PROFIBUS簡介

PROFIBUS概貌
　?。?） PROFIBUS是一種國際化．開放式．不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。廣泛適用于制造業(yè)自動化．流程工業(yè)自動化和樓宇．交通電力等其他領域自動化。
　?。?） PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS－DP（ Decentralized Periphery）．PROFIBUS－PA（Process Automation ）．PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。
　?。?） PROFIBUS – DP: 是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代辦24VDC或4－20mA信號傳輸。
　?。?） PORFIBUS－PA：專為過程自動化設計，可使傳感器和執(zhí)行機構聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。
　?。?） PROFIBUS－FMS：用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡，是一個令牌結構．實時多主網(wǎng)絡。
　?。?） PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設備智能化提供了可行的解決方案。
　?。?） 與其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS的最大優(yōu)點在于具有穩(wěn)定的國際標準EN50170作保證，并經(jīng)實際應用驗證具有普遍性。目前已應用的領域包括加工制造．過程控制和自動化等。PROFIBUS開放性和不依賴于廠商的通信的設想，已在10多萬成功應用中得以實現(xiàn)。市場調查確認，在德國和歐洲市場中PROFIBUS占開放性工業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的市場超過40％。PROFIBUS有國際著名自動化技術裝備的生產(chǎn)廠商支持，它們都具有各自的技術優(yōu)勢并能提供廣泛的優(yōu)質新產(chǎn)品和技術服務。
　　PROFIBUS在工廠自動化系統(tǒng)中的位置
　　一個典型的工廠自動化系統(tǒng)應該是三級網(wǎng)絡結構。基于現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP/PA控制系統(tǒng)位于工廠自動化系統(tǒng)中的底層，即現(xiàn)場級與車間級?，F(xiàn)場總線PROFIBUS是面向現(xiàn)場級與車間級的數(shù)字化通信網(wǎng)絡。
　　（1） 現(xiàn)場設備層：主要功能是連接現(xiàn)場設備，如分散式I／O．傳感器．驅動器．執(zhí)行機構．開關設備等，完成現(xiàn)場設備控制及設備間連鎖控制。主站（PLC．PC機或其它控制器）負責總線通信管理及所有從站的通信?？偩€上所有設備生產(chǎn)工藝控制程序存儲在主站中，并由主站執(zhí)行。
　?。?） 車間監(jiān)控層：車間級監(jiān)控用來完成車間主生產(chǎn)設備之間的連接，如一個車間三條生產(chǎn)線主控制器之間的連接，完成車間級設備監(jiān)控。車間級監(jiān)控包括生產(chǎn)設備狀態(tài)在線監(jiān)控．設備故障報警及維護等。通常還具有諸如生產(chǎn)統(tǒng)計．生產(chǎn)調度等車間級生產(chǎn)管理功能。車間級監(jiān)控通常要設立車間監(jiān)控室，有操作員工作站及打印設備。車間級監(jiān)控網(wǎng)絡可采用PROFIBUS－FMS，它是一個多主網(wǎng)，這一級數(shù)據(jù)傳輸速度不是最重要的， 而是要能夠傳送大容量信息。
　?。?） 工廠管理層：車間操作員工作站可通過集線器與車間辦公管理網(wǎng)連接，將車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)送到車間管理層。車間管理網(wǎng)作為工廠主網(wǎng)的一個子網(wǎng)。子網(wǎng)同過交換機．網(wǎng)橋或路由等連接到廠區(qū)骨干網(wǎng)，將車間數(shù)據(jù)集成到工廠管理層。
　　車間管理層通常所說的以太網(wǎng)，即IEC802.3．TCP/IP的通信協(xié)議標準。廠區(qū)骨干網(wǎng)可根據(jù)工廠實際情況，采用如FDDI或ATM等網(wǎng)絡。

　　PROFIBUS總線存取協(xié)議
　　（1） 三種PROFIBUS(DP．FMS．PA)均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過OSI參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實現(xiàn)的。它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術及傳輸協(xié)議和報文處理。
　　（2） 在PROFIBUS中，第二層稱之為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（Fieldbus Data Link - FDL）。介質存取控制（Medium Access Control - MAC）具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，MAC必須確保在任何一個時刻只有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)。
　　（3） PROFIBUS協(xié)議的設計要滿足介質控制的兩個基本要求：
　?、伲?在復雜的自動化系統(tǒng)（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時間間隔中，任何一個站點要有足夠的時間來完成通信任務。
　?、冢?在復雜的程序控制器和簡單的I/O設備（從站）間通信，應盡可能快速又簡單地完成數(shù)據(jù)的實時傳輸。
　　因此，PROFIBUS總線存取協(xié)議，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。
　?。?） 令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規(guī)定的時間內得到總線存取權（令牌）。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。
　　（5） 主站得到總線存取令牌時可與從站通信。每個主站均可向從站發(fā)送或讀取信息。因此，可能有以下三種系統(tǒng)配置：
　?、佟　〖冎鳎瓘南到y(tǒng)
　?、凇　〖冎鳎飨到y(tǒng)
　?、邸　』旌舷到y(tǒng)
　?。?） 以一個由３個主站．７個從站構成的PROFIBUS系統(tǒng)為例。３個主站之間構成令牌邏輯環(huán)。當某主站得到令牌報文后，該主站可在一定時間內執(zhí)行主站工作。在這段時間內，它可依照主－從通訊關系表與所有從站通信，也可依照主－主通訊關系　?。ǎ罚?在總線系統(tǒng)初建時，主站介質存取控制MAC的任務是制定總線上的站點分配并建立邏輯環(huán)。在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。
　　（8） 第二層的另一重要工作任務是保證數(shù)據(jù)的可靠性。PROFIBUS第二層的數(shù)據(jù)結構格式可保證數(shù)據(jù)的高度完整性。
　?。?） PROFIBUS在第二層按照非連接的模式操作，除提供點對點 邏輯數(shù)據(jù)傳輸外，還提供多點通信，其中包括廣播及選擇廣播功能。
　　
　　PROFIBUS傳輸技術

　　PROFIBUS提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型：
　　 （1）用于DP和FMS的RS485傳輸。
　　 （2）用于PA的IEC1158－2傳輸。
　　 （3）光纖
　　 1． 用于DP／FMS的RS485傳輸技術
　　 由于DP與FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因而，這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時操作。
　　 RS-485傳輸是PROFIBUS最常用的的一種傳輸技術。這種技術通常稱之為H2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。
　　 RS-485傳輸技術基本特征：
　　 （1） 網(wǎng)絡拓撲：線性總線，兩端有有源的總線終端電阻。
　　 （2） 傳輸速率：9.6K bit /s12M bit/ s
　　 （3） 介質：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（EMC）。
　　 （4） 站點數(shù)：每分段32個站（不帶中繼），可多到127個站（帶中繼）。
　　 （5） 插頭連接：最好使用9針D型插頭。
　　 2． RS－485傳輸設備安裝要點
　　 （1） 全部設備均與決線連接。
　　 （2） 每個分段上最多可接32個站（主站或站）。
　　 （3） 每段的頭和尾各有一個總線終端電阻，確保操作運行不發(fā)生誤差。兩個總線終端電阻必須永遠有電源。
　　 （4） 當分段站超過32個時，必須使用中繼器用以連接各總線段。串聯(lián)的中繼器一般不超過3個。
　　 （注：中繼器沒有站地址，但被計算機在每段的最多站數(shù)中）
　　 （5） 電纜最大長度取決于傳輸速率。如使用A型電纜，則傳輸速率與長度如下：
　　 波特率：（K bit/s）9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 1200
　　 距離／段（M） 1200 1200 1200 1000 400 200 100
　　 （6） A型電纜參數(shù)：
　　 阻抗：135－165Ω 電容：＜30 pf / m 回路電阻：110Ω
　　 線規(guī)：0.64mm 導線面積：＞0.34mmΩ
　　 （7） RS－485的傳輸技術的PROFIBUS網(wǎng)絡最好使用9針D型插頭。
　　 （8） 當連接各站時，應確保數(shù)據(jù)線不要擰絞，系統(tǒng)在高電磁發(fā)射環(huán)境（如汽車制造業(yè)）下運行應使用帶屏蔽的電纜,屏蔽可提高電磁兼容性（EMC）。
　　 （9） 如用屏蔽編織線和屏蔽箔，應在兩端與保護接地連接，并通過盡可能的大面積屏蔽接線來復蓋，以保持良好的傳導性。另外建議數(shù)據(jù)線必須與高壓線隔離。
　　 （10） 超過500K bit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率時應避免使用短截線段，應使用市場上現(xiàn)有的插頭可使數(shù)據(jù)輸入和輸出電纜直接與插頭連接，而且總線插頭連接可在任何時候接通或斷開而并不中斷其它站的數(shù)據(jù)通信。
　　 3用于PA的IEC1158－2傳輸技術
　　 （1） 數(shù)據(jù)IEC1158－2的傳輸技術用于PROFIBUS－PA，能滿足化工和石油化工業(yè)的要求。它可保持其本征安全性，并通過總線對現(xiàn)場設備供電。
　　 （2） IEC1158－2是一種位同步協(xié)議，可進行無電流的連續(xù)傳輸，通常稱為H1。
　　 （3） IEC1158－2技術用于PROFIBUS－PA，其傳輸以下列原理為依據(jù)：
　　 ①． 每段只有一個電源作為供電裝置。
　　 ②． 當站收發(fā)信息時，不向總線供電。
　　 ③． 每站現(xiàn)場設備所消耗的為常量穩(wěn)態(tài)基本電流。
　　 ④． 現(xiàn)場設備其作用如同無源的電流吸收裝置。
　　 ⑤． 主總線兩端起無源終端線作用。
　　 ⑥． 允許使用線性．樹型和星型網(wǎng)絡。
　　 ⑦． 為提高可靠性，設計時可采用冗余的總線段。
　　 ⑧． 為了調制的目的，假設每個部線站至少需用10mA基本電流才能使設備啟動。通信信號的發(fā)生是通過發(fā)送設備的調制，從±9mA到基本電流之間。
　　 （4） IEC1158－2傳輸技術特性：
　　 ①． 數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)字式．位同步．曼徹斯特編碼。
　　 ②． 傳輸速率：31.25K bit /s，電壓式。
　　 ③． 數(shù)據(jù)可靠性：前同步信號,采用起始和終止限定符避免誤差。
　　 ④． 電纜：雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式。
　　 ⑤． 遠程電源供電：可選附件，通過數(shù)據(jù)線。
　　 ⑥． 防爆型：能進行本征及非本征安全操作。
　　 ⑦． 拓撲：線型或樹型，或兩者相結合。
　　 ⑧． 站數(shù)：每段最多32個，總數(shù)最多為126個。
　　 ⑨． 中繼器：最多可擴展至4臺。
　　 4．IEC1158傳輸設備安裝要點
　　 （1）分段藕合器將IEC1158－2傳輸技術總線段與RS－485傳輸技術總線段連接。藕合器使RS－485信號與IEC1158－2信號相適配。它們?yōu)楝F(xiàn)場設備的遠程電源供電，供電裝置可限制IEC1158－2總線的電流和電壓。
　　 （2）PROFIBUS－PA的網(wǎng)絡拓撲有樹型和線型結構，或是兩種拓撲的混合。
　　 （3）現(xiàn)場配電箱仍繼續(xù)用來連接現(xiàn)場設備并放置總線終端電阻器。采用樹型結構時連在現(xiàn)場線分段的全部現(xiàn)場設備都并聯(lián)地接在現(xiàn)場配電箱上。
　　 (4)建議使用下列參考電纜，也可使用更粗截面導體的其它電纜。
　　 ①． 電纜設計：雙絞線屏蔽電纜
　　 ②． 導線面積（額定值）：0.8mm2(AWG18)
　　 ③． 回路電阻（直流）：44Ω／Km
　　 ④． 阻抗（31.25千赫時）：100Ω±20％
　　 ⑤． 39千赫時衰減：3dB/Km
　　 ⑥． 電容不平衡度：2nF/Km
　　 （5）主總線電纜的兩端各有一個無源終端器，內有串聯(lián)的RC元件，R＝100Ω，C＝1цF。當總線站極性反向連接時，它對總線的功能不會有任何影響。
　　 （6） 連接到一個段上的站數(shù)目最多是32個。如果使用本征安全型及總線供電，站的數(shù)量將進一步受到限制。即使不需要本征安全性，遠程供電裝置電源也要受到限制。
　　 （7） 線路最長長度的確定，根據(jù)經(jīng)驗先計算一下電流的需要，根據(jù)以下參數(shù)（2－2）選用一種供電電源單元，再根據(jù)以下參數(shù)中（2－3）線的長度確定選用哪種電纜?！?
　　（2－2）：標準供電裝置（操作值）
　　型號 應用領域 供電電壓 供電最大電流 最大功率 典型站數(shù)
　?、?EEx ia/ibⅡC 13.5V 110mA 1.8W 8
　?、?EEx ia/IbⅡC 13.5V 110mA 1.8W 8
　?、?EEx ia/IbⅡB 13.5V 250mA 4.2W 22
　?、?不具有本征安全 24V 500mA 12W 32
　?。▊渥ⅲ杭僭O每個設備耗電10mA。）　　
　?。ǎ玻常篒EC1158-2傳輸設備的線路長度
　　供電裝置　　　　　　　　　?、裥?Ⅱ型 Ⅲ型 Ⅳ型 Ⅴ型 Ⅵ型
　　供電電壓（Ｖ） 13.5 13.5 13.5 ２４ ２４ ２４
　　Σ所需電流（mA） ≤110 ≤110 ≤250 ≤110 ≤250 ≤500
　　Ｑ＝0.8mm2的導線長度（m） ≤900 ≤900 ≤400 ≤1900 ≤1300 ≤650
　?。眩?.5mm2的導線長度（m） ≤1000 ≤1500 ≤500 ≤1900 ≤1900 ≤1900
　　(8)外接電源：如果外接電源設備，根據(jù)EN500200標準帶有適當?shù)母綦x裝置，將總線供電設備與外接電源設備連在本征安全總線上是允許的。
　　 5.光纖傳輸技術
　?。?）PROFIBUS系統(tǒng)在電磁干擾很大的環(huán)境下應用時，可使用光纖導體,以增加高速傳輸?shù)木嚯x。
　?。?）可使用兩種光纖導體，一是價格低廉的塑料纖維導體，供距離小于50米情況下使用，另一種是玻璃纖維導體，供距離小于1公里米情況下使用。
　　（3）許多廠商提供專用總線插頭可將RS－485信號轉換成導體信號或將光纖導體信號轉成RS-485信號?！　?
　　PROFIBUS 協(xié)議結構
　　PROFIBUS協(xié)議結構是根據(jù)ISO7498國際標準，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡（Open System Interconnection-SIO）作為參考模型的。該模型共有七層。
　?。?）PROFIBUS－DP：定義了第一．二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說明了各種不同PROFIBUS－DP設備的設備行為。
　?。?）PROFIBUS－FMS：定義了第一．二．七層，應用層包括現(xiàn)場總線信息規(guī)范（Fieldbus Message Specification - FMS）和低層接口(Lower Layer Interface － LLⅠ)。FMS包括了應用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務。LLⅠ協(xié)調不同的通信關系并提供不依賴設備的第二層訪問接口。
　　（3）PROFIBUS－PA：PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴展的PROFIBUS－DP協(xié)議。另外，PA還描述了現(xiàn)場設備行為的PA行規(guī)。根據(jù)IEC1158－2標準，PA的傳輸技術可確保其本征安全性，而且可通過總線給現(xiàn)場設備供電。使用連接器可在DP上擴展PA網(wǎng)絡。
　　 注：第一層為物理層，第二層為數(shù)據(jù)鏈路層，第三－六層末使用，第七層為應用層。