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5PROFIBUS-DP现场总线•PROFIBUS（PROCESSFIELDBUS的缩写）是由Siemens等公司组织开发的一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准。先后成为德国和欧洲的现场总线标准（DIN19245和EN50170），并于2000年成为IEC61158国际现场总线标准之一，2001年成为我国的机械行业标准JB/T10308.3-2001。•1995年成立了PROFIBUS用户组织，该组织遍布世界各地。1997年我国成立了PROFIBUS专业委员会CPO（ChinesePROFIBUSUserOrganization）。•PROFIBUS由以下三个兼容部分组成。•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12Mbps，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传输方式。5.1PROFIBUS概述•它的设计旨在用于设备一级的高速数据传输。在这一级，中央控制器（如PLC/PC）通过高速串行线同分散的现场设备（如I/O、驱动器、阀门等）进行通信，同这些分散的设备进行数据交换多数是周期性的。•PROFIBUS-PA：对于安全性要求较高的场合，制定了PROFIBUS-PA协议，这由DIN19245的第四部分描述。PA具有本质安全特性，它实现了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，在现场设备的规划、敷设电缆、调试、投入运行和维修等方面可节约成本40%之多，并大大提高了系统功能和安全可靠性，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。•PROFIBUS-FMS：它的设计是旨在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。•为了满足苛刻的实时要求，PROFIBUS协议具有如下特点：（1）不支持长信息段235B（实际最大长度为255B，数据最大长度244B，典型长度120B）。（2）不支持短信息组块功能。由许多短信息组成的长信息包不符合短信息的要求，因此，PROFIBUS不提供这一功能（实际使用中可通过应用层或用户层的制定或扩展来克服这一约束）。（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。这对小系统（如传感器等）尤其重要。（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，如对屏蔽双绞线，单段长度小于或等于1.2km，不带中继器，每段32个站点。（网络规模：双绞线，最大长度9.6km；光纤，最大长度90km；最大站数，127个）（8）传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9.6kbps到12Mbps不等。（9）在传输时，使用半双工，异步，滑差（Slipe）保护同步（无位填充）。（10）报文数据的完整性，用海明距离HD=4，同步滑差检查和特殊序列，以避免数据的丢失和增加。（11）地址定义范围为：0~127（对广播和群播而言，127是全局地址），对区域地址、段地址的服务存取地址（服务存取点LSAP）的地址扩展，每个6bit。（12）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）。如果对实时性要求不苛刻，最多可用32个主站，总站数可达127个。（13）总线存取基于混合、分散、集中三种方式：主站间用令牌传输，主站与从站之间用主—从方式。令牌在由主站组成的逻辑令牌环中循环。如果系统中仅有一主站，则不需要令牌传输。这是一个单主站—多从站的系统。最小的系统配置由一个主站和一个从站或两个主站组成。（14）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、电力等其它自动化领域，PROFIBUS的典型应用如图8-32所示。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10ms工厂管理系统MMS,TCP/IPBackbonePROFIBUS-FMSPROFIBUS-DP现场设备远程I/O设备现场设备传感器传动装置变送器PROFIBUS-PA网关CNCPCPCPLSPLCM图8-32PROFIBUS的典型应用5.2PROFIBUS-DP的通信模型•1.PROFIBUS-DP的物理层•PROFIBUS-DP的物理层支持屏蔽双绞线和光纤电缆两种传输介质。（1）DP（RS-485）的物理层•对于屏蔽双绞电缆的基本类型来说，PROFIBUS的物理层（第1层）实现对称的数据传输，符合EIARS-485标准（也称为H2）。一个总线段内的导线是屏蔽双绞电缆，段的两端各有一个终端器，如图8-33所示。DGND(5)RS-485段390Ω220Ω390Ω390Ω220Ω390ΩVP(6)VP(6)DGND(5)…最多32个站AB图8-33RS-485总线段的结构①传输程序•用于PROFIBUSRS-485的传输程序是以半双工、异步、无间隙同步为基础的。数据的发送用NRZ（不归零）编码，即1个字符帧为11位（bit），如图8-34所示。•在传输期间，二进制“1”对应于RXD/TXD-P（Receive/Transmit-Data-P）线上的正电位，而在RXD/TXD-N线上则相反。各报文间的空闲（idle）状态对应于二进制“1”信号，如图8-35所示。b1b2b3b4b5b6b8b7p0位含义20MSB27LSB（“0”或“1”信号）信息位起始（“0”信号）奇偶校验位（“0”或“1”信号）1停止位（“1”信号）LSB最低有效位MSB最高有效位图8-34PROFIBUSUART数据帧②总线连接•国际性的PROFIBUS标准EN50170推荐使用9针D型连接器用于总线站与总线的相互连接。D型连接器的插座与总线站相连接，而D型连接器的插头与总线电缆相连接。•9针D型连接器的针脚分配如表8-11所示。③总线终端器•当总线系统运行的传输速率大于1.5Mbps时，由于所连接站的电容性负载而引起导线反射，因此必须使用附加有轴向电感的总线连接插头，如图8-36所示。二进制信号A导线B导线101110图8-35用NRZ传输时的信号形状引脚号信号名称设计含义1SHIELD屏蔽或功能地24V2M24输出电压的地（辅助电源）3RXD/TXD-P接收/发送数据-正，B线4CNTR-P方向控制信号P5DGND数据基准电位（地）6VP供电电压-正7P24正24V输出电压（辅助电源）8RXD/TXD-N接收/发送数据-负，A线9CMTR-N方向控制信号N表8-119针D型连接器的针脚分配①该类信号是强制性的，它们必须使用。站BAL1110nHBAVP(6)总线驱动器DGND(5)TxD/RxD-N(8)总线导线总线导线TxD/RxD-P(3)390Ω390Ω220ΩL2110nHL4110nHL3110nH图8-36传输速率大于1.5Mbps的连接结构•RS-485总线驱动器可采用SN75176，当通信速率超过1.5Mbps时，应当选用高速型总线驱动器，如SN75ALS1176等。（2）DP（光纤电缆）的物理层•PROFIBUS第1层的另一种类型是以PNO（PROFIBUS用户组织）的导则“用于PROFIBUS的光纤传输技术，版本1.1，1993年7月版”为基础的，它通过光纤导体中光的传输来传送数据。光纤电缆允许PROFIBUS系统站之间的距离最大到15km。•2.PROFIBUS-DP的数据链路层（FDL）•根据OSI参考模型，数据链路层规定总线存取控制、数据安全性以及传输协议和报文的处理。在PROFIBUS-DP中，数据链路层（第2层）称为FDL层（现场总线数据链路层）。•3.PROFIBUS-DP的用户层•用户层包括DDLM和用户接口/用户等，它们在通信中实现各种应用功能。5.3PROFIBUS-DP的总线设备类型•PROFIBUS-DP协议是为自动化制造工厂中分散的I/O设备和现场设备所需要的高速数据通信而设计的。典型的DP配置是单主站结构，如图8-37所示。DP从站(被动站)DP主站(1类)令牌总线图8-37DP单主站结构•DP主站与DP从站间的一个报文循环由DP主站发出的请求帧（轮询报文）和由DP从站返回的有关应答或响应帧组成。•1．DP主站（1类）•1类DP主站循环地与DP从站交换用户数据。•2．DP从站•DP从站只与装载此从站的参数并组态它的DP主站交换用户数据。DP从站可以向此主站报告本地诊断中断和过程中断。•3．DP主站（2类）•2类DP从站是编程装置，诊断和管理设备。•4．DP组合设备•可以将1类DP主站、2类DP主站和DP从站组合在一个硬件模块中形成一个DP组合设备。实际上，这样的设备是很常见的。5.4设备数据库文件（GSD）•对一种设备类型的特性GSD以一种准确定义的格式给出其全面而明确的描述。GSD文件由生产厂商分别针对每一种设备类型准备并以设备数据库清单的形式提供给用户，这种明确定义的文件格式便于读出任何一种PROFIBUS-DP设备的设备数据库文件，并用在组态总线系统时自动使用这些信息。•GSD分为以下三部分。（1）总体说明•包括厂商和设备名称、软硬件版本情况、支持的波特率、可能的监控时间间隔及总线插头的信号分配。（2）DP主设备相关规格•包括所有只适用于DP主设备的参数（例如可连接的从设备的最多参数或加载和卸载能力）。从设备没有这些规定。•（3）从设备的相关规格6PROFIBUS-DP通信网络•包括与从设备有关的所有规定（例如I/O通道的数量和类型、诊断测试的规格及I/O数据的一致性信息）。•所有PROFIBUS-DP设备的GSD文件均按PROFIBUS标准进行了符合性试验，在PROFIBUS用户组织的网站中有GSD库。•厂商必须为每种DP从设备类型和每种1类DP主设备类型向PROFIBUS用户组织申请标识号，各地区办事处均可领取申请表格。•PROFRIBUS-DP协议的实现有两种方式：一种通过软件实现，原则上只要微处理器或微控制器配有内部或外部的异步串行通信接口（UART），PROFIBUS-DP协议在任何微处理器或微控制器上都可以实现。但是，如果协议的传输速率超过500kbps时，则应当使用ASIC通信控制器。6.1PROFIBUS-DP从站和主站的实现•采用何种方式，主要取决于现场设备的复杂程度、需要的性能和功能。•1.简单DP从站的实现•这是最简单的协议实现方式。在单片中包括了协议的全部功能，不需要任何微处理器或软件，只需外加总线接口驱动装置、晶振和电力电子。如西门子的SPM2ASIC或Delta-t的IXI芯片，使用这些ASIC芯片只受I/O数据位数多少的限制。•2.智能化DP从站的实现•在这个方式中，PROFIBUS协议的关键时间部分由协议芯片实现，其余部分由微控制器的软件完成。目前所提供的智能化从站设备所用通信控制器有Siemens公司的SPC3和SPC4，Delta-t公司的IXI和IAM公司的PBS。这些ASIC芯片提供的接口是通用性的，可以与8位或16位微处理器和微控制器直接连接。MOTOROLA及其它公司还提供了微处理器内集成PROFIBUS-DP协议的芯片。•3.复杂DP主站的实现•在这个方式中，PROFIBUS-DP协议的关键部分由通信控制器实现，其余部分由微处理器或微控制器的软件完成。•目前主站通信控制器有Siemens公司的ASPC2，Delta-t公司的IXI和IAM公司的PBM，这些芯片均可以与各种通用的微处理器和微控制器接口。•1.SPC3功能简介