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1、第4章 PROFIBUS 教学目的与要求：了解PROFIBUS的基本概念、组 成及其应用范围，理解PROFIBUS的通信参考模型 ，掌握PROFIBUS采用的访问控制方式、PROFIBUS 的通信协议，了解PROFIBUS-DP三个版本的数据 传输，了解PROFIBUS站点开发与实现，了解 PROFIBUS-PA的基本特点、连接接口及安装。 教学重点：PROFIBUS总线访问控制的特点、 PROFIBUS的通信协议 教学难点：PROFIBUS的通信协议 第4章 PROFIBUS 4.1 PROFIBUS概述 4.2 PROFIBUS的通信协议 4.3 PROFIBUS-DP 4.4 PROFI
2、BUS站点的开发与实现 4.5 PROFIBUS-PA PROFIBUS定义 PROFIBUS的发展过程 PROFIBUS的三个子集 PROFIBUS应用范围 PROFIBUS的通信参考模型 PROFIBUS的组成 PROFIBUS的主站与从站 PROFIBUS的总线访问控制的特点 4.1 PROFIBUS概述 4.1 PROFIBUS概述 PROFlBUS (Process Fieldbus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、电力等其 他自动化领域。 PROFIBUS技术的发展经历了如下过程: 1987
3、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 PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分散型外围设 备) 用于设备级分散I/O之间的通信，实现分布式控制系统 设备间的高速数据传输，传输速率在9.6Kbps
4、12Mbps之间 可选。 PROFIBUS-PA（Process Automation，过程自动化) 用于 过程自动化，采用IEC61158-2通信规程，传输速率为 31.25Kbps，适用于有总线供电、本质安全要求的应用场合 PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，现场 总线报文规范) 用于车间级的数据通信，可提供通信量大 的相关服务 PROFIBUS包含有三个子集 PROFIBUS应用范围 CNC 区 域 控 制 器 Ethernet/TCP/IPTCP/IP/Ethernet PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DPPROFIBUS
5、-PA 工厂 管理级 总线 循环时间 1000 ms 车间级 总线 循环时间 100 ms 现场级 总线 循环时间 235B 2)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
6、海明距离 (HD)=4 12)地址定义范围为:0127(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 PROFIBUS的物理层及其网络连接 DP/FMS(RS-485)的物理层 DP/FMS(光纤电缆)的物理层 PA的物理层 4RS-485， NRZ（不归零）异步传输 4 比特率从 9.6 kBit/s 到 12
7、MBit/s，可选 4 双绞屏蔽电缆，符合EIA RS-485标准(也称H2) 4 每段 32 个站，最多允许 127 个站 4 传输距离: 12 MBit/s 时 100 m; 1.5 MBit/s 时 400m; 0.34 mm 每单位长度的电容 30 pF / m PROFIBUS 电缆被列在 PROFIBUS 电子 产品指南中。 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 如果其他连接器能提供必要的命令信号的话，也允许使用 安装 RS-485 (1) 站 1站 2 屏蔽 保护地
8、RxD/TxD-P (3) DGND (5) VP (6) RxD/TxD-N (8) (3) RxD/TxD-P (5) DGND (6) VP (8) RxD/TxD-N 390 数据线B 数据线A DGND (5) VP (6) 220 390 RxD/TxD-P (3) RxD/TxD-N (8) 电缆 A型电缆的 总线终端 保护地 安装 RS-485 (2) VP B A DGND 第一个站 390 220 390 总线终端 最后一个站 总线终端 VP B A DGND 数据线 B 数据线 A BBA A 站 2站 3 390 220 390 RS-485总线段的结构 RS485总线
9、段的结构 . B A 最多32个站 VP(6) 390 220 390 DGND(5) VP(6) 390 220 390 DGND(5) RS485段 RS-485 传输的数据位顺序 每个八位二进制数（字节）按 11 位的顺序被传输 每个八位二进数都补充三位，即起始、停止和奇偶校验位 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 此编码原理称 NRZ （即 Non Return to Zero） 空闲 起始 1 2 3 4 5 6 7 8 奇偶 停止 起始 校验 位顺序: 1. 字节 LSBMSB 2. 字节 LSB PROFIBUS-DP上的NRZ编码信号
10、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。 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。 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。 空闲状态：确定
11、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。 轴向电感 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/s12Mbit/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 拓朴结构 这里是总线型拓扑 在总线的开头和结尾必须有终端 一段可以由最多 32 个站*组成 终端 终端 终端 233031 6261 3332 (PROFIBUS 支持总线型
12、，树型和星型拓扑) 终端 中继器 中继器 * 注: 中继器没有站地址，但它们被计算在每段的最多站数中 站 1 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。（适用于有强电磁干扰的环境） 问题：如何使光纤与普通电缆互连？ OLM(光纤连接模块)、OLP(光纤连接插头)、集成的 光纤电缆连接器 连接技术 OLM技术(Optical Link Module,光纤连接模块) OLP技术 (Optica
13、l Link Plug，光纤连接插头) 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。 OBT（Optical Fiber Bus Terminal，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。 采用IEC 61158-2标准 4非直流传输的位同步、曼彻斯特编码 (也称H1 编码)，单一固定的传输速率31.25 KB/s 4本质安全 (可选) 和通过总线对站供电(可选) 4屏蔽或非屏蔽的双绞电缆 4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 。 4每段距离达1
14、900米，用中继器可延长到10公里 PA总线的物理连接 PROFIBUS 电缆要求 - IEC 1158-2 电缆设计:屏蔽双绞电缆 导线面积:0.8毫米2(AWG 18) 回路电阻: 44 / km 阻抗 （在31.25 KHz时）:100 +/- 20% 衰减 （在39 KHz时）:3dB / km 每单位长度的电容: 2nF / km 对 IEC 61158-2 传输的电缆被列在 PROFIBUS 电子产品指南中 PROFIBUS-PA的数据传输 （2）总线连接 （PA总线段的结构） 拓扑结构 树形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
15、设备通过现场分配器进行并行切换。 PROFIBUS- PA PROFIBUS- PA 图4-11 树型结构 PROFIBUS-DP 终端电阻 终端电阻 DP/ PA耦合 器（Exi） 控制器 供电设备 （Exi） 多路分配器 现场设备 现场设备 现场设备 现场设备 控制室 现场 总线形结构：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。 终端电阻 图4-12 总线型结构 终端电阻 PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA DP/ PA耦合 器（Exi） 控制器 供电设备 （Exi） 控制室 现场 现场设备 现场设备 现场设备 现场设备 现场设备 树形与总线形的组合结构：基于IEC1158-2传 输技术总线段与基于RS-485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IEC1158-2信号相适配。 供电设备 （Exi） 图3-13 树型与线型的组合结构 I I PROFIBUS-PA/ IEC1158-2 PROFIBUS-DP 终端电阻 终端电阻 DP/ PA耦合 器（Exi） 控制器 现场设备现场设备 控制室 现场 I I I 多路
