第六讲-PROFIBUS现场总线2

第六讲PROFIBUS现场总线6.1PROFIBUS概述•ProcessFieldbus的缩写，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；•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发展历程•1987年由德国西门子公司等12家组织（公司）和5家德国研究所联合开发•1989年，发布第一个草案，德国标准DIN19245的第1部分和第2部分，定义为PROFIBUS-FMS，1993年发布定义为PROFIBUS-DP的第3部分。•1996年成为欧洲标准EN50170V.2•1998年PROFIBUS-PA也纳入EN50170V.2•1999年PROFIBUS成为IEC61158的组成部分（TypeIII）•2001年成为中国的机械行业标准JB/T10308.3-2001•2006年成为中国国家标准GB/T20540-2006•PROFIBUS由三个兼容部分组成–PROFIBUS-DP–DecentralizedPeriphery.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。DP的基础版本是DP-V0，扩展版本是DP-V1和DP-V2，DP-V1用于第一类主站和从站之间的循环数据交换，DP-V2用于高速机高精度的运动控制，用于等时同步及从站之间的通信–PROFIBUS-PA–ProcessAutomation.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。–PROFIBUS-FMS–FieldbusMessageSpecification.用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。通信透明从传感器／执行器到区域控制器CNC区域控制器Ethernet/TCP/IPTCP/IP/EthernetPROFIBUS-FMSPROFIBUS-DPPROFIBUS-PA工厂级总线循环时间1000ms车间级总线循环时间100ms现场级总线循环时间10msPC/VMEVME/PCPLCDCSPROFIBUS的优势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产品范围分散的I/O二进制I/O模拟I/O调节器计时器计数器识别系统网关AS-Interface各种专用网络工具组态总线监视器工程主机接口VAX计算机VME计算机网络部件中继器光纤电缆驱动器ACDrivesDCDrives控制器PLC/NC/RCVME,PC工作站软件驱动程序DOS/Windows/NT/95OS9/VRTXVxWorks/PSOS+OS2,QNXUNIX/VMS服务开发支持实施支持培训HMI（人机界面）操作面板文本显示阀气动阀电磁阀仪器仪表液位流量压力温度PROFIBUS已经有广泛的应用•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水泥生产聚合物存储胶制品生产酿酒汽车制造污水处理装瓶工厂食品生产楼宇自动化PROFIBUS在汽车生产中例如，在Bochum的GM(Opel)工厂欧洲的GM已决定将PROFIBUS作为优选的开放现场总线系统在其所有的欧洲工厂中使用对每个车身，PROFIBUS-DP控制机器人处理2,000多个焊接操作PROFIBUS用在冲压车间，每月处理22,000吨钢材PROFIBUS-DP用在组装线上，每天生产出1,200辆轿车PROFIBUS协议特点•数据最大长度244字节，典型长度120字节•介质、距离、站点数取决于信号特性•传输距离取决于网络拓扑和总线长度•报文完整性，海明距离（HD）=4•地址定义范围为0-127•1类主站、2类主站、从站。每网段最多32个设备，中继器扩展最多126个设备。•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EN50170Volume2DeviceProfilesApplicationProfiles过程自动化PROFIBUS-PAIEC61158-2-总线供电-本质安全6.2PROFIBUS的协议结构工厂自动化PROFIBUS-DPRS485/FO-即插即用-高效、廉价快速通用目的自动化PROFIBUS-FMSRS485/FO-大范围的应用-多主通信通用面向应用PROFIBUS协议符合ISO/OSI的开放系统参考模型PA-行规FMS设备行规IEC接口FMSIEC61158-2用户层Layer(3)-(6)应用层(7)数据链路层(2)物理层(1)未用PAEN50170PROFIBUS导则+行规DPDP-扩充功能现场总线数据链路现场总线信息规范DP-行规RS-485/光纤DP基本功能PROFIBUS的通信参考模型•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。•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:•RS485:用于DP和FMS•IEC1158-2:用于PA•光纤:用于DP和FMS终端终端站1.....站nPROFIBUS-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2ms•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系统主站一个典型的PROFIBUS-DP系统的组成:•一个PLC/PC作为中央控制器•各种外围设备，如:•数字或模拟I/O•AC或DC驱动器•电磁或气动阀•人机界面(HMI)PROFIBUS-DPPLC从站从站从站从站RS485upto12MBit/sPLC基于扩展的PROFIBUS-DP协议和IEC61158-2传输技术适用于代替现今的4...20mA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-PA的特点PA=ProcessAutomation带有PROFIBUS-PA的典型系统配置PROFIBUS-DPRS485upto12MBit/s区域控制器(PLC)工程或HMI工具PROFIBUS-PAIEC1158-2with31.25kBit/sI段合器／链接器变送器H2H1+xxPROFIBUS-FMS的特点:òFMS最佳适用于车间级智能主站间通用的、面向对象的通信òFMS提供一个MMS-功能子集（MMS即ManufacturingMessageSpecification,ISO9506)ò主要应用区域:l大数量的数据传输，例如程序、数据块等等l若干个分散过程部分集成到一个公共过程中l智能站间的通信典型的PROFIBUS-FMS系统主站一个典型的PROFIBUS-FMS系统的组成:•各种智能自动化单元，如:•PC•作为中央控制器的PLC•作为人机界面的HMIPROFIBUS-FMSPLC主站主站主站主站RS485upto12MBit/sPLC6.3PROFIBUS的通信模型6.3.1物理层MBPRS485RS485-IS光纤数据传输数字信号、比特同步曼彻斯特编码数字、差分信号符合RS485，NRZ数字、差分信号符合RS485，NRZ光、数字信号、NRZ传输速率31.25kbit/s9.6k-12Mbit/s9.6k-1.5Mbit/s9.6k-12Mbit/s数据安全性前同步码，出错保护，起始/终止界定符HD=4，奇偶校验比特，起始/终止界定符电缆屏蔽，双绞铜缆屏蔽，双绞铜缆、电缆类型A屏蔽，双绞铜缆、电缆类型A单模/多模玻璃光纤、PCF、塑料MBPRS485RS485-IS光纤远程馈送通过信号线可用(可选)通过附加线可用通过附加线可用通过混合线可用保护类型本质安全EEXia/ib无本质安全EEXib无拓扑带终端器的线型和树型拓扑，组合器带终端器的线型拓扑带终端器的线型拓扑典型的星形和环形拓扑，也可以线型站的数量每段最多32个，每个网络上最多126个不用中继器时每段对多32个，用中继器时最多126个每段最多32个，用中继器最多126个每个网络上最多126个中继器数量最多4个最多9个有信号刷新的中继器最多9个有信号刷新的中继器无限制，有信号刷新(信号的时间延迟)1.DP/FMS（RS485）的物理层（高速H2）依据RS485，异步NRZ传输波特率从9.6kBit/s到12MBit/s，可选双绞屏蔽电缆每段32个站，最多允许126个站距离:12MBit/s=100m;1.5MBit/s=400m;187.5kBit/s=1000m有中继器距离可延长到10公里9针,D型插头PROFIBUS电缆要求-RS485参数电缆类型A电缆设计屏蔽双绞电缆浪涌阻抗135...165欧姆回路电阻110欧姆/km线径0.64mm线截面积0.34mm每单位长度的电容30pF/m波特率（kBit/s）9.619.293.75187.5500150012000线长（m