应于RXD/TXD-P线上的正电位，而在RXD/TXD-N线上为负电位 各报文之间的空闲（idle）状态对应于二进制的 “1”信号 A号线对应于RXD/TXD-N信号，而B号线对应于RXD/TXD-P信号,现场总线控制系统,2.5 PROFIBU
13、S总线,传输电缆 最大长度与波特率有关，速率越高，距离越短 总线上的所有设备（站点）都要采用相同的传输速率 A型电缆（0.34mm )和B型电缆(0.22mm ),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型连接器的插头端与总线电缆相连接。,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,总线站与总线的连接采用9针D型连接器。,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,总线终端器 根据EIA RS-485标准，在数据线A和B两端均加接总线终端器 终端器包括1个下拉电阻和1个上拉电阻
14、 空闲状态（idle)：终端电阻保证了总线上确定的空闲电位 可以由跳接器或开关来启动,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,拓扑结构,RS 485 的屏蔽 / 接地,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,2.用于PA的IEC61158-2传输技术,(1) 数据IEC1158-2的传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备供电。 (2) IEC1158-2是一种位同步协议，通常称为H1。 (3) IEC1158-2技术用于PROFIBUS-PA，技术特征：,现场总
15、线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,传输电缆 采用屏蔽/非屏蔽双绞线 4种电缆类型 总线长度：200-1900米,PA的总线连接,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,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。,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,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。,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,
16、现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,树型与总线型的组合结构：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。,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,耦合器DP/PA coupler的主要作用： 1.实现物理层的转换 2.通过总线向现场仪表供电 3.安全栅功能：实现危险区与安全 区的电气隔离 链接器Link的主要作用： 1.控制着过程仪表与主控制器之间的数据通讯工作，它肩负着主设备和从设备的双重任务。 2.作为主设备,它控制着内部总线的正常工作;作为从设备,它又担负着与上一层总线的通讯任务。,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,3. 光纤传输技术（用于DP和FMS）,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。,现场总线控制系统,2.5 PROFIBUS总线,总线导线 塑料纤维光纤，一般在百米以下使用 玻璃纤维光纤，一般在
