现场总线：PROFIBUS技术

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1、工业通信网络技术和应用 （工业现场总线）,主讲：莫太平 ,前置课程：数据通信基础、计算机网络等 教材:许勇-工业通信技术-原理与应用，西安电子科技大学出版社，2012 参考教材:许勇-工业通信技术-原理与应用，中国电力出版社，2008.9 参考教材：阳宪惠-网络化控制系统-现场总线技术，清华大学出版社，2009.5 教师: 许勇 Email: xuyguet.edu.edu Telephone: 229-1208,教材及参考资料,主要教学内容和学时分配,第1章 工业通信概论 第2章 数据通信原理及基础 第3章 总线接口技术介绍 第4章 工控机与测控仪器接口总线 第5章 工业通信常用技术 第6章

2、 常用的工业现场总线PROFIBUS 第7章 CAN Bus和汽车网络 第8章 工业以太网技术及应用,Profibus 技术介绍,Profibus是随着西门子的设备和技术一起成为主流技术的。历史久远，应用广泛，体系庞大。 1）概述 最初的Profibus（87年）作为通信技术。现在广义的Profibus技术提供完整的工业自动化通讯体系，把底层的驱动和传感器接口（AS-Interface）和上层的基于Ethernet的PROFInet也考虑进来。但核心仍然是作为现场总线的Profibus技术。 Profibus允许自动化系统( 控制器) 和现场设备通过单一的串行总线电缆通信。通过非循环方式传输警

3、报、参数和诊断数据，由此实现过程数据的循环传输。优势体现在以下几个方面： 双向通信；高精确度(32 位分辨率)；简单、耐用和可靠，可在线升级；可用于危险领域可；离散生产和过程工业的现场总线。 近几年有新版本 的Profibus-DP-V1和Profibus-DP-V2，逐步取消Profibus-FMS总线。DPV1进一步完善了Profibus-PA功能；DPV2解决了从站之间的通信与时间同步等重大问题。,Profibus系列分为三个兼容部分，分别应用不同工业领域： (1）Profibus-DP（Decentralized Periphery）用于控制器(如PLC、PC、NC)与现场设备或设备级

4、I/O间（如驱动器、检测设备、HMI等）通信。取代24V或420mA的串联式信号传输； (2）Profibus-PA（Process Automation）过程自动化，也可作设备层总线； (3）Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification）用来解决车间级通用性通信任务。完成车间生产设备状态及生产过程监控、车间级生产管理、车间底层设备及生产信息集成。,Profibus 技术介绍,Profibus 技术介绍,2）Profibus通讯协议模型 Profibus协议对OSI第3到第6层简化。定义物理传输特性，总线存取协议和应用功能。DP、PA和FMS使用统一总

5、线访问协议。 (1) Profibus-DP：定义了第1、2层和用户接口。第3-7层未加描述。用户接口规定不同设备可调用的应用功能，详细说明DP设备的设备行为。提供了RS-485传输技术和光纤传输技术； (2) Profibus-FMS：定义了第1、2、7层，包括FMS和低层接口LLI（Lower Layer Interface）。FMS包括了应用协议，LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第2层访问接口。第2层完成可靠传输，FMS还提供RS-485和光纤传输技术； (3) Profibus-PA：是Profibus-DP向现场的延伸。数据传输采用扩展的Profibus-DP协议。PA还描

6、述了现场设备行为的PA行规。 作为开放式通讯系统的工业标准，Profibus现场总线公布了网络各层协议的所有规范，按照这些规范设计设备的网络接口，不同设备可实现网络互联，这给控制设备的生产厂家、系统安装调试单位和用户带来极大的方便。,Profibus 技术介绍,Profibus 技术介绍,3) Profibus的物理层和数据传输技术,Profibus 技术介绍,用于PA的MBP传输 MBP (Manchester Coded，Bus Powered)传输技术即H1， 曾称“IEC 1158-2 .Physics”， “1158-2”等。MBP使用固定传输速率31.25 Kbps 和Manche

7、ster 编码。 (1）MBP的网络拓扑：支持树型或线型结构的网络拓扑。在线型结构中，使用T型连接器将站连接到主干电缆。 (2）站数和总线长度：一个总线段上站数限制为32 。实际站数还要根据保护类型和总线供电能力确定。所需电流包括连接在各个总线段中现场设备的基本电流之和以及为每个总线段预留的9mA，用于FDE(Fault Disconnection Equipment)的运行电流。 (3）段耦合器和链接器：段耦合器是一个信号转换器，它把RS-485信号调制成MBP信号电平，反之亦然。从总线协议的观点看这些是透明的。 链接器把与MBP总线段连接的所有现场设备映象为RS-485总线段中的单个从站。

8、当使用链接器时，对RS-485总线段中使用的传输速率没有限制，所以使用MBP连接的现场设备也可以实现快速网络。,Profibus 技术介绍,4) Profibus的链路层 三种Profibus使用一致总线存取协议。特点为： 通信为主从式：主站获得令牌时，可主动发信息。从站能回答； Profibus协议满足介质存取控制的两个基本要求： 确切时间间隔中，保证主站点有足够的时间来完成通信任务； 主从站间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。 令牌是一种实报文。 所有主站按地址构成逻辑环，令牌依次在主站间传递。在总线系统初建制定站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间，断电主站从环中排除，新上电主

9、站加入逻辑环。 Profibus数据帧：由帧字符组成，每个帧字符由11个位组成：1个开始位（ST）；8个信息位;1个奇偶校验位（P）;1个停止位。 Profibus的帧有4种： （1）无数据字段的固定长度的帧 （2）有数据字段的固定长度的帧 （3）有可变数据字段长度的帧和 （4）令牌帧,Profibus 技术介绍,5) 应用层和用户层 Profibus-FMS中定义了应用层，DP和PA中。 用户层定义不同设备行为规范，行规（Profiles ）是有关设备和系统的特征、功能特性和行为的规范，是对特殊应用领域中用到的非主流设备其总线参数的规范。行规分几种： 通用应用行规，具有用于不同应用的实现选项

10、（例如，PROFIsafe行规，冗余行规，时间标签time stamp行规）； 专用应用行规，如PROFIdrive, SEMI 或 PA Devices行规； 系统和主站行规，描述可供现场设备使用的特定的系统性能。 目前PROFIBUS行规已有以下几种： FMS：PLC通讯；楼宇自动化；传感/执行器网络；低压开关设备 DP：数控/机器人控制系统；编码器设备；变速传动行规；操作员控制和过程监视行规（HMI） PA：测压力、液位和流量的变送器；输入/输出；阀门；定位器,Profibus 技术介绍,Profibus 技术介绍,6) Profibus的实现 Profibus控制系统一般包括： 一类主

11、站：指PLC、PC等控制器，完成总线通信控制与管理； 二类主站：操作员工作站（如PC）、编程器、操作员接口等。 从站：从站的类型有： PLC（智能型I/O）：做为从站PLC存储器中有与主站通信的共享数据区。主站可通过通信间接控制从站PLC的I/O； 分散式I/O（非智能型I/O）：通常由电源部分、通信适配器部分、接线端子部分组成。 无程序存储和程序执行，接收主站指令，驱动I/O，并将I/O输入及故障诊断等信息返回给主站。通常分散型I/O是由主站统一编址，这样在主站编程时使用分散式I/O与使用主站的I/O没有什么区别； 驱动器、传感器、执行机构等现场设备：即带Profibus接口的现场设备，由主

12、站在线完成系统配置、参数修改、数据交换等功能。可通信参数及参数格式由Profibus行规决定。 。,Profibus 技术介绍,系统的实现方案 既容易又便宜的实现途径是采用基础的软件协议栈和硬件ASICs (Application Specific Integrated Circuits) 解决方案。有广泛的标准化组件(Profibus ASICs)如Profibus 堆栈存储器，监控器和调试工具，及服务可供使用。 原则上，只要配有内部或外部的异步串行UART接口，Profibus协议可在任何微处理器上实现。这样开发成本低，但周期长。以商品化Profibus 协议芯片为基础值得推荐。 芯片区分

13、： 单芯片：所有协议功能集成在芯片上，不需要附加的控制器； 通信芯片： 实现了部分协议，需要一个附加的控制器； 协议芯片： 此芯片带有集成的微控制器。 现在，开发人员常常使用专用的通信处理芯片，这样可以完全不考虑复杂的协议。Profibus通信协议芯片已形成广泛系列。使用这些芯片可达到快速提供产品的目的。,Profibus 技术介绍,常用的Profibus协议专用ASICs芯片,Profibus 技术介绍,7) PROFInet Profibus国际组织发布的发展方向： PROFISafe：通过Profibus传输安全急停或容错信息； PROFIDrive：采用DPV1技术实现传动系统间同步和

14、实时； PROFInet（基于标准以太网的PROFIBUS技术）：将Profibus协议捆绑到标准TCP/IP 上，实现以太网和现有Profibus之间路由 PROFInet的基本目标是为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，包括诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如Profibus）技术，保护现有投资。 PROFInet是适用于不同需求的完整解决方案，通过工业以太网，连接从现场层到管理层的设备。其功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和

15、过程自动化。,Profibus 技术介绍,8个主要的模块： (1） PROFInet实时通信 ：PROFInet支持下列三种通讯方式： TCP/IP标准通讯：响应时间在100 ms量级，用于工厂控制； 实时（RT）通讯：典型响应时间是510ms，用于传感器和执行器设备间数据交换。是一个优化的、基于以太网第2层（Layer 2）的实时通讯通道； 同步实时（IRT-Isochronous Real-Time）通讯：用于运动控制，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1s。 (2）PROFInet分布式现场设备：通过接口，分布式现场设备可以直接连接到PROFInet上。现有现场总线

16、通讯可通过代理服务器实现与 PROFInet的透明连接。 (3）PROFInet运动控制 ：通过IRT功能实现对伺服运动控制系统的控制。每个通讯周期分成实时通道和标准通道（TCP/IP通道）。 两种数据就可以同时传递，而不会互相干扰。,Profibus 技术介绍,(4） PROFInet与分布式自动化：基于组件的自动化（Component Based Automation，CBA）。工厂中的相关的机械部件、电气/电子部件和应用软件等具有独立工作能力的模块抽象成为一个封装好的组 件，各组件间使用PROFInet连接。通过软件用图形化组态的方式实现各组件间的通讯配置。 使用分布式智能系统或可编程现场设备、驱动系统和I/O时，还可扩展使用模块化理念，从机械应用扩展到自动化解决方案。 (5）PROFInet网络安装：除星形连接，还支持总线形和环形结构。工业电缆和耐用连接器满足 EMC和温度要求。 (6）PROFInet - IT标准与网络安全：借助于PROFIsafe可用于故障安全应用。PROFINET提供专用的安全模块，可以保护系统。 (7） PROFInet故障安全：故障安全机制指当系统发生故障或出现致命错误时，系统能够恢复到安全状态（即“零”态。 (8） PROFInet与过程自动化：PROFInet不仅可以用于工厂自动化场合，也同时面对过程自 动化的应用。,