现场总线专题贴三：profibus总线简介 点击：2906 | 回复：40
现场总线定义
根据国际电工委员会IEC1158定义(后改为IEC61158 )，现场总线是“安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线”。或者说，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。
自现场总线概念提出以来，全球各大知名自控和仪表公司开发了数十种现场总线，目前在全球范围内被广泛认可的现场总线系统包括：PROFIBUS、FF、ControlNet、PROFINET、PNET等十大总线系统。
PROFIBUS 现场总线系统介绍
(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PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20mA信号传输。主站和从站之间采用轮询的通讯方式，主要应用于自动化系统中单元级和现场级通信。
(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。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。
(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。定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。
(6) 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。
PROFIBUS协议结构
PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际准，以开放式系统互联网络（Open System Interconnection-SIO）作为参考模型的。OSI模型是现场总线技术的基础。对于工业控制底层网络来说，单个节点面向控制的信息量不大，信息传输的任务相对比较简单，但实时性、快速性的要求较高。现场总线采用的通信模型大都在OSI模型的基础上进行了不同程度的简化。
(1) PROFIBUS-DP：定义了第1、2层和用户接口。第3到7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1、2、7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 Interface-LLI）。FMS包括了应用协议并向用户提供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。
PROFIBUS的传输技术
PROFIBUS提供了三种数据传输类型：
·用于DP和FMS的RS485传输
采用的电缆——屏蔽双绞线；
拓扑结构——总线型；
通信速率——9.6kbps/1200m，12Mbps/100m；
每段最多节点数——32；
不支持总线供电；
·用于PA的IEC1158-2传输
采用的电缆——屏蔽双绞线；
拓扑结构——总线型、树形；
通信速率——31.25kbps/1900m；
每段最多节点数——32；
支持总线供电；
·用于DP和FMS的光纤传输
用于电磁兼容要求高和长距离要求的场合；
PROFIBUS的通信介质访问控制方式
PROFIBUS的通信介质访问方式为分布式令牌方式，是一种时间触发的网络协议。主节点之间为令牌环传递方式，主节点和从节点之间为主从轮询方式。当主节点得到令牌后，允许它在一定的时间内与从节点和（或）其他主节点通信。令牌在所有主节点中循环一周期的最长时间（设定周期TTR）是事先预定的，决定了各主节点的令牌具体保持时间的长短。主节点之间传输数据必须保证在事先定义的时间间隔内主节点有充足的时间完成通讯任务，主节点与从节点之间的数据交换要尽可能快且简单地完成数据传输。
为此，PROFIBUS的介质访问控制MAC协议设置了两类时钟计时器：一类是令牌运行周期计时器，用于令牌的实际运行周期TRR计时；另一类是持牌计时器，用于主节点令牌保持时间TTH计时，当令牌到达某个主节点时，此节点的周期计时器开始计时。
当令牌又一次到达主节点时，MAC将周期计时器的TRR值与设定周期值TTR的差值赋给持牌计时器，即TTH=TTR-TRR，持牌器根据该值控制信息的传送。
在持牌计时器控制信息发送时，如果令牌到达超时，即TTH<0，则此节点只可以发送一个高优先级信息；如果令牌及时到达，则此节点可以连续发送多个等待发送的高优先级信息后，直到高优先级信息全部发送完毕，或者超过持牌时间。如果发完所有待发送的高优先级信息，仍有持牌时间，则可以用同样的方式发送低优先级信息。无论发送高优先级还是低优先级信息，都只在发送前检测持牌时间是否超时，而不是预先检测发送完此信息是否超时，此种检测方法意味着信息发送不可避免地造成持牌时间超时，影响了周期性实时通信的实现。
可靠性
? PROFIBUS 总线上的数据传输是完全基于数字信号实现的，这样可以大幅提高信号传输过程中的抗干扰能力。确保所有信息（包括令牌信息）在传输过程中高度安全。
? 采用PROFIBUS 总线直接连接现场智能设备，可以减少大量接线点，减少了由于接线不牢或接线不规范引起的故障。
? PROFIBUS 连接智能设备，减少了A/D 转换的环节，提高了自动化系统的采集精度，为精确控制提供保障。
? PROFIBUS 上各设备的连接非常简单，并可以通过专用剥线工具和PROFIBUS 接头，减少接线风险；同时PROFIBUS 接头可以保证总线上任何一个节点故障不影响系统通讯。
? 支持冗余总线系统，提高系统可靠性。
? 提供可用于危险领域的接口模块，可以支持在危险区域的应用。
实时性
采用PROFIBUS 总线的系统具有很高的实时性，这是由PROFIBUS 总线系统的数据传输速率高所决定的。PROFIBUS-DP 总线的传输速率可达
简介
（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。PROFIBUS传送速度可在9.6kbaud~12Mbaud范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。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。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） PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP（ Decentralized Periphery）．PROFIBUS－PA（Process Automation ）．PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。主要使用主-从方式，通常周期性地与传动装置进行数据交换。
功用
（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PROFIBUS－DP可取代办24VDC或4－20mA信号传输。
（4） PORFIBUS－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。
（6） 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。
（7）与其它现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造．过程控制和自动化等。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40％。PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。
(8) PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（Open System Interconnection-OSI）作为参考模型的。该模型共有七层。 （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 Interface － LLI)。FMS包括了应用协议并向用户提供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。 注：第一层为物理层，第二层为数据链路层，第三－六层末使用，第七层为应用层。
PROFIBUS技术培训 —— 概论 |
PROFIBUS作为一种现场总线标准，在世界市场上已被普遍接受并得到广泛运用。本培训教程全面阐述了PROFIBUS的技术特点、应用模式和产品开发方法。 |
PROFIBUS的系统模型如下：
PROFIBUS是国际性的、开放的现场总线标准
（1）PROFIBUS 标准 EN 50170 是完整的、开放的、与制造商无关的、已经生效的
（2）稳固的 PROFIBUS 标准保护世界范围的用户和制造商的投资
（3）PROFIBUS 经实践证明并在世界范围内已安装使用的设备超过1,500,000 个。（截止于１９９７年四季度）
PROFIBUS给客户的好处
（1）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
（2）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
（3）更大的制造灵活性
改进功能 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减少40%的安装费用：
※ 1,200多个产品（到1998年1季），一个标准
到目前为止，已250家不同的制造商可提供 1,200 多个产品，你可免费获得最新的 PROFIBUS 电子产品指南的拷贝：
（1）从每一个PROFIBUS用户的CD-ROM或软盘
（2）或访问PROFIBUS的国际网页 http://www.profibus.com
※ 产品范围快速增长
※ 产品应用范围广泛
※ 经认证的产品确保互操作性
（1）PROFIBUS 国际已经建立了质量认证系统，包括产品的一致性和互操作性的测试
（2）几百个产品已经通过了认证
（3）在欧洲和美国建有这样的测试实验室
（4）经认证的产品都有一个认证号，它们已在 PROFIBUS 电子产品指南中列出
PROFIBUS 是领先的开放的现场总线系统
·独立的市场研究证实， PROFIBUS 在欧洲是市场的领导者，且在世界范围内有最高的增长率。在１９９７年已安装的PROFIBUS 基本设备超过了 1,500,000个，年增长到约20-30%。
·市场总值 根据1997 ARC 的市场研究现场总线的世界市场总值大于2百万个节点， 50%以上是用在欧洲。
·市场份额 根据1996 Consultic 关于德国和欧洲市场的市场研究2 ，PROFIBUS 在欧洲市场中约占 41% 。
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作，即使在本质安全区也如此。
→ 提供三种不同的物理层选择
(1)RS 485: 用于 DP 和 FMS
(2)IEC 1158-2: 用于 PA
(3)光纤: 用于 DP 和 FMS
PROFIBUS 协议
→ PROFIBUS 总线访问协议（第二层）对三种PROFIBUS 版本(FMS/DP/PA)均相同
→ 这使通信透明和FMS/DP/PA 网络区域容易组合
→ 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。
PROFIBUS-DP 的特点
·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<2 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, I/O, 驱动器, 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
典型的PROFIBUS-DP系统组成：
PROFIBUS-PA(PA = Process Automation) 的特点
·基于扩展的 PROFIBUS-DP 协议和 IEC 1158-2 传输技术
·适用于代替现今的 4...20 mA 技术
·仅用一根双绞线进行数据通信和供电
·通过串行总线联接仪器仪表与控制系统
·适用于本质安全的 EEx 应用区域
·可靠的串行数字传输
·通过一根双绞电缆进行控制、调节和监视
·对所有设备只需一个工程工具
·由于 PROFIBUS-PA 行规，保证了互操作性和互换性
·仪器仪表的维护和诊断信息
PROFIBUS-FMS 的特点
·FMS 最佳适用于车间级智能主站间通用的、面向对象的通信
·FMS 提供一个 MMS-功能子集 （MMS 即 Manufacturing Message Specification, ISO9506)
·主要应用区域
大数量的数据传输，例如程序、数据块等等
若干个分散过程部分集成到一个公共过程中
智能站间的通信
开放的组态允许即插即用
PROFIBUS ASICs 提供大量产品的关键
·对PROFIBUS许多 ASICs 芯片是有效的
·对 PROFIBUS-DP 用单个芯片即可解决
·对 FMS/DP/PA，与处理器无关的外围芯片
·对FMS/DP，带 PROFIBUS 核心功能的微控制器
优点：
·对制造商而言，减少实现费用
·对一个接口的价格减至小于 US $ 25
PROFIBUS技术培训 —— 典型应用
PROFIBUS 已经有广泛的应用
到1997年四季度，实际应用超过150,000个，应用领域包括：
- 制造业自动化
汽车制造
装瓶系统
仓储系统 - 楼宇自动化
交通管理自动化
供热、空调系统 - 过程工业自动化
清洗工厂
化工和石化工厂
造纸和纺织品工厂 - 电力工业和电力输送
发电厂
开关装置
1 PROFIBUS 在汽车生产中的应用
例如，在 Bochum 的 GM (Opel) 工厂
（1）对每个车身，PROFIBUS-DP控制机器人处理2，000多个焊接操作
（2）PROFIBUS-DP用在组装线上，每天生产1，200辆轿车
（3）PROFIBUS-DP用在冲压车间，每天处理22，000吨钢材
在 OPEL 工厂的网络结构示意图
2 PROFIBUS 在楼宇自动化中
例如，在法国的 Bibliotheque Nationale
PROFIBUS 控制四个 80 米高的塔楼
总面积 360,000 m2
容积约11,000,000 m3
PROFIBUS 任务包括
- 报警管理
- 能量优化
- 监视
- 技术设备的控制
- 操作服务间的可靠、有效的通信、
3 PROFIBUS 在过程自动化中
在 1997 年四季度已销售出 15,000 多个 Profibus - PA 的设备
※ ROFIBUS-PA在 WACKER 化工厂的应用
WACKER 化工厂简介
·由Dr. Alexander Wacker 建立于1914年10月13日
·1992年,员工13,000 人, 32亿德国马克的营业额
·主要生产硅和胶制品
WACKER 化工厂项目实施情况
·项目从1997年1月开始
·使用仪器仪表和控制设备总价值500万马克
·1,000个PROFIBUS-PA的传感器和执行器
化工厂为什么选择PROFIBUS - PA？
·节省 50% 以上的规划、设计和安装成本
·适应本质安全区安装
·由于集中组态工具，容易维修
仪器仪表和控制部门的负责人 Mr. H. Krummen对此评论：
“由于PROFIBUS-PA 的使用，使新的生产线的设计、安装费用节省 超过2百万马克，
此外，本质安全能力和一个组态工具对所有仪器仪表都适用，这就意味着PROFIBUS-PA
完全符合NAMUR* 所期望的准则。”
PROFIBUS技术培训 —— 安装与布线
传输特点 (1)
高速 (H2), RS 485
- 依据 RS 485，异步 NRZ 传输
- 波特率从 9.6 kBit/s 到 12 MBit/s，可选
- 双绞屏蔽电缆
- 每段 32 个站，最多允许 127 个站
- 距离: 12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 m
- 有中继器距离可延长到 10 公里
- 9 针, D 型插头
传输特点 (2)
低速 (H1), IEC 1158-2
- 同步 Manchester 编码, 31.25 kBit/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
- 每段距离达 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)
PROFIBUS 电缆要求 - IEC 1158-2
电缆设计: 屏蔽双绞电缆
导线面积: 0.8毫米2(AWG 18)
回路电阻: 44 ? / km
阻抗 （在31.25 KHz时）: 100 ? +/- 20%
衰减 （在39 KHz时）: 3dB / km
每单位长度的电容: 2nF / km
对 IEC 1158-2 传输的电缆被列在 PROFIBUS 电子产品指南中
PROFIBUS 电缆要求 - RS 485
参数 电缆类型 A
电缆设计 屏蔽双绞电缆
浪涌阻抗 135 ... 165 ?
回路电阻 110 ? / km
线径 0.64 mm
线截面积 > 0.34 mm
每单位长度的电容 < 30 pF / m
PROFIBUS 电缆被列在 PROFIBUS 电子产品指南中。
PROFIBUS 电缆长度 （对 RS 485）
波特率（ kBit/s） 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000
线长（m, A类电缆） 1200 1200 1200 1000 400 200 100
长度可以用中继器来延长
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
- 如果其他连接器能提供必要的命令信号的话，也允许使用
总线访问协议的特征 (1)
混合总线访问协议
主站间的逻辑令牌环
主从站间的主从协议
主站
主动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)的特点
·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。
·令牌环调度确保每个主站有足够的时间履行它的通信任务。因此，用户必须计算全部目标令牌环时间 (TTR)。
·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、传输错误和其他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
令牌调度原理
·在多主网络中，令牌调度必须确保每个主站有足够的时间完成它的通信任务
·用户组织全部目标令牌循环时间 (TTR) 进入所有主站的通信任务帐户。
·每一个主站根据下列公式计算它接收令牌后完成它的通信任务的时间(TTH)
TTH = TTR - TRR
TTH = 持有令牌时间
TTR = 目标令牌循环时间
TRR = 实际令牌循环时间
FDL 状态图
重要的 PROFIBUS 电文结构
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