现场总线技术课件2.ppt

1、 串行通信：参与通信的两台或多台设备通常共享一条物理串行通信：参与通信的两台或多台设备通常共享一条物理通路通路.发送者依次逐位发送一串数据信号发送者依次逐位发送一串数据信号,按一定的约定规按一定的约定规则为接收者所接收则为接收者所接收.数据格式数据格式 连接握手：是指发送方在发送一个数据块之前使用一个特连接握手：是指发送方在发送一个数据块之前使用一个特定的握手信号来引起接收者的注意定的握手信号来引起接收者的注意,表明要发送数据表明要发送数据,接收接收者则通过握手信号回应发送者者则通过握手信号回应发送者,说明它已经做好了接收数说明它已经做好了接收数据的准备据的准备.确认：接收者为表明数据已经收到

2、向发送者回复信息的过确认：接收者为表明数据已经收到向发送者回复信息的过程程 RS232：TXD，RXD，GND，电气特性，电气特性 RS485：二线差分平衡传输：二线差分平衡传输,AA，BB电气特性电气特性 PROFIBUS：（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、电力等其他自动化领域。德国，SIMENS，DP：它的设计旨在用于设备一级的高速数据传输，用于传感器和执行器级的高速数据传输。PA：是PROFIBUS的过程自动化解决方案，将自动化系统和过程控制系统与现场设备，FMS：它的

3、设计是旨在解决车间一级通用性通信任务，可用于大范围和复杂的通信系统。协议结构：DP、FMS、PA 通信模型：物理层（DP、FMS、PA）链路层：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中，数据链路层（第2层）称为FDL层。报文格式：P307DP设备行规基本功能扩展功能 DP用户接口直接数据链路映象程序（DDLM）DP设备行规FMS设备行规应用层接口 （ALI）PA设备行规基本功能扩展功能DP用户接口直接数据链路映象程序（DDLM）应用层现场总线报文规 （FMS）未使用 第7层（应用层）第3-6层 第1层（物理层）数据链路层现场总线数据链路层（FDL）物

4、理层 （RS-485/LWL）IEC1158-2 第2层（数据链路层）IEC接口数据链路层现场总线数据链路层（FDL）物理层 （RS-485/LWL）图1 PROFIBUS的协议结构 VP(6)390220390VP(6)390220390RS-485段BADGND(5)DGND(5)最多32个站图2 RS-485总线段的结构 PROFIBUS的应用层由FMS接口（现场总线报文规范）和LLI接口（低层接口）组成。在不同的应用中，具体需要的功能范围必须与具体应用相适应，这些适应性定义称为行规。行规提供了设备的可互换性，保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能。1PROFIBUS-FMS行规 FM

5、S行规确保由不同制造商生产的同类设备具有同样的通信功能。目前已制定了如下的FMS行规：控制器间的通信（3.002）：此通信行规定义了用于可编程控制（PLC）之间通信的FMS服务。根据控制器的类型，对每台控制器所支持的服务、参数和数据类型作了具体规定。楼宇自动化行规（3.001）：这一行规提供了一个特定的分支和服务，作为楼宇自动化中的公共基础。该行规对楼宇自动化系统使用FMS进行监视、闭环和开环控制、操作控制、报警处理及系统档案管理作了描述。低压开关设备（3.032）：它是一个面向行业的FMS应用行规，它具体说明了通过FMS在通信过程中低压开关设备的应用行为。2PROFIBUS-DP行规 目前已

6、制定了如下的DP行规：NC/RC行规（3.052）：该行规介绍了人们怎样通过PROFIBUS-DP对操作机床和装配机器人进行控制。编码器行规（3.062）：本行规介绍了回转式、转角式和线性编码器与PROFIBUS-DP的连接，这些编码器带有单转或多转分辨率。变速传动行规（3.071）：传动技术设备的主要生产厂商共同制订了PROFIDRIVE行规。操作员控制和过程监视行规（HMI）：HMI行规具体说明了通过PROFIBUS-DP把这些设备与更高一级自动化部件的连接，此行规使用了扩展的PROFIBUS-DP的功能来进行通信。3PROFIBUS-PA行规 PA行规的任务是选用各种类型现场设备真正需要

7、的通信功能，并提供这些设备功能和设备行为的一切必要规范，也包括适用于各种类型设备的组态信息的设备数据单。对所有通用的测量变送器和其他被选类型的设备作了具体规定，这些设备如：压力、液位、温度和流量用测量变送器；数字量输入和输出；模拟量输入和输出；阀门；定位器。每台设备将提供PROFIBUS-PA行规所规定的各项参数。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6-10所示。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。轮询表：P311，输入数据、

8、输出数据 一个DP系统也可能是多主结构。实际上，这就意味着一条总线上连接几个主站节点，在一个总线上DP主站/从站、FMS主站/从站和其他的主动节点或被动节点也可以共存，如图6-12所示。图6-12 PROFIBUS-DP多主站结构 1DP主站（1类）1类DP主站循环地与DP从站交换用户数据。它使用如下的协议功能执行通信任务。（1）Set_Prm和Chk_Cfg在启动、重启动和数据传输阶段，DP主站使用这些功能发送参数集给DP从站。它发送所有参数，而不管它们是不是对整个总线普遍适用或是不是对某些特别重要。对个别DP从站而言，其输入和输出数据的字节数在组态期间进行定义。（2）Data_Exchan

9、ge此功能循环地与指定给它的DP从站进行输入/输出数据交换。（3）Slave_Diag在启动期间或循环的用户数据交换期间，用此功能读取DP从站的诊断信息。（4）Global_ControlDP主站使用此控制命令将它的运行状态告知给各DP从站。此外，还可以将控制命令发送给个别从站或规定的DP从站组，以实现输出数据和输入数据的同步（Sync和Freeze命令）。2DP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。3DP主站（2类）2类DP主站是编程装置、诊断和管理设备。除了已经描述的1类主站的功能外，2类DP主站通常还支持下列特殊功

10、能：（1）RD_Inp和RD_Outp在与1类DP主站进行数据通信的同时，用这些功能可读取DP从站的输入和输出数据。（2）Get_Cfg用此功能读取DP从站的当前组态数据。（3）Set_Slave_Add此功能允许DP主站（2类）分配一个新的总线地址给一个DP从站。当然，此从站是支持这种地址定义方法的。此外，2类DP主站还提供一些功能用于与1类DP主站的通信。4DP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。一些典型的设备组合如下：1类DP主站与2类DP主站的组合DP从站与1类DP主站的组合 1DP通信关系和DP数

11、据交换按PROFIBUS-DP协议，通信作业的发起者称为请求方，而相应的通信伙伴称为响应方。表6-2列出了DP主站和DP从站的通信能力，按请求方和响应方分别列出。表6-2 各类DP设备间的通信关系 功能/服务依据EN 50170DP-从站DP主站（1类）DP主站（2类）使用的SAP号使用的第2层服务RequRespRequRespRequRespData-Exchange MMO缺省SAPSRDRD-Inp MO56SRDRD_Outp MO57SRDSlave_Diag MMO60SRDSet_PrmMMO61SRDChk_Cfg MMO62SRDGet_Cfg MO59SRDGlobal_

12、Control MMO58SDNSet_Slave_AddOO55SRDM_M_CommunicationOOOO54SRD/SDNDPV1 Services OOO51/50SRD注：Requ=请求方，Resp=响应方，M=强制性功能，O=可选功能。2初始化阶段，重启动和用户数据通信在DP主站可以与从站设备交换用户数据之前，DP主站必须定义DP从站的参数并组态此从站。为此，DP主站首先检查DP从站是否在总线上。如果是，则DP主站通过请求从站的诊断数据来检查DP从站的准备情况。当DP从站报告它已准备好参数定义时，则DP主站装载参数集和组态数据。DP主站再请求从站的诊断数据以查明从站是否准备就绪

13、。只有在这些工作完成后，DP主站才开始循环地与DP从站交换用户数据。DP从站初始化阶段的主要顺序如图6-13所示。DP主站DP从站从站诊断请求（Slave_Diag）从站诊断响应从站参数请求(Set_Prm)确认检查组态请求(Chk_Cfg)确认从站诊断请求(Slave_Diag)从站诊断响应DP从站在总线上并准备好参数分配和组态N分配从站参数组态从站DP从站准备好数据交换YN图6-13 DP从站初始化阶段的主要顺序 PROFIBUS设备具有不同的性能特征，特性的不同在于现有功能（即I/O信号的数量和诊断信息）的不同或可能的总线参数，如波特率和时间的监控不同。这些参数对每种设备类型和每家生产厂

14、商来说均各有差别，为达到PROFIBUS简单的即插即用配置，这些特性均在电子数据单中具体说明，有时称为设备数据库文件或GSD文件。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。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台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PROFIBU

15、S-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WWW Server中有GSD库，可自由下载，网址为：http/profibus。1传输技术由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术，这种技术通常称之为H2，采用的电缆是屏蔽双绞线。RS-485传输技术的基本特征有：（1）网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻；（3）介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC）；（4）站点数：每段32个站（不带中继），可多到127个

16、站（带中继）；（5）插头连接：最好使用9针D型插头。2安装要点全部设备均与总线连接，每个分段上最多可接32个站（主站或分段站），每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。电缆最大长度取决于传输速率，如使用A型电缆，则传输速率与电缆长度的关系如表6-3所示。表6-3 传输速率与电缆长度的关系波特率/kbps 9.619.293.75187.5500150012000距离/段/m 1200120012001000400200100 1传输技术 数据IEC1158-2的传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足石油、化工、冶金等行业的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备供

17、电。IEC1158-2传输技术的特性：数据传输：数字式、位同步、曼彻斯特编码；传输速率：31.25kbps，电压式；数据可靠性：前同步信号，采用起始和终止界定符避免误差；电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式；远程电源供电：可选附件，通过数据线；防爆型：能进行本征及非本征安全操作；拓扑：总线形或树形，或两者相组合；站数：每段最多32个，总数最多为126个；中继器：最多可扩展至4台。2安装要点（1）分段耦合器将IEC1158-2传输技术总线段与RS-485传输技术总线段连接。为现场设备的远程电源供电，供电装置可限制IEC1158-2总线的电流和电压。（2）PROFIBUS-PA的网络拓扑有树形和总线形结

18、构，或是两种拓扑的混合。PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体以增加高速传输的距离；可使用两种光纤导体，一种是价格低廉的塑料纤维导体，供距离小于50m情况下使用，另一种是玻璃纤维导体，供距离大于1km情况下使用。许多厂商提供专用总线插头可将RS-485信号转换成光纤信号或将光纤信号转换成RS-485信号。西门子为PLC之间简单高速的数字通信提供用户ASICs。下列的ASICs与微处理器结合可提供智能主站和从站的解决方案。ASPC2已经集成了第二层的大部分功能，但仍需要微处理器。可以支持12Mbaud总线。主要用于复杂的主站设计。SPC3由于集成了全部PROFIBUS_

19、DP协议，有效地减轻了处理器的压力，因此可用于12Mbaud总线。SPC3为PROFIBUS智能从站提供了廉价的配置方案，可支持以下的处理器：Intel：80C31，8086Siemens 80C166/165/167Motorola：HC11，HC16，HC916 SPC3只集成了传输技术的部分功能，而没有集成模拟功能（RS-485驱动器）、FDL（现场总线数据链路Fieldbus Data Link）传输协议。SPC3内部集成了1.5kB的双口RAM作为SPC3与软件/程序的接口。整个RAM被分为192段，每段8字节。用户寻址由内部MS(Microsequencer)通过基址指针（Base

20、-Pointer）来实现。基址指针可位于存储器的任何段。所以，任何缓存都必须位于段首。总线接口是一参数化的8位同步/异步接口，可使用各种Intel和Motorola处理器/微处理器。用户可通过11位地址总线直接访问1.5kB的双口RAM或参数存储器。SPC3内部集成了1.5kB的双口RAM作为SPC3与软件/程序的接口。整个RAM被分为192段，每段8字节。用户寻址由内部MS(Microsequencer)通过基址指针（Base-Pointer）来实现。基址指针可位于存储器的任何段。所以，任何缓存都必须位于段首。总线接口是一参数化的8位同步/异步接口，可使用各种Intel和Motorola处理器/微处理器。用户可通过11位地址总线直接访问1.5kB的双口RAM或参数存储器。处理器上电后，程序参数（站地址、控制位等）必须传送到参数寄存器和方式寄存器。看门狗定时器有三种状态Baud_Search、Baud_Control、Dp_Control。微顺序控制器（MS）控制整个处理过程。程序参数（缓存器指针、缓存器长度、站地址等）和数据缓存器包含在内部1.5kB双口RAM中。在UART中，并行、串行数据相互转换，SPC3能自动调整波特率。空闲定时器（Idle Timer）直接控制串行总线的时序。