现场总线PROFIBUS-DP技术及应用

现场总线PROFIBUS-DP技术及应用重点与难点SIMATICS7系统中的PROFIBUS-DP、用STEP7组态PROFIBUS-DP和系统功能SFC在PROFIBUS-DP通信中的应用。基本要求1．熟悉数据通信的基本知识；2．熟悉PROFIBUS基础知识；3．掌握SIMATICS7系统中的PROFIBUS-DP；4．熟练用STEP7组态PROFIBUS-DP；5．熟悉系统功能SFC在PROFIBUS-DP通信中的应用。本章内容1．数据通信的基本知识；2．计算机通信的国际标准；3．PROFIBUS基础；4．SIMATICS7系统中的PROFIBUS-DP；5．用STEP7组态PROFIBUS-DP；6．系统功能SFC在PROFIBUS-DP通信中的应用。计算机通信的国际标准6.2PROFIBUS基础6.3数据通信的基本知识6.1SIMATICS7系统中的PROFIBUS-DP6.4本章小结6.7用STEP7组态PROFIBUS-DP6.5系统功能SFC在PROFIBUS-DP通信中的应用6.76.1数据通信的基本知识通常把具有一定的编码、格式和位长要求的数字信号称为数据信息。数据通信就是将数据信息通过适当的传送线路从一台机器传送到另一台机器。这里的机器可以是计算机、PLC或具有数据通信功能的其他数字设备。数据通信系统的任务是把地理位置不同的计算机、PLC或其他数字设备连接起来，高效率地完成数据的传送、信息交换和通信处理三项任务。数据通信系统一般由传送设备、传送控制设备和传送协议、通信软件等组成。1．数据传输方式按时空顺序分为以下两类。•（1）并行传输，数据在多个信道同时传输，用于近距离传输。•（2）串行传输，数据在一个信道上按位顺序传输。按是否搬移和调试信号分为以下两类。•（1）基带传输•（2）频带传输图6-1三种调制方式示意图2．串行通信的两种同步技术异步传输也称起止式传输，每一个传输的字符都有一个附加的起始位和多个停止位。同步技术把每个完整的数据块（帧）作为整体来传输，由定时信号（时钟）来实现与发送端同步。同步传输以字节为单位，每次传送1～2个同步字符、若干个数据字节和校验字符。通过调制解调的方式在数据流中提取出同步信号，使接收方得到与发送方同步的接收时钟信号，如图6-2所示。图6-2异步传输与同步传输3．线路通信方式•（1）单工通信方式。单工通信是指信息的传送始终保持同一个方向，而不能进行反向传送，如图6-3（a）所示。•（2）半双工通信方式。半双工通信是指信息流可以在两个方向上传送，但同一时刻只限于一个方向传送，如图6-3（b）所示。•（3）全双工通信方式。全双工通信能在两个方向上同时发送和接收，如图6-3（c）所示。A端和B端双方都可以一面发送数据，一面接收数据。图6-3线路通信方式4．传输速率传输速率是指单位时间内传输的信息量，传输速率（又称波特率）的符号为bit/s。在数据传输中定义有三种速率：调制速率、数据信号速率和数据传输速率。•（1）调制速率。通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。•（2）数据信号速率。数据信号速率是单位时间内通过信道的信息量，单位是比特/秒（bitpersecond），用bit/s表示。•（3）数据传输速率。数据传输速率是指单位时间内传输的数据量，通常以字符/分钟为单位。5．差错控制由于通信设备可以达到较高的可靠性，因此一般认为数据通信的差错主要来自于数据传输信道。以下将简单介绍差错控制的常用方式和编码。•（1）差错控制方式差错控制方式是对传输的数据信号进行错误检测和错误纠正。可以分为以下4种方式。①自动检错重传（ARQ）。②前向纠错（FEC）。③混合纠错（HEC）。④不用编码的差错控制。•（2）常用的几种检错码①奇偶校验码。它是以字符为单位的校验方法。一个字符一般由8位组成，低7位是信息字符的ASCII，最高位是奇偶校验位。由于奇偶校验码只需附加一位奇偶校验位编码，效率较高，因而得到了广泛应用。②循环冗余校验（CRC）码。采用CRC码时，通常在信息长度为k位的二进制序列之后，附加上r(r=n−k)位监督位，组成一个码长为n的循环码。6．传输介质目前，普遍使用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光缆。其他介质如无线电、红外线、微波等在PLC网络中应用很少。其中双绞线（带屏蔽）成本低，安装简单；光缆尺寸小，重量轻，传输距离远，但成本高，安装维修需专用仪器。具体性能比较如表6-1所示。表6-1传输介质性能比较7．串行通信接口标准串行通信的连接接口与连线电缆是直观可见的，它们的相互兼容是通信得以保证的第一要求。•（1）RS-232C串行接口标准①接口的机械特性②接口的电气特性③RS-232的不足之处•（2）RS-449及RS-422A/423A标准•（3）RS-485标准8．网络的概念网络是将分布在不同地理位置上的具有独立工作能力的计算机、终端及其附属设备用通信设备和通信线路连接起来，并配置网络软件，以实现计算机资源共享的系统。网络按拓扑划分为：总线型，星型，环型，网状，树状，星环型。9．网络的发展过程•（1）具有通信功能的单机系统。•（2）具有通信功能的多机系统。•（3）以共享资源为主要目的的计算机网络。•（4）局域网络及其互连为主要支撑环境的分布式计算阶段。图6-4ISO企业自动化系统模型图6-5SIMATIC网络•（1）AS-I网•（2）PROFIBUS•（3）工业以太网6.2计算机通信的国际标准在计算机通信网络中，对所有通信设备或站点来说，它们都要共享网络中的资源。但是由于接到网上的设备或计算机可能出自不同的生产厂家，型号也不尽相同，硬件和软件上的差异给通信带来障碍。所以，一个计算机通信网络必须有一套全网“成员”共同遵守的约定，以便实现彼此通信和资源共享，通常把这种约定称为网络协议。6.2.1OSI模型国际标准化组织制定了信息处理领域内最重要的标准，提出了开放系统互连（OSI）参考模型，下面对该模型作简单介绍。1．OSI模型结构分层图6-6OSI参考模型2．物理层（PL）协议物理层是通信网上各设备之间的物理接口，直接把数据从一台设备传送到另一台设备。物理层协议规定了以下4个特性。•（1）机械特性：规定了连接器或插件的规格和安装。•（2）电气特性：规定了传输线上数字信号的电平、传输距离和传输速率等。•（3）功能特性：定义了连接器内各插脚的功能。•（4）过程特性：规定了信号之间的时序关系，以便正确地发送数据和接收数据。3．数据链路层（DLL）协议DLL保证物理链路的可靠性，并提供建立和释放链路的方法，它把发送的数据组成帧，进行差错控制和介质访问控制。4．局域网（LAN）协议LAN的地理范围较小，一般只有100～250m，是得到广泛使用的一种网络技术。参照OSI模型，LAN采用总线型或环型拓扑结构，没有中间交换点，不需要选择路径。6.2.2现场总线随着计算机、控制器、通信、显示器技术的发展，为了解决在过程控制系统中的信号互不兼容、接线越来越复杂的问题，引入了现场总线控制系统（FieldbusControlSystem）。现场总线可以使系统拥有如下特性。•（1）较好的维护性•（2）开放性和扩展性•（3）良好的经济性现场总线的主要特点如下。•（1）全数字化通信。•（2）可以实现彻底的分散性和分布性。•（3）有较强的信息集成能力，实现设备状态故障、参数信息的一体化传送。•（4）节省连接导线，降低安装和维护费用。•（5）具有互操作性和互换性。不同生产厂家的性能类似的设备都可以进行互换。现今较流行的现场总线主要有：•（1）基金会现场总线（FoundationFieldbus，FF）•（2）过程现场总线（ProcessFieldBus，PROFIBUS）•（3）控制器区域网络（ControllerAreaNetwork，CAN）根据国际电工委员会（IEC）的标准和现场总线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输多分支结构的通信网络。8种现场总线国际标准分别为：类型1——IEC技术报告（即FF的H1）类型2——ControlNet（美国Rockwell公司支持）类型3——Profibus（德国西门子公司支持）类型4——P-Net（丹麦ProcessData公司支持）类型5——FFHSE（即原FF的H2）类型6——SwiftNet（美国波音公司支持）类型7——WorldFIP（法国Alston公司支持）类型8——Interbus（德国Phoenixcontact公司支持）各类型将自己的行规纳入IEC61158，且遵循以下两个原则。•（1）不改变IEC61158技术报告的内容。•（2）8种类型都是平等的，类型2～8都对类型1提供接口，标准并不要求类型2～8之间提供接口。IEC62026是供低压开关设备与控制设备使用的控制器电气接口标准，于2000年6月通过。它包括：•（1）IEC62026-1——一般要求；•（2）IEC62026-2——执行器传感器接口AS-i（ActuatorSensorInterface）。•（3）IEC62026-3——设备网络DN（DeviceNetwork）；•（4）IEC62026-4——Lonworks（LocalOperatingNetworks）总线的通信协议LonTalk。•（5）IEC62026-5——灵巧配电（智能分布式）系统（SmartDistributedSystem，SDS）；•（6）IEC62026-6——串行多路控制总线（SerialMultiplexedControlBus，SMCB）。另外IECSC17B（国际电工委员会负责低压电器的第17B标准化技术委员会）也通过了三种现场总线国际标准，它们分别为：•（1）SDS（SmartDistributedSystem）—智能分布系统•（2）ASI（ActuatorSensorInterface）—执行器传感器接口•（3）DeviceNet—设备网络国际标准化组织，也推出了ISO11898决议，认定CAN（ControlAreaNetwork）总线为国际标准。在实际的设计中，将复杂的控制问题分层是普遍的做法，常见的工业通信网络的结构如图6-7所示。图6-7工业网络通信的结构可见，工业通信网络的结构可以分成3个级别。•（1）监控管理级•（2）生产和过程控制级•（3）传感器/驱动器级6.3PROFIBUS基础PROFIBUS（过程现场总线）在世界市场上所占的份额高达21.5%，居于所有现场总线之首。PROFIBUS是目前最成功的现场总线之一，已得到广泛地应用。它是不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口交换信息。为数众多的生产厂家提供了优质的PROFIBUS产品，用户可以自由地选择最合适的产品。PROFIBUS已经成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170，并在世界拥有了最多的用户数量。SIMATICS7通过PROFIBUS现场总线构成的系统，是一个很好的工业自动化解决方案。PROFIBUSDP网是西门子公司开发的一种基于现场总线技术。PROFIBUS是一种开放式的现场总线标准，由主站和从站组成，主站能够控制总线，当主站获得总线控制权后，可以主动发送信息。从站通常为传感器、执行器、驱动器和变送器。它们可以接收信号并给予响应，但没有控制总线的权力。当主站发出请求时，从站回送给主站相应的信息。PROFIBUS除了支持这种主从模式外，还支持多主多从的模式。PROFIBUS协议以ISO/OSI参考模型为基础，第1层为物理层，定义了物理的传输特性；第2层为数据链路层；第3～6层PROFIBUS未使用；第7层为应用层，定义了应用的功能。这种简化的结构确保了PROFIBUS-DP的快速、高效的数据传输。PROFIBUS有三种协议：PROFI