最完美的PROFIBUS通讯教材

第4章PROFIBUS通讯教材教学目的与要求：了解PROFIBUS的基本概念、组成及其应用范围，理解PROFIBUS的通信参考模型，掌握PROFIBUS采用的访问控制方式、PROFIBUS的通信协议，了解PROFIBUS-DP三个版本的数据传输，了解PROFIBUS站点开发与实现，了解PROFIBUS-PA的基本特点、连接接口及安装。教学重点：PROFIBUS总线访问控制的特点、PROFIBUS的通信协议教学难点：PROFIBUS的通信协议第4章PROFIBUS4.1PROFIBUS概述4.2PROFIBUS的通信协议4.3PROFIBUS-DP4.4PROFIBUS站点的开发与实现4.5PROFIBUS-PAPROFIBUS定义PROFIBUS的发展过程PROFIBUS的三个子集PROFIBUS应用范围PROFIBUS的通信参考模型PROFIBUS的组成PROFIBUS的主站与从站PROFIBUS的总线访问控制的特点4.1PROFIBUS概述PROFIBUS概述•PROFlBUS(ProcessFieldbus的缩写)是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准。它广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他自动化领域。PROFIBUS技术的发展经历了如下过程:•1987年由德国SIEMENS公司等13家企业和5家研究机构联合开发；•1989年成为德国工业标准DIN19245；•1996年成为欧洲标准EN50170V.2(PROFIBUS-FMS-DP);•1998年PROFIBUS-PA被纳入EN50170V.2；•1999年PROFIBUS成为国际标准IEC61158的组成部分(TYPEIII)；•2001年成为中国的机械行业标准JB/T10308-3-2001PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery，分散型外围设备)用于设备级分散I/O之间的通信，实现分布式控制系统设备间的高速数据传输，传输速率在9.6Kbps～12Mbps之间可选。PROFIBUS-PA（ProcessAutomation，过程自动化)用于过程自动化，采用IEC61158-2通信规程，传输速率为31.25Kbps，适用于有总线供电、本质安全要求的应用场合PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification，现场总线报文规范)用于车间级的数据通信，可提供通信量大的相关服务PROFIBUS包含有三个子集PROFIBUS应用范围CNC区域控制器Ethernet/TCP/IPTCP/IP/EthernetPROFIBUS-FMSPROFIBUS-DPPROFIBUS-PA工厂管理级总线循环时间1000ms车间级总线循环时间100ms现场级总线循环时间10msPC/VMEVME/PCPLCDCSPROFIBUS的通信参考模型波特率（kBit/s）9.619.293.75187.5500150012000线长（m,A类电缆）1200120012001000400200100PROFIBUS电缆长度（对RS485）长度可以用中继器来延长传输速度在9.6Kbps-12Mbps之间可选，挂接在同一条网段上的所有设备均需选用同一传输速度传输速度与A型电缆传输距离的关系PROFIBUS的组成PROFIBUS-DPPROFIBUS-PAPROFIBUS-FMSPROFIBUS的组成•PROFIBUS-DP:用于传感器和执行器级的高速数据传输，它以DIN19245的第一部分为基础，根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充，DP的传输速率可达12Mbit/s，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传输方式工作。版本分为V0，V1，V2。DP三个版本•V0：规定周期性数据交换所需要的基本通信功能。•V1：包括有依据过程自动化的需求而增加的功能，特别被用于参数赋值、操作、智能化现场设备可视化，报警等非周期行数据通信。报警类型有：状态报警，刷新报警和制造商专用报警。•V2：有根据驱动技术的需求增加的其他功能，如同步从站模式、驱动器标准化配置•PROFIBUS-PA具有本质安全特性，它实现了与FF总线相同的IEC1158-2规定的通信规程。PROFIBUS-PA是PROFIBUS的过程自动化解决方案，PA将自动化系统和过程控制系统与现场设备，如压力、温度和液位变送器等连接起来，代替了4-20mA模拟信号传输技术。因此，PA尤其适用于石油、化工、冶金等行业的过程自动化控制系统。PA与DP网段之间必须用耦合器相联。本质安全•本质安全源于按GB3836.1-2000标准生产，专供煤矿井下使用的防爆电器设备的分类，防爆电器分为隔爆型、增安型、本质安全型等种类，本质安全型电器设备的特征是其全部电路均为本质安全电路，即在正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物的电路。也就是说该类电器不是靠外壳防爆和充填物防爆，而是其电路在正常使用或出现故障时产生的电火花或热效应的能量小于0.28mJ,即瓦斯浓度为8.5%（最易爆炸的浓度）最小点燃能量。•本质安全防爆方法是利用安全栅技术将提供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆的火花，又不能产生足以引爆的仪表表面温升的安全范围内，从而消除引爆源的防爆方法。4-20mA•一般仪器仪表的信号电流都为4-20mA，指最小电流为4mA,最大电流为20mA。•在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。••为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。4～20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。那么为什么选择4-20mA而不是0-20mA呢？为了减少接线的复杂性，传感器选择2线要比多线简单的多，2线既要传输信号，又要给传感器供电，所以设计者从中盗窃4mA电流给传感器放大电路供电，这样4-20mA的标准就确定了。•PROFIBUS-FMS:解决车间一级通用性通信任务，FMS提供大量的通信服务，用以完成以中等传输速率进行的循环和非循环的通信任务。由于它是完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换，因此它考虑的主要是系统的功能而不是系统响应时间，应用过程通常要求的是随机的信息交换(如改变设定参数等)。用于大范围和复杂的通信系统。应用较少，已经被工业以太网代替。1类主站：是中央控制器，有能力控制若干从站、可完成总线通信控制与管理的设备。PLC、PC机等可作为1类主站。2类主站：是编程装置、诊断和管理设备，有能力管理1类主站的组态数据和诊断数据的设备；具有1类主站所具有的通信能力，可完成站点的数据读写、系统组态、监视、故障诊断等。例如编程器、操作员工作站、操作员接口等都是2类主站。从站：通信上从属于1类主站管理，提供I/O数据的现场设备。例如驱动器、传感器、执行机构等带有PROFIBUS接口的I/O现场设备都可以作为从站。PROFIBUS的主站与从站•PROFIBUS家族新的行规：p187PROFIBUS-DP多主系统若干个DP-主可以用读功能访问一个DP-从PROFIBUS-DP多主系统的组成:-多个主设备(1类or2类)-1到最多124个DP-从-在同一个总线上最多126个设备DP-主(2类)DP-主(1类)DP-主(1类)分散的I/O分散的I/OPROFIBUS-PDP-从PLCPROFIBUS-DPPCCNC总线访问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主站主站在一个限定时间内(TokenHoldTime)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PLC/PCe.g.,I/OPLCPROFIBUS主动站、主设备被动站、从设备PROFIBUS总线访问方式多主令牌环，主-从通信PLCPLCPC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目标令牌循环时间(TTR)站点的令牌持有时间（TTH）接收令牌后可用于完成通信任务的时间(TTH)令牌实际循环时间TRR令牌传递方式主站－主站连接在PROFIBUS网络的主站按它的总线地址的升序组成一个逻辑令牌环，如图所示。控制令牌按顺序从一个主站传递到下一个主站。令牌提供访问总线的权力，并通过特殊的令牌帧在主站间传递。具有HAS（最高站地址）的主站将令牌传递给具有最低总线地址的主站，以使逻辑令牌环闭合。主从通信（补充知识）主站负责所有通信连接。主站对从站依次逐一轮询（为保证每个从站都有机会传送数据），形成严格的周期性报文传输。主站不停地传送报文给从站，并等待相应的从站的应答报文。从站如果收到一个正确无误的报文，且报文中的地址与自己的地址相同，则需要应答，才能得到发送报文的机会。主站在规定的时间内收到应答报文，就表明主站与从站之间已经建立好连接，可以进行数据传输了。主从方式（响应时间问题）主站－从站一个主站在得到令牌后，可以主动发起与从站的数据交换。主-从方式允许主站访问主站所控制的从站设备，主站可以发送信息给从站或从从站获取信息，其数据传递如图所示。在DP主站上处理轮询表的示意图PROFIBUS的协议类型及其特点PROFIBUS的物理层及其网络连接RS-485的物理连接PA总线的物理连接PROFIBUS的数据链路层数据传输功能报文帧的格式和定义PROFIBUS的应用层PROFIBUS的MAC协议PROFIBUS的传递令牌逻辑环的管理4.2PROFIBUS通信协议PROFIBUS的协议类型•PROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型的第1层（物理层）和第2层（数据链路层），其中FMS还采用了第7层（应用层）,另外增加了用户层。采用TOKEN-PASSING方式。•PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS的第1层和第2层相同，PROFIBUS-FMS有第7层，PROFIBUS-DP无第7层。PROFIBUS-PA有第1层和第2层，但与DP/FMS有区别，无第7层。PROFIBUS的通信参考模型PROFIBUS协议的特点1)不支持长信息段235B2)不支持短信息组块功能3)本规范不提供由网络层支持运行的功能4)除规定的最小组态外，根据应用需求可以建立任意的服务子集。5)其他功能是可选的，如口令保护方法等。6)网络拓扑是总线形，两端带终端器或不带终端器。7)介质、距离、站点数取决于信号特性。8)传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9.6kbit/s到l2Mbit/s不等。9)可选第二种介质(冗余)。10)在传输时，使用半双工，异步，滑差(Slipe)保护同步。11)报文数据的完整性，用海明距离(HD)=412)地址定义范围为:0～127(对广播相群播而言，127是全局地址)。13)使用两类站:主站(主动站，具有总线存取控制权)和从站(被动站，没有总线存取控制权)。14)总线存取基于混合、分散、集中3种方式。15)数据传输服务有两类:非循环的:有/无应答要求的发送数据;有应答要求的发送和请求数据。循环的(轮询):有应答要求的发送和请求数据PROFIBUS的物理层及其网络连接DP/FMS(RS-485)的物理层DP/FMS(光纤电缆)的物理层PA的物理层RS-485，NRZ（不归零）异步传输比特率从9.6kBit/s到12MBit/s，可选双绞屏蔽电缆，符合EIARS-485标准(也称H2)每段32个站，最多允许127个站传输距离:12MBit/s时100m;1.5MBit/s时400m;187.5kBit/s时1000m有中继器距离可延长到10公里9针,D型插头总线段的两端各有一个终端器DP网段（RS-485）的物理连接PROFIBUS电缆要求–RS-485参数电缆类型A