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1、现场总线控制系统,信息学院自动化系,第8讲ProfiBus现场总线标准,主 要 内 容,1 PROFIBUS 现场总线概述2 PROFIBUS DP3 PROFIBUS PA4 PROFIBUS FMS5 几种支持芯片,1 RPOFIBUS技术的由来,87年由Siemens公司等13家企业和5家研究机构联合开发;89年批准为德国工业标准DIN 19245；96年批准为欧洲标准EN 50170 V.2;98年PROFIBUS-PA批准纳入EN50170 V.2;99年PROFIBUS成为国际标准IEC 61158的组成部分(Type III);2001年批准成为中国的行业标准JB/T 10308
2、.3-2001;,PROFIBUS簇,PROFIBUS 应用领域,PROFIBUS DP：PROFIBUS PA：PROFIBUS FMS：,主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级设备高速通信。,主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。,电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。,PROFIBBUS PA,RPOFIBUS给客户的好处,一、节省硬件和安装费用 减少硬件成份（I/O、终端块、隔离栅）更容易、更快捷和低成本的安装二、节省工程费用 更容易组态（对所有设备只需一套工具）更容易保养和维修 更容易和更快捷的系统起动三、更大的制造灵活性 改
3、进功能 减少故障时间 准确、可靠的诊断数据 可靠的数字传输技术,PROFIBUS 网络的构成,经由通讯处理器连接到网络的计算机及编程设备 工程及诊断工具、网络配置、诊断工具,中央可编程控制器，如PLC、PC,支持主站功能的通讯处理器（通信控制和管理）,分布式I/O、支持DP 接口的传动装置 支持从站功能的通讯处理器 其它支持 DP 接口的输入、输出或智能设备,通信介质电缆 总线部件总线连接器、中继器、耦合器、链路等,PROFIBUS 协议结构,IEC传输技术保证安全性和直接给现场设备供电。,PROFIBUS 传输技术,PROFIBUS使用两端有终端的总线拓朴。在运行期间，接入和断开一个或几个站
4、不会影响其它站的工作，即使在本质安全区也如此。提供三种不同的物理层选择：RS 485：用于DP和FMS（对称传输，称H2）IEC 1158-2：用于PA（位同步协议，称H1）光纤：用于DP和FMS,传输特点（1）高速（H2），RS 485依据RS 485，异步NRZ传输波特率从9.6kBit/s12MBit/s,可选双绞屏蔽电缆每段32个站，最多允许127个站距离：12MBit/s=100m;1.5MBit/s=400;小于等187.5KBit/s=1000m;有中继器距离可延长到10公里9针，D型插头,数据传输,RS 485传输数据位顺序每个8位二进数（1字节）按11位的顺序被传输最小的有效
5、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当选都补充三位，即开始、终止和奇偶校验位此编码原理称NRZ（即 Non Return to Zero),传输特点（2）低速（H1）IEC 1158-2同步Manchester编码,31.25kBit/s本质安全（可选）和通过总线对站供电（可选）屏蔽或非屏蔽的双绞电缆第段距离达1900米，用中继器可延长到10公里最多127个站，每段10=32个设备（依赖于EX类型和供电消耗）本安、防爆、安全栅隔离,PROFIBUS电缆要求-RS 485,参数 电缆类型A电缆设计 屏蔽双绞线电缆浪涌阻抗 135165回路电阻 110/km线径 0
6、.64mm线截面积 0.34mm每单位长度的电容 30pF/m,PROFIBUS电缆要求-IEC 11582-2,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,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它连接器能提供必要的命令信号的话，也允许使用,拓 朴,PUOFIBUS 支持总线型，树型和星型拓朴这里提供的拓朴是总线型拓朴在总线型的开头和结尾必须有终端
7、一段可以由最多32个站组成,过程自动化典型结构,非,PROFIBUS总线存取协议,PROFIBUS介质存取控制MAC的基本要求：在主站间通信，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；在主站和从站间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。,1.PROFIBUS 总线访问协议（第二层）对三种PROFIBUS 版本（FMS/DP/PA）均相同2.这使通令透明和FMS/DP/PA网络区域容易组合3.因为FMS/DP使用相同的物理介质（RS-485/FO），因此它们能组合在同一根电缆上。,轮询,令牌方式,主从方式,总线访问协议的特征（1）,混合总线访问协议:主站间
8、的逻辑令牌环 主从站间的主从协议 主站:主站在一个限定时间内（Token Hold Time)对总线有控制权 从站:从站只是响应一个主站的请求，它们对总线没有控制权,PROFIBUS总线访问协议(FDL)的特征(2),主站或从站可以在任何时间点接入或断开。FDL 将自动地重新组织令牌环。FDL层提供4种服务：SDA（发送需确认的数据）、SRD（发送并请求回答的数据）、SDN（发送不要求确认的数据）和CSRD（周期性的发送并请求回答的数据）。令牌环调度确保每个主站有足够的时间履行它的通令任务。因此，用户必须计算全部目标令牌环时间（TTR）。持有令牌时间(TTH)=目标令牌循环时间(TTR)实际令
9、牌循环时间(TRR)总线访问协议有能力发现有故障的站、失效的令牌、重复的令牌、传输错误和其它所有可能的网络失败。所有信息（包括令牌信息）在传输过程中确保高度安全，以免传输错误。海明距离HD=4。,2 PROFIBUS DP,PROFIBUSDP 用于设备级的高速数据传送，中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通信。多数数据交换是周期性的，智能化现场设备还需要非周期性通信进行配置、诊断和报警处理。,代替PLC/PC与I/O之间昂贵的电线;快速，传输1千字节的输入数据和1千字节的输出数据所需时间ms;强有力的工具，减少组态和维护费用;被所有主要的PLC制造商支持;有广泛的产品：PLC，PC，
10、I/O，运动器，阀，编码器等;允许周期性和非周期性的数据传输;单主和多主网络;每个站的输入和输出数据最多可达244字节;,PROFIBUS_DP的特点,PROFIBUS_DP定义的三种设备类型,DP-1类主设备（DPM1）中央控制器，它与分散的I/O设备（DP-从）交换数据；允许若干个DPM1，典型的设备是PLC，PC，VME。DP-2类主设备（DPM2）组态、监视或工程工具，它被用来设定网络或参数/监视DP-从设备。DP-从设备直接连接I/O信号的外围设备；典型的设备是输入、输出、驱动器、阀、操作面板等等。,总线控制器板，嵌入式计算机常用总线。,VME（VersaModule Eurocar
11、d）总线是一种通用的计算机总线，它结合Motorola公司Versa总线的电气标准和在欧洲建立的Eurocard标准的机械形状因子，是一种开放式架构。VME系统的总线分为四大类：数据传输总线、数据传输仲裁总线、优先中断总线和通用总线。数据传输总线是一个高速异步平行数据传输总线，能传输数据和地址信号。,PROFIBUS-DP提供广泛的诊断可能性,诊断信息能快速确定故障的位置。诊断信息分为三级：1、与站有关的诊断：站一般运行状态的信息，如温度过高，电压过低2、与模块有关的诊断：设备中相关模块的信息，如输出模块 8A有故障3、与通道有关的诊断：输入或输出某一信号位的信息，如输出线3断了,系 统 配
12、置,运行模式,在EN50170 Vol.2中定义了DP-主和DP-从的系统行为。系统行为主要由DP-主站（1类）的系统行为来确定。DP-主站（1类）区别下列状态：停止（STOP）在DP-主和DP-从之间无数据传输。清除（CLEAR）DP-主读DP-从的输入数据并保持输出在 失效安全状态。运行（OPEARTE）DP-主处在数据传输段。在后继的周期中，DP-从的输入被读，且输 出数据被写给DP-从。,通 信 模 式,点对点(用户数据传送)或广播(控制指令)循环主从用户数据传送非循环主主数据传送,DP-主站和DP-从站间的数据传输,参数化阶段：从站由DP-主站用现行总线参数、监控时间和从站 的特定参
13、数进行参数化。组态阶段：DP-主站对DP-从站所需要的配置和现行的配置进行比较。用户数据传输阶段：在参数化和组态成功后，DP-从站改变其状态进入用户数据交换阶段。在此阶段，从站的参数化能被更改，而不心中断数据传输。在这三个阶段中，都可以附加诊断数据和控制命令的传输。,主主数据传送,PROFIBUS-DP主-主功能,控制命令,除与用户数据传输有关的站以外，DP-主站可以发送控制命令给一个、一组或全部DP-从站。这些控制命令设计为全局控制（Global-Controls)。它们是：输入同步（锁定模式）输出同步（同步模式）输出清除进入失效安全状态（清除模式）,DP扩展功能,DP扩展功能允许非循环的读
14、写功能,设备数据库文件GSD,FPOFIBUS-DP 设备的GSD文件（1）在GSD文件中，描述每一个FPOFIBUS-DP 设备的特性。每个设备的GSD文件用设备的电子数据单来表示。GSD文件包含所有设备的特定参数，如：支持的波特率 支持的信息长度 输入/输出的数据量 诊断信息的含义 对模拟设备有效的选择,GSD是可读的ASCII文本文件，它包含用于通信的通用的和设备专用的规范。GSD的结构分为3部分：通用规范、主站规范和从站规范。,FPOFIBUS-DP 设备的GSD文件（2）,GSD文件由设备制造商建立。每一个设备类型分别需要一个GSD文件。PROFIBUS用户组织提供GSD编辑程序，它
15、使得建立GSD文件非常容易。GSD编辑程序包括GSD检查程序，它确保GSD文件符合PROFIBUS标准。DPROFIBUS网页（http:/)中构成了一个GSD文件库。,允许开放配置,RPOFIBUS-DP行规概述（1）,对NC/RC的行规 此行规描述许多操作机器和许多装配机器人怎么通过DP来实现控制。根据详细的流程图，从高水平自动化的观点，很容易描述这些机器人的运动和程序控制。对编码器的行规 此行规描述PROFIBUS-DP到编码器的联接，如旋转编码器，角度编码器和线性编码器，两类设备定义基本功能和补充功能。（如比例尺，中断处理和扩展的诊断）。,RPOFIBUS-DP行规概述（2）,各种速度
16、驱动器的行规知名的驱动技术的制造商都参加了PROFIDRIVE的制订。此行规指出驱动器如何参数化以及设定点和实际值如何被传输，这就使不同制造商的驱动器能相互换。此行规包括必要的速度和位置控制的规范，还说明了对DP或FMS的应用功能联系。操作员控制和过程监视（HMI）行规简单操作员控制和过程监视设备（HMI）的行规指出这此设备通过PROFIBUS-DP怎样与高层自动化部件连接。此行规使用扩展的PROFIBUS-DP通信功能。,3 PROFIBUS-PA,应用范围,PROFIBUS-PA=用于过程自动化的PROFIBUS变送器、阀、执行器等等通过串行总线系统连接在化学工业和过程控制中使用通过数据线
17、对现场设备供电在危险区域（EExi型保护区域）应用,PROFIBUS-PA适应所有过程自动化领域,对防爆和非防爆区域过程自动化的低端应用，PROFIBUS-PA是优选。PROFIBUS-PA完全满足化学工业用户组织（如NAMUR）对数字现场总线的要求。,采用PROFIBUS-PA技术，PA设备运行在下列防爆区域,Zone 0:危险的爆炸瓦斯气体经常或长期存在的区域Zone 1:在正常运行期间危险的爆炸瓦斯气体有可能存在的区域Zone 2:不希望在正常运行期间存在危险的爆炸瓦斯气体的区域,PROFIBUS-PA与420mA系统的比较,节省成本的潜力,安装节省电线PLC I/O板安装元件（Ex-/
18、电流隔离器等）排列机架空间减少错误减少安装时间,PROFIBUS-PA的基本成份PROFIBUS-DP现场总线系统,主站（1类）主站（2类）,PROFIB-PA的组态拓朴,PROFIB-PA的组态现场设备的供电,设备数,PROFIB-PA的成份,网络元件耦合器和链接器,耦合器的功能,段耦合器在不同的传输技术之间提供一个网关（gateway）异步NRZ编码 DP/PA耦合器 同步Manchester编码1Byte=11Bit 1Byte=8Bit(8个用户位+1开始位+1停止位+1奇偶检验位）可变的波特率 固定波特率=31.25kBit/s,从现今的4-20mA很容易转移到PROFIBUS-PA
19、,PROFIBUS-PA 协议功能,PROFIBUS-PA以PROFIBUS-DP为基础。通过标准的DP周期性数据交换功能传输量值和状态。对于设备参数的传输和用工程工具的设备运行，使用扩展PROFIBUS-DP的非周期性读/写功能。PROFIBUS-PA行规定义有送PA功能映像。,PROFIBUS-PA的基本成份,DP协议，周期和非周期的,PROFIBUS-PA行规概述,对过程自动化的行规 这是专为过程自动化制定的行规。依据功能块技术，它包括对所有类型现场设备都有效的一般定义和设备数据单（如温度、压力、液位、流量变送器和定位器等）。,PROFIBUS-PA行规确保互操作性,定义运行、识别、维护
20、、诊断等参数定义数据（如温度、压力、流量等）的含义定义一个模拟量，含范围、工程单位和状态依据国际承认的功能块技术定义通信子集和设备行为支持简单的（单变量）和复杂的（多变量）设备结合化学工业的应用开发的,The PROFIBUS-PA行规,行规包括两部分:一般定义对所有类型的设备都有效定义此设备与PROFIBUS-PA间的关系定义操作、起动和再起动设备数据单每个设备类型（如变送器、阀）有各自的设备数据单定义此设备的特定参数和操作,今天可提供的PA行规的设备数据单,变送器+温度+压力+液位+流量 执行器+阀+数字I/O PID-循环控制器,PA行规标准化的设备参数,例：功能块模拟输入，压力变送器,
21、PROFIBUS-PA的组态设备行规（简单现场设备）,PROFIBUS-PA的组态互操作性,4 PROFIBUSFMS,FMS的设计旨在解决车间级的通信，在这一级可编程控制器主要是互相通信。在此应用领域内，高级功能比快速系统反应时间更重要。PROFIBUSFMS应用层包括以下两个部分：1.FMS:现场总线信息规范(FMS)描述通信对象和服务；2.LLI:低层接口(LLI)用于将FMS适配到第 2 层。,PROFIBUS-FMS协议结构,PROFIBUS-FMS的特点,为连接智能现场设备设计，如PLC，PC，MMI强有力的应用服务提供广泛的功能面向对象的协议多主和主-从通信点对点、广播和局部广播
22、通信周期性和非周期性的数据传输每个设备的用户数据多达240个字节得到所有主要PLC制造商的支持,PROFIBUSFMS面向对象,变量、参数、程序均设计为对象每个对象都有确定的特性（读，写）所有对象被列在对象字典（OD）中对象字典根据每个设备单独构成,通信对象类型,对象,不明确的,明确的,由PROFIBUS标准定义VFD：虚拟现场设备OD：对象字典Data Types:标准数据类型,由用户定义静态：由行规予定义或在组态期间定义如变量、数组、记录、区域动态：在运行时定义如程序、变量表,对象字典（OD）,对象字典包括如下部分：头部 包含此OD的结构信息数据类型字典 包括静态通信对象表（如停机时间、故
23、障率）动态变量表的表*包括所有现今已知变量表的表动态程序表*包括所有现今已知程序的表 注：*部分是可选的，仅对某些设备存在。,例：一个简单设备的OD,头部：ROM/RAM标志名字长度，访问保护，OD版本静态OD的第一个指针和长度数据类型OD的第一个指针和长度动态OD部分的第一个指针和长度,数据类型字典：索引 对象代码 含义1 数据类型 整数8 数据类型 整数166 数据类型 浮点,静态对象字典：指针 对象代码 数据类型 内部地址 符号20 VAR 1 4711H 件数21 VAR 2 5000H 停机时间22 VRA 6 100H 故障率,PROFIBUSFMS支持如下类型的对象,静态通信对象
24、（这些对象登入静态对象字典）简单变量：变量类型如整数、布尔数数组：同类型的简单变量的数组记录：各种类型的简单变量的数组区域：大数量的数据事件：事件信息动态通信对象（这些对象登入动态对象字典）程序调用：程序的描述变量表：简单变量、数组或记录的记录,PROFIBUSFMS的通信关系,站之间的数据传输通过通信关系来执行通信关系允许存取保护和自动的联接监视,PROFIBUSFMS设备的电子数据单,对每一个FMS设备有一张由制造商定义的电子数据单（GSD文件）FMS GSD文件包括所有相关设备的通信能力。在组态期间，FMS组态工具读GSD文件并将所有信息放入账号。在PROFIBUS导则中，描述了FMS
25、GSD 文件的格式。,ROFIBUSFMS行规的概述,控制器间通信的行规 这是一个通信行规，对标准的控制器类型描述了必要的服务、参数和数据类型。楼宇自动化的行规 这是专为楼宇自动化制定的分支行规，它包括一般定义，如楼宇自动化设备如何使用ROFIBUSFMS协议进行通信。低夺开关装置的行规 这是一个分支行规。它定义低夺开关装置如何作用ROFIBUSFMS协议进行通信。,5 几种支持芯片SPC3是个带有处理器接口的智能通信接口，用于硬件控制通道的Profibus-DP。SPC3为Profibus-DP处理信息、识别地址、数据排序和协议执行。SPC4支持Profibus-DP、PROFIBUSFMS
26、、PROFIBUSPA。SPM2是带有64位输入/输出的单个芯片，用于简单的从站。SPM2独立处理整个数据传送，它不需要增加处理机和系统软件。LSPM2是带有32位输入/输出的单个芯片，用于简单的从站。由于它的芯片小，适用于空间有限的场合。SPM2（Siemens PROFIBUS Multiplexer）和LSPM2（Lean Siemens PROFIBUS Multiplexer）是用于简单从站协议芯片。可用于传感器执行机构开关设备显示设备和热电偶测量。这两种ASICs 芯片支持PROFIBUSDP协议。LSPM2采用小尺寸封装，更适合于体积小的应用场合。最大数据传输速率12Mbit/s
27、。ASPC2是一种用于主站的智能通信芯片，支持PROFIBUSDP和PROFIBUSFMS协议。通过段耦合器也可接PROFIBUSPA。这种芯片可使可编程控制器、个人计算机、驱动控制器、人机接口等设备减轻通信任务负担。IM 180接口模板使用的就是ASPC 2。ASPC2最大数据传输速率12M bit/s。,应用LSPM2的PROFIBUSDP从站接口,LSPM2支持PROFIBUSDP协议。最大数据传输速率12Mbit/s，可自动检测并调整数据传输速率。,SIM1（Siemens IEC H1介质连接单元）与IEC H1即PROfIBUSPA信号兼容。PROfIBUSPA是PROfIBUSDP的扩展，专门用于流程自动化行业。可用于本征安全场合。,本讲结束,
