现场总线技术第三章-PROFIBUS-总线(第3版)课件.ppt
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1、 第三章 PROFIBUS PROFIBUS 现场总线现场总线o3.1 PROFIBUS的通信模型和协议类型o3.2 PROFIBUS的数据传输和拓扑结构o3.3 PROFIBUS的总线存取控制机制o3.4 PROFIBUS-DP技术简介o3.5 PROFIBUS-PA技术简介o3.6 PROFIBUS-FMS技术简介o3.7 PROFIBUS的应用PROFIBUS概述oPROFlBUS PROFlBUS(Process Fieldbus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、电力等自动化领域。o PROFIBUS
2、技术的发展历程技术的发展历程o1987年由德国SIEMENS公司等13家企业和5家研究机构联合开发;o1989年成为德国工业标准DIN19245;o1996年成为欧洲标准EN50170V.2(PROFIBUS-FMS-DP);o1998年PROFIBUS-PA被纳入EN50170V.2;o1999年PROFIBUS成为国际标准IEC61158的组成部分(TYPEIII);o2001年成为中国的机械行业标准JB/T10308-3-2001。3.1 PROFIBUS的通信模型和协议类型o oPROFIBUSPROFIBUS通信模型通信模型pPROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型的第1
3、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。pPROFIBUSDP和PROFIBUSFMS的第1层和第2层相同,PROFIBUS-FMS有第7层,PROFIBUSDP无第7层。PROFIBUSPA有第1层和第2层,但与DP/FMS有区别,无第7层。oPROFIBUSPROFIBUS通信模型通信模型o PROFIBUSPROFIBUS协议类型协议类型o三个兼容部分三个兼容部分o1.PROFIBUS-DP1.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
4、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。o2 2.PROFIBUS-PROFIBUS-PAPA: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。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。o3.PROFIBUS-FMS:3.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
5、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)。可用于大范围和复杂的通信系统。PROFIBUS PROFIBUS 协议的特点协议的特点o1)1)不支持长信息段不支持长信息段235B235Bo2)2)不支持短信息组块功能不支持短信息组块功能o3)3)本规范不提供由网络层支持运行的功能本规范不提供由网络层支持运行的功能o4)4)除规定的最小组态外,根据应用需求可以建立任意的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。服务子集。o5)5)其他功能是可选的
6、,如口令保护方法等。其他功能是可选的,如口令保护方法等。o6)6)网络拓扑是总线形,两端带终端器或不带终端器。网络拓扑是总线形,两端带终端器或不带终端器。o7)7)介质、距离、站点数取决于信号特性。介质、距离、站点数取决于信号特性。o8)8)传输速率取决于网络拓扑和总线长度,从传输速率取决于网络拓扑和总线长度,从9.6kbit/s9.6kbit/s到到l2Mbit/sl2Mbit/s不等。不等。o9)9)可选第二种介质可选第二种介质 (冗余冗余)。o10)10)在传输时,使用半双工,异步,滑差在传输时,使用半双工,异步,滑差 (Slipe)(Slipe)保护保护同步同步 。o11)11)报文数
7、据的完整性,用海明距离报文数据的完整性,用海明距离 (HD)=4(HD)=4o12)12)地址定义范围为地址定义范围为:0127(:0127(对广播相群播而言,对广播相群播而言,127127是是全局地址全局地址)。o13)13)使用两类站使用两类站:主站主站 (主动站,具有总线存取控制权主动站,具有总线存取控制权)和和从站从站 (被动站,没有总线存取控制权被动站,没有总线存取控制权)。o14)14)总线存取基于混合、分散、集中总线存取基于混合、分散、集中3 3种方式。种方式。o15)15)数据传输服务有两类数据传输服务有两类:o 非循环的非循环的:有有/无应答要求的发送数据无应答要求的发送数据
8、;有应答要求的发送有应答要求的发送和请求数据。和请求数据。o循环的循环的 (轮询轮询):):有应答要求的发送和请求数据。有应答要求的发送和请求数据。3.2 PROFIBUS的数据传输和拓扑结构的数据传输和拓扑结构物理层o1.DP/FMS(RS-485)1.DP/FMS(RS-485)的物理层的物理层o2.DP/FMS(2.DP/FMS(光纤电缆光纤电缆)的物理层的物理层o3.PA3.PA的物理层的物理层一一.用于用于DP/FMSDP/FMS的的RS-485RS-485传输技术传输技术o屏蔽双绞电缆符合屏蔽双绞电缆符合EIA RS-485EIA RS-485标准标准(也称也称H2)H2)o总线段
9、的两端各有一个终端器总线段的两端各有一个终端器o传输速率从传输速率从9.6kbit/s9.6kbit/s到到12Mbit/s12Mbit/s可选可选RS-485总线段的结构 RS485总线段的结构.BA 最多32个站 VP(6)390220390DGND(5)VP(6)390220390DGND(5)RS485段o (1 1)传输程序)传输程序o半双工、异步、无间隙同步半双工、异步、无间隙同步oNRZNRZ(不归零)编码(不归零)编码o“1”RXD/TXD-P1”RXD/TXD-P(Receive/Transmit-Data-PReceive/Transmit-Data-P)线)线上的正电位,
10、而在上的正电位,而在RXD/TXD-NRXD/TXD-N线上则正相反。线上则正相反。o各报文的空闲(各报文的空闲(idleidle)状态对应于二进制)状态对应于二进制“1”1”信号信号oA A线对应于线对应于RXD/TXD-NRXD/TXD-N信号,而信号,而B B线对应于线对应于RXD/TXD-PRXD/TXD-P信信号。号。o (2 2)总线连接)总线连接o国际性的国际性的PROFIBUSPROFIBUS标准标准EN50170EN50170推荐使用推荐使用9 9针针D D型连接器型连接器用于总线站与总线的相互连接(用于总线站与总线的相互连接(9 9针头)。针头)。oD D型连接器的型连接器
11、的插座与总线站插座与总线站相连接,而相连接,而D D型连接器的型连接器的插头插头与总线电缆与总线电缆相连接。相连接。59 48 37 2 6 1连接器外形连接器外形针脚号针脚号信号名称信号名称信号含义信号含义1SHIELD屏蔽或逻辑地屏蔽或逻辑地2M2424V输出电压逻辑地(辅助电源)输出电压逻辑地(辅助电源)3RxD/TxDP接收接收/发送数据正,发送数据正,RS485信号信号B线线4CNTRP方向控制信号方向控制信号P5DGND数据基准电位(逻辑地)数据基准电位(逻辑地)6VP供电电压(正)供电电压(正)7P24+24V输出电压(辅助电源)输出电压(辅助电源)8RxD/TxDN接收接收/发
12、送数据负,发送数据负,RS485信号信号A线线9CMTRN方向控制信号方向控制信号N连接器外壳连接器外壳屏蔽屏蔽机壳接地机壳接地o (3)(3)总线终端器总线终端器o根据根据EIA RS-485EIA RS-485标准,在数据线标准,在数据线A A和和B B两端均加接总线终两端均加接总线终端器。端器。o空闲状态:确定的空闲状态:确定的空闲电位空闲电位。o可以由可以由跳接器跳接器或开关来启动。或开关来启动。o传输速率大于传输速率大于1.5Mbit/s1.5Mbit/s时,由于所连接站的时,由于所连接站的电容性负电容性负载载而引起而引起导线反射导线反射,因此必须使用附加有,因此必须使用附加有轴向电
13、感的总轴向电感的总线连接插头线连接插头。o (4 4)传输技术)传输技术o网络拓扑:线性总线,两端有有源的总线终端电阻;网络拓扑:线性总线,两端有有源的总线终端电阻;o传输速率:传输速率:9.6kbit/s12Mbit/s9.6kbit/s12Mbit/s;o介质:屏蔽双绞电缆,也可取消屏蔽,取决于环境条件介质:屏蔽双绞电缆,也可取消屏蔽,取决于环境条件(EMCEMC););o站点数:每段站点数:每段3232站(无中继),站(无中继),127127站(有中继);站(有中继);o插头连接:插头连接:9 9针针D D型插头型插头o (5)拓扑结构)拓扑结构o 二、用于二、用于PAPA的的IEC61
14、158-2IEC61158-2传输技术传输技术oPROFIBUS-PA采用符合采用符合IECl158-2标准的传输技术。这种标准的传输技术。这种技术确保本质安全并通过总线直接给现场设备供电。技术确保本质安全并通过总线直接给现场设备供电。o(1 1)数据传输)数据传输o非直流传输的位同步、曼彻斯特编码非直流传输的位同步、曼彻斯特编码 (也称也称H1H1编码编码)。o数据的发送采用对总线系统的基本电流数据的发送采用对总线系统的基本电流IBIB调节调节9mA9mA的的方法实现方法实现 。oPROFIBUS-PAPROFIBUS-PA的数据传输的数据传输o(2 2)总线连接)总线连接 (PA PA 总
15、线段的结构)总线段的结构)o (3)拓扑结构)拓扑结构o树型结构树型结构是典型的现场安装技术,现场分配器负责连接是典型的现场安装技术,现场分配器负责连接现场设备与主干总线,所有连接在现场总线上的设备通现场设备与主干总线,所有连接在现场总线上的设备通过现场分配器进行并行切换。过现场分配器进行并行切换。o总线型结构总线型结构:o提供了与供电电路安装类似的沿现场总线电缆的提供了与供电电路安装类似的沿现场总线电缆的连接点,现场总线电缆可通过现场设备连接成回连接点,现场总线电缆可通过现场设备连接成回路,其分支线也可连接一个或多个现场设备。路,其分支线也可连接一个或多个现场设备。o树型与线型的组合结构树型
16、与线型的组合结构:o基于基于IEC61158-2IEC61158-2传输技术总线段与基于传输技术总线段与基于RS485RS485传输传输技术总线段可以通过技术总线段可以通过DP/PADP/PA耦合器或链接器相连,耦合器或链接器相连,耦合器使耦合器使RS485RS485信号和信号和IEC61158-2IEC61158-2信号相适配。信号相适配。o (4 4)IECl158-2IECl158-2传输技术特性传输技术特性o数据传输数据传输:数字式、位同步、曼彻斯特编码数字式、位同步、曼彻斯特编码;o传输速率传输速率:31.25kbit/s:31.25kbit/s,电压式,电压式;o数据可靠性数据可靠
17、性:前同步信号,采用起始和终止界定符避前同步信号,采用起始和终止界定符避免误差免误差;o电缆电缆:双绞线,屏蔽式或非屏蔽式双绞线,屏蔽式或非屏蔽式;o远程电源供电远程电源供电:可选附件,通过数据线可选附件,通过数据线;o防爆型防爆型:能进行本征及非本征安全操作能进行本征及非本征安全操作;o拓扑拓扑:总线形或树形,或两者相组合总线形或树形,或两者相组合;o站数站数:每段最多每段最多3232个,总数最多为个,总数最多为126126个个;o中继器中继器:最多可扩展至最多可扩展至4 4台。台。o 三三.光纤传输技术光纤传输技术o DP/FMS(DP/FMS(光纤电缆光纤电缆)的物理层的物理层oPROF
18、IBUSPROFIBUS第第1 1层的另一种类型是通过光纤导体中光的层的另一种类型是通过光纤导体中光的传输来传送数据。传输来传送数据。o站之间的距离最大到站之间的距离最大到15km15km。o用玻璃或塑料纤维制成的光纤电缆可用作传输介质。用玻璃或塑料纤维制成的光纤电缆可用作传输介质。o玻璃光纤能处理的连接距离达到玻璃光纤能处理的连接距离达到15km15km,而塑料光纤只,而塑料光纤只能达到能达到80m80m。o 连接技术连接技术o (1)OLM(1)OLM技术技术 (Optical Link Module(Optical Link Module)o(2)OLP(2)OLP技术技术 (Optic
19、al Link Plug)(Optical Link Plug)o (3 3)集成的光纤电缆连接集成的光纤电缆连接o 使用集成在设备中的光纤接口将使用集成在设备中的光纤接口将PROFIBUSPROFIBUS节点与节点与光纤电缆直接连接。光纤电缆直接连接。o(4 4)OBTOBT(Optical Fiber Bus TerminalOptical Fiber Bus Terminal,光纤总,光纤总线终端)线终端)o 一个不带集成纤维光缆接头的一个不带集成纤维光缆接头的PROFIBUSPROFIBUS站或一个站或一个RS-RS-485485段可以通过段可以通过OBTOBT连接到一个光纤电路。连接
20、到一个光纤电路。3.3 3.3 PROFIBUSPROFIBUS的总线存取控制机制的总线存取控制机制oPROFIBUSPROFIBUS(DPDP、PAPA、FMSFMS)使)使用一致的总线存取控制用一致的总线存取控制机机制。制。o数据链路层规定总线存取控制、数据安全性以及传输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。协议和报文的处理。o在在PROFIBUSPROFIBUS中,中,数据链路数据链路层层(第第2 2层层)称为称为FDLFDL层层 (现场现场总线数据链路层总线数据链路层)。o介质存取控制(介质存取控制(MACMAC,MediumMedium Access Con
21、trol Access Control)具体具体控制数据传输的程序。控制数据传输的程序。o PROFIBUS PROFIBUS的总线存取控制要满足介质控制的两的总线存取控制要满足介质控制的两 个基本要求:个基本要求:(1 1)主站()主站(PLCPLC或或PCPC)间的通信必须使每个总线站在确定间的通信必须使每个总线站在确定的时间内能获得足够的时间处理自己的通信任务。的时间内能获得足够的时间处理自己的通信任务。(2 2)复杂的控制器与简单的分散的过程)复杂的控制器与简单的分散的过程I/OI/O设备(从站)设备(从站)间的数据交换必须快速简单。间的数据交换必须快速简单。oPROFIBUSPROF
22、IBUS在主站间采用令牌传送方式,主站与从站间采在主站间采用令牌传送方式,主站与从站间采用主从方式。用主从方式。l 令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权间内得到总线存取权 (令牌令牌)。l 在在PROFIBUSPROFIBUS中,令牌传递仅在各主站之间进行。中,令牌传递仅在各主站之间进行。l 主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个主主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息。站均可向从站发送或读取信息。PROFIBUS总线存取控制机制总线存取控制机制 3.4 PROFIBUS-DP技术简介oPROFI
23、BUS-DPPROFIBUS-DP用于现场层的高速数据传输。用于现场层的高速数据传输。o主站周期地读取从站的输入信息并周期性地向从站发主站周期地读取从站的输入信息并周期性地向从站发送输出信息,总线循环时间必须要比主站送输出信息,总线循环时间必须要比主站 (PLC)(PLC)程序程序循环时间短,除周期性用户数据传输外,循环时间短,除周期性用户数据传输外,PROFlBUS-DPPROFlBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。诊断和报警处理。l.PROFIBUS-DPl.PROFIBUS-DP的基本功能的基本功能(1)
24、(1)传输技术传输技术o1)RS-4851)RS-485双绞线或光缆双绞线或光缆o2)2)波特率从波特率从9.6kbit/s-l2Mbit/s9.6kbit/s-l2Mbit/s(2)(2)总线存取总线存取o1)1)各主站间为令牌传输,主站与从站间为主各主站间为令牌传输,主站与从站间为主-从传输从传输;o2)2)支持单主或多主系统支持单主或多主系统;o3)3)主主-从设备,总线上最多站点数为从设备,总线上最多站点数为126126(3)(3)功能功能o1)DP主站和DP从站间的循环用户数据传输;o2)各DP从站的动态激活和撤消;o3)DP从站组态的检查;o4)强大的诊断功能,三级诊断信息;o5)
25、输入或输出的同步;o6)通过总线给DP从站赋予地址;o7)通过总线对DP主站(DPM1)进行配置;o8)每个DP从站最大为246字节的输入和输出数据。(4)(4)设备类型设备类型o1)1)第一类第一类DPDP主站主站 (DPMl):(DPMl):可编程控制器,如可编程控制器,如PLCPLC、PCPC等等;o2)2)第二类第二类DPDP主站主站 (DPM2):(DPM2):可编程、可组态、可诊断的设可编程、可组态、可诊断的设备备;o3)DP3)DP从站从站:带二进制或模拟输入、输出的驱动器、阀门带二进制或模拟输入、输出的驱动器、阀门等。等。(5)(5)诊断功能(分为诊断功能(分为3 3类)类)o
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