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1、PROFIBUS知识2009-11-21 15:32PROFIBUS概貌(1) PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。(2) PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。(3) PROFIBUS-DP：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用P
2、ROFIBUS-DP可取代办24VDC或4-20mA信号传输。(4) PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。(5) PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。(7) PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。2.2 PRFIBUS基本特性2.2.1 PROFIBUS协议结构PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际准，以开放式系统
3、互联网络（Open System InterconnectionSIO）作为参考模型的。该模型共有七层，如下图2-1所示： 图2-1：PROFIBUS协议结构(1) PROFIBUS-DP：定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。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PROFIBUS-DP设备的设备行为。(2) PROFIBUS-FMS：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification-FMS）和低层接口（Lower Layer InterfaceLLI）。FMS包括了应用协议并向用户提供
4、了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。(3) PROFIBUS-PA：PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC1158-2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。2.2.2 PROFIBUS传输技术PROFIBUS提供了三种数据传输类型： 用于DP和FMS的RS485传输。 用于PA的IEC1158-2传输。 光纤2.2.2.1用于DP/FMS的RS485传输技术由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访
5、问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术。这种技术通常称之为H2。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。RS-485传输技术基本特征： 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。 传输速率：9.6K bit/s12M bit/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：每分段32个站（不带中继），可多到127个站（带中继）。 插头连接：最好使用9针D型插头。2.2.2.2 RS-485传输设备安装要点(1) 全部设备均与总线连接。(2) 每个分段上最多可接32个站（主站或从站）。(3) 每段的头和尾各有一个总
6、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永远有电源。见图2-2所示。(4) 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3个。见图2-3所示：图2-2：PROFIBUD-DP和PROFIBUS-FMS的电缆接线和总线终端电阻图2-2: 每个分段上最多可接32个站（主站或从站）(5) 电缆最大长度取决于传输速率。如使用A型电缆，则传输速率与长度如下表2-1： 表2-1波特率（K bit/s）9619293751875500150012000距离/段（M）1200120012001000400200100(6) A型电缆参数：阻抗：135-165W
7、电容： 30pf/m 回路电阻：110W线规：0.64mm 导线面积：0.34mmW(7) RS-485的传输技术的PROFIBUS网络最好使用9针D型插头，插头针脚定义和接线见图2-2所示。(8) 当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境（如汽车制造业）下运行应使用带屛蔽的电缆，屏蔽可提高电磁兼容性（EMC）。(9) 如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线来复盖，以保持良好的传导性。另外建议数据线必须与高压线隔离。(10) 超过500Kbit/s的数据传输速率时应避免使用短截线段，应使用市场上现有的插头可使数据输入和输出电缆直接与插头连接
8、，而且总线插头可在任何时候接通或断开而并不中断其它站的数据通信。2.2.2.3 用于PA的IEC1158-2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，其传输以下列原理为依据： 每段只有一个电源作为供电装置。 当站收发信息时，不向总线供电。 每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。 现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。 主总线两端起无源终端线作用。 允许使用线性、树型和
9、星型网络。 为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段。 为了调制的目的，假设每个总线站至少需用10mA基本电流才能使设备启动。通信信号的发生是通过发送设备的调制，从9 mA到基本电流之间。(4) IEC1158-2传输技术特性: 数据传输：数字式、位同步、曼彻斯特编码。 传输速率：31.25K bit/s，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：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。 远程电源供电：可选附件，通过数据线。 防爆型：能进行本征及非本征安全操作。 拓扑：线型或树型，或两者相结合。 站数：每段最多32个，总数最多为126个。 中继器：最多可扩展至4台。2.2.2.4
10、 IEC1158传输设备安装要点(1) 分段藕合器将IEC1158-2传输技术总线段与RS-485传输技术总线段连接。藕合器使RS-485信号与IEC1158-2信号相适配。它们为现场设备的远程电源供电，供电装置可限制IEC1158-2总线的电流和电压。(2) PROFIBUS-PA的网络拓扑有树型和线型结构，或是两种拓扑的混合，见图2-3图2-3(3) 现场配电箱仍继续用来连接现场设备并放置总线终端电阻器。采用树型结构时连在现场总线分段的全部现场设备都并联地接在现场配电箱上。(4) 建议使用下列参考电缆，也可使用更粗截面导体的其它电缆。 电缆设计： 双绞线屏蔽电缆 导线面积（额定值）： 0.
11、8mm2(AWG18) 回路电阻（直流）： 44W/Km 阻抗（31.25千赫时）： 100W20% 39千赫时衰减： 3dB/Km 电容不平衡度： 2nF/Km(5) 主总线电缆的两端各有一个无源终端器，内有串联的RC元件，R=100W，C=1mF。当总线站极性反向连接时，它对总线的功能不会有任何影响。(6) 连接到一个段上的站数目最多是32个。如果使用本征安全型及总线供电，站的数量将进一步受到限制。即使不需要本征安全性，远程供电装置电源也要受到限制。(7) 线路最长长度的确定，根据经验先计算一下电流的需要，从表2-2中选用一种供电电源单元，再根据表2-3中线的长度选定哪种电缆。表2-2标准
12、供电装置（操作值）型号应用领域供电电压供电最大电流最大功率典型站数备注IEEx ia/ib IIC13.5V110 mA1.8W8假设每个设备耗电10 mAIIEEx ib IIC13.5V110 mA1.8W8IIIEEx ib II13.5V250 mA4.2W22IV不具有本征安全24V500 mA12W32表2-3 IEC1158-2传输设备的线路长度供电装置I型II型III型IV型V型VI型供电电压135135135242424S 所需电流（mA）110110250110250500Q=0.8mm2的导线长度（m）90090040019001300650Q=1.5mm2的导线长度（m
13、）10001500500190019001900(8) 外接电源：如果外接电源设备，根据EN50020标准带有适当的隔离装置，将总线供电设备与外接电源设备连在本征安全总线上是允许的。2.2.2.5 光纤传输技术(1) PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输的距离。(2) 可使用两种光纤导体，一是价格低廉的塑料纤维导体，供距离小于50米情况下使用。另一种是玻璃纤维导体，供距离大于1公里情况下使用。(3) 许多厂商提供专用总线插头可将RS-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成RS-485信号。2.2.3 PROFIBUS总线存取协议(1) 三
14、种PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型第二层（数据链路层）来实现的。它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。(2) 在PROFIBUS中，第二层称之为现场总线数据链路层（Fieldbus Data LinkFDL）。介质存取控制（Medium Access ControlMAC）具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。(3) PROFIBUS协议的设计要满足介质存取控制的两个基本要求： 在复杂的自动化系统（主站）间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。 在复杂的程序控制器和简单的I/O设备（从站）间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。因此，PROFIBUS总线存取协议，主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。(4) 令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌）。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。(5) 主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息。因此，可能有以下三种系统配置： 纯主从系统 纯主主系统 混合系统(6) 图2-4是一个由3个主站、7个从站构成的PROFIBUS系统。3个主站之间构成令牌逻
