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1、 PROFIBUS 现场总线技术 ProfiBus ProcessfieldBus 通讯简介 作为众多现场总线家族的成员之一 ProfiBus是在欧洲工业界得到最广泛应用的一个现场总线标准 它既符合德国标准DIN19345及欧洲标准EN50170 同时也于2000年成为国际标准IEC61158的组成部份 是目前国际上通用的现场总线标准之一 ProfiBus是属于单元级 现场级的SIMITAC网络 适用于传输中 小量的数据 其开放性可以允许众多的厂商开发各自的符合ProfiBus协议的产品 这些产品可以连接在同一个ProfiBus网络上 Profibus是在1987年由Simens等13家企业和
2、5家科研机构在德国联邦研技部的资助下 联合研究开发的开放式现场总线标准 ProfiBus是一种电气网络 物理传输介质可以是屏蔽双绞线 光纤 无线传输 通信透明从传感器 执行器到区域控制器 Ethernet TCP IP TCP IP Ethernet PROFIBUS FMS PROFIBUS DP PROFIBUS PA 工厂级 总线循环时间 1000ms 车间级 总线循环时间 100ms 现场级 总线循环时间 10ms PLC 其它技术特点 信号线可用设备电源线 每条总线区段可连接32个设备 不同区段用中继器连接 传输速率可在9 6kB S 12MB S间选择 传输介质可以用金属双绞线或光
3、纤 提供通用的功能模块管理规范 在一定范围内可实现相互操作 提供系统通信管理软件 包括波形识别 速率识别和协议识别等功能 提供244字节报文格式 提供通信接口的故障安全模式 当IO故障时输出全为零 EN50170Volume2 DeviceProfilesApplicationProfiles 过程自动化 PROFIBUS PAIEC1158 2 总线供电 本质安全 PROFIBUS簇 工厂自动化 PROFIBUS DPRS485 FO 即插即用 高效 廉价 快速 通用目的自动化 PROFIBUS FMSRS485 FO 大范围的应用 多主通信 通用 面向应用 1 Profibus基本特征 一
4、 协议结构Profibus现场总线是目前应用最广泛的现场总线技术之一 DP和PA的完美结合使得Profibus现场总线在结构和性能上优越于其它现场总线Profibus既适合于自动化系统与现场I o单元的通讯 也可用于直接连接带接口的变送器 执行器 传动装置和其它现场仪表对现场信号进行采集和监控 并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆 大量节省了电缆的费用 也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用Profibus协议以OSI为参考模型 其协议结构如下图所示 PROFIBUS协议符合ISO OSI的开放系统参考模型 FMS的协议结构 FMS定义了物理层 数据链路层和应用层和用户接口
5、三到六层未加描述物理层提供了光纤和RS485二种传输技术数据链路层完成总线的存取控制并保证数据的可靠性应用层定义了低层接口LLI和现场总线信息规范FMSLLI的作用是协调不同的通信关系并提供不信赖设备的第二层访问接口 FMS提供了范围广泛的功能来保证它的普遍应用在不同的应用领域中 具体需要的功能范围必须与具体应用要求要适应 这些适应性定义称之为行规 行规提供了设备的可互换性 保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能FMS在用户接口中规定了相应的用户及系统以及不同设备可调用的应用功能 定义了现场设备行为的行规 DP定义了物理层 数据链路层和用户接口 三至七层未加描述这种结构是为了确保数据传输的快
6、速有效地进行DP中的物理层和数据链路层与FMS中的定义完全相同 二者采用了相同的传输技术 光纤或RS485传输 和统一的总线控制协议 报文格式 直接数据链路映像DDLM为用户接口与数据链路层之间的信息交换提供了方便 用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能 并详细说明了各种不同DP行规 DP的协议结构 PA的协议结构 PA主要应用于过程控制领域 可以把测量变送器 阀门 执行机构用一根总线连接起来PA数据传输采用扩展的DP协议 只是在上层增加了描述现场设备行为的PA行规简单的说 PA就相当于DP通信协议加上最适合现场仪表的传输协议IEC1158 2根据IEC1158 2标准 PA可通
7、过总线给现场设备供电 并可确保数据传输的本质安全性当使用分段耦合器 PA装置能很方便的连接到DP网络 二传输技术 现场总线系统的应用在很大程度上取决于选择哪种传输技术除了传输可靠性 传输速度 传输距离等通用的要求以外 考虑一些使用的灵活性及其它一些机电因素也十分重要例如 当应用于过程自动化时 特别是涉及本质安全防爆的应用场合 数据和电源在同一根总线上传输就很有必要由于单一的传输技术不可能满足所有要求 因此Profibus提供了RS485传输 IEC1158 2传输和光纤传输三种类型 三种有效的传输技术 PROFIBUS使用两端有终端的总线拓扑在运行期间 接入和断开一个或几个站不会影响其他站的工
8、作 即使在本质安全区也如此 提供三种不同的物理层选择 RS485 用于DP和FMSIEC1158 2 用于PA光纤 用于DP和FMS 站1 站n 1 RS485传输技术 RS485传输用于PROFIBUS DP和PROFIBUS FMS 通常称之为H2总线电缆在EN50170标准中规定为A型屏蔽双绞铜芯电缆 其最大允许的长度与传输速率是直接相关的RS485传输技术的基本特征 A型导线的特性 参数以及传输速率与总线长度的关系分别如下表所示 RS485传输的基本特征和A型导线的特性参数 传输速率与A型电缆总线长度的关系 PROFIBUS电缆要求 RS485 参数电缆类型A电缆设计屏蔽双绞电缆浪涌阻
9、抗135 165 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电缆被列在PROFIBUS电子产品指南中 A型屏蔽双绞电缆 9针D型连接器的针脚分配 为RS485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 表9针D型连接器的针脚分配 9针D型插头外观 RS485传输设备安装要点 1 电缆接线 A型电缆的总线终端器 注 中继器没有站地址 但它们被计算在每段的最多站数中 终羰电阻供电电源 5V 数据传输结束 即 5V地 全部设备均与总线连接每
10、个分段上最多可接32个站每段的头和尾各有一个总线终端电阻 确保操作运行不发生误差 两个总线终端电阻必须一直有电源当分段站超过32个时 必须使用中继器用以连接各总线段 串联的中继器一般不超过四个电缆的最大长度取决于传输速度 一旦设备投入运行 全部设备均需选用同一传输速度 安装RS485 2 VP B A DGND 第一个站 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 B B A A 站2 站3 总线的连接示意图 为了在高电磁辐射环境下获得良好的抗干扰性能 可以使用带屏蔽的数据传输电缆 屏蔽电缆两端的屏蔽编织箔必须与地线连接 并通过尽可能大面积的屏蔽接线来覆盖 此外
11、 在铺设过程中建议把数据线和高压线隔离 拓朴 这里提供的拓扑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 2 3 30 31 62 61 33 32 PROFIBUS支持总线型 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 在一个PROFIBUS系统中最大可连接126个站 总线系统分为若干段 每个分段最多可连接32个站 主站和从站 每段的头尾都需要一个永远有源的总线连接器 标准的总线连接器用一个开关来控制终端电阻 两个总线终端必须一直有电源如果总线上超过32个站点 各个总线分段之间用中继器 线路放大器
12、 连接 中继器也计数为其中的一个站点作为被动的总线站 中继器的作用是保证能明确识别与之连接站点之间所交换的数据如果PROFIBUS总线要覆盖更长的距离 中间可建立连接段 连接段内不挂接任何站点一般情况下 建议使用的中继器不超过四个 RS485的屏蔽 接地 详细的安装指示在PROFIBUS DP FMS的安装导则中说明 订单号2 112 数据电缆 接地电缆 从 从 主 接地线 数据电缆 接地线 接地线 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数都补充三位 即开始 终止和奇偶校验位此编码
13、原理称非归零码NRZ 即NonReturntoZero 开始12345678奇偶终止开始校验 根据IEC1158 2的传输技术用于PROFIBUS PA 能满足石油和化工工业要求 它可保证其本质安全 并通过总线对现场设备供电 IEC1158 2是一种位同步协议 其技术特性如下 本质安全 可选 和通过总线对站供电 可选 能满足化工和石油化工业的要求同步Manchester编码 可进行无电流的连接传输 通常称为H1传输速度 31 25kBit s kbps 电压式数据可靠性 前同步信号 采用起始和终止限定符避免误差电缆 屏蔽或非屏蔽的双绞电缆网络拓扑 总线型 树型或两者相结合 星型站点数最多127
14、个站 每段10 32个设备 依赖于EX 类型和供电消耗 距离 每段距离达1900米 用中继器可延长到10公里 用于PA的IEC1158 2传输技术 PROFIBUS电缆要求 IEC1158 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 对IEC1158 2传输的电缆被列在PROFIBUS电子产品指南中 冗余性提高了系统的可靠性 若干种接口给予了冗余系统的可能 光纤段给予了冗余电线的能力 PROFIBUS DP 每个测量点两个设备 系统冗余 介质冗余 I
15、EC1158 2传输技术总线段与RS485传输技术总线段连接 基于IEC1158 2传输技术总线段与基于RS485传输技术总线段可以通过耦合装置相连 耦合器使RS485信号和IEC1158 2信号相适配 每段通常配一个电源装置 电源装置经耦合器和PA总线为现场设备提供电源 这种供电方式可以限制IEC1158 2总线段上的电流和电压 如果需要外接电源设备 根据EN5020标准必须用适当的隔离装置 将总线供电设备与外接电源设备连接在本质安全总线上 IEC1158 2标准供电装置及传输设备的线路长度 PA使用的传输介质是双绞线电缆 可以使用下表所列的IEC1158 2传输技术的参考电缆规格 也可使用
16、更粗截面导体的其它电缆 IEC1158 2传输技术 连接到一个端的站点数量最多限于32个如果使用本质安全型总线供电方式 总线上最大供电电压和电大供电电流均具有明确的规定按防爆等级和总线供电装置 总线上的站点数量也将受到限制为此 PROFIBUS PA总线段的设计应遵循根据现场仪表的型号和数量初步计算所需要的电流根据现场的防爆要求和电源装置的功率要求选择合适的电源装置根据现场对总线长度的要求确定电缆类型 3 光纤传输技术 PROFIBUS系统要桥接更长的距离或在电磁干扰很大的环境下应用时 可使用光纤导体 塑料和玻璃 传输 光链路插头可以实现RS485信号和光纤导体信号的相互转换 价格低廉的塑料纤维导体适用于50米以内的信号传输 玻璃纤维导体供电离小于1公里情况下使用为此 用户可十分方便地在PROFIBUS系统同时使用RS485传输技术和光纤传输技术 三 总线存取协议 PROFIBUS总线均使用单一的总线存取协议 通过参考模型的第2层 数据链路层 实现 包括数据可靠性以及传输协议和报文的处理媒体访问控制 MAC 具体控制数据传输 并确保在任何时刻只有一个站点发送数据PROFIBUS总线存取
