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文档简介

1、6 PROFIBUS概述内容提要PROFIBUS以其技术的成熟性、完整性和应用的可靠性等诸多优秀表现,使其在现场总线技术领域中成为国际市场上的领导者。是能够全面覆盖工厂自动化和过程自动化应用领域的现场总线,是在世界范围内应用最广泛的现场总线,在中国也是如此。以下三章就以最常用的PROFIBUS为对象,对它的组成、技术实现原理以及应用进行较详细的分析和讲解,以期对现场总线的实质和具体应用有一个概括性的了解。6.1 PROFIBUS的发展6.2 PROFIBUS家族及其应用6.3 PROFIBUS的协议结构6.4 PROFIBUS的行规6.5 PROFIBUS的GSD文件6.6 PROFIBUS的

2、产品认证与版本的发展6.1 PROFIBUS的发展过程现场总线(PROFIBUS)由SIEMENS、ABB、AEG等12家组织(公司)和5家德国研究所共同开发研究。并得到德国政府的大力支持和资助。1993年成为德国国家标准。1996年PROFIBUS(FMS、DP)纳入欧洲现场总线标准(EN50170)。1998年PROFIBUS-PA也纳入了EN50170中。2000年PROFIBUS成为现场总线IEC61158国际标准。2006年10月,被批准为中华人民共和国国家标准(GB/T20540-2006)它是目前中国唯一的现场总线国家标准。PROFIBUS是世界上应用最成功的现场总线之一。到20

3、06年初,它的安装节点已达到1500万个,PI的会员数达到1300多个,数百个制造商和供应商提供数千个PROFIBUS产品。PROFIBUS以其标准的完整性、开放性、透明性,以及不依赖于制造商的公正性,作为应用最成功和最广泛的现场总线代表,正在引领着这场工业自动化技术革命的前进方向。6 PROFIBUS概述6.2 PROFIBUS家族及其应用6.2.1 PROFIBUS家族成员1)PROFIBUS-FMS 是最初的PROFIBUS系统,主要用于车间级智能主站通用的、对等的、面向对象的通信。但由于FMS使用较复杂,成本高,市场占有率低,以及DP可以稳定使用的通信速率越来越快,使PROFIBUS-

4、DP已经能完全取代FMS,所以PI已不再支持FMS的发展。2)PROFIBUS-DP 用于电气自动化和设备自动化中快速的数据交换,它具有设置简单、价格低廉、功能强大等特点。3)PROFIBUS-PA 主要是为过程控制的特殊要求而设计的。它的数据传输和电源共用同一根电缆,可以用于对本质安全有要求或一般过程控制的场合。4)PROFINET 其实PROFINET不属于PROFIBUS的成员,它和PROFIBUS是两种完全不同的技术。PROFINET是作为一种新的总线类型出现的。在IEC61158中,它被列为第10种现场总线标准。它是PI开发的工业以太网技术,所以和PROFIBUS的关系非常紧密。6

5、PROFIBUS概述6.2 PROFIBUS家族及其应用6.2.2 PROFIBUS工业网络及其应用由PROFIBUS组成的工业控制网络如图6-1所示。从现场层到管理层都可以使用相应的PROFIBUS技术作为解决方案来实现其功能。6 PROFIBUS概述6.2 PROFIBUS家族及其应用PROFIBUS不仅有适合于以逻辑顺序控制为主的制造业领域的DP技术,也有适合于控制过程复杂、安全性要求严格的石油、化工等以模拟量为主的过程控制领域的PA技术,而现在的PROFINET更提供了一种适合于从工业企业的最高层到最底层、从一种总线到另一种总线的宽范围的现场总线解决方案。在实际应用中,PROFIBUS

6、-DP的使用量占到PROFIBUS用量的90%,所以DP在PROFIBUS中占有最重要的位置。PROFIBUS的主要应用领域是:汽车制造、石油化工、食品工业、矿山、冶金、包装、运输、造船、装备工业、纺织、交通、制药、烟草和水处理等行业。6 PROFIBUS概述6.3 PROFIBUS的协议结构6.3.1 协议结构PROFIBUS只使用了OSI的第1层、第2层和第7层,另外加上一个用户层。 OSI的36层并没用出现在PROFIBUS中,这些中间层里的必需功能经过简化后,浓缩进了PROFIBUS的数据链路层和应用层中。简化了协议结构,提高了数据传输效率,符合工业自动化实时性高、数据量小等特点的要求

7、。6 PROFIBUS概述6.3 PROFIBUS的协议结构FMS、DP和PA的数据链路层是完全相同的;DP和FMS的物理层均使用RS485/FO(FO 光纤技术),所以它们可以使用同一根电缆进行各自的通信;虽然PA的物理层使用MBP技术,但由于PA也使用DP-V0的基本报文协议,所以DP和PA也可以互相通信;因为FMS的第7层规范只适合于FMS装置,所以FMS不能和DP、PA交换数据。6 PROFIBUS概述6.3 PROFIBUS的协议结构6.3.2 物理层PROFIBUS通信协议中的物理层定义了电气的和机械的特性,这其中包括编码类型和传输标准。PROFIBUS提供了多种不同的传输介质和方

8、法。RS485传输技术 RS485-IS 这是一种支持在本质安全区域中使用的具有快速传输速率的RS485。为了保证安全功能,此接口规范规定所有站点必须遵守一定的电压和电流标准。MBP传输技术 使用固定传输速率31.25kbit/s和Manchester编码的同步传输技术,总线供电、本质安全防爆,此传输技术常用于过程控制自动化领域。4)光纤传输技术 用于有强电磁干扰的环境或远距离的情况。玻璃光纤,特别是单模玻璃光纤,其传输距离可超过15km,塑料光纤的传输距离(一般小于50m)比玻璃光纤短,但其在连接时比玻璃光纤容易,价格也相对便宜。6 PROFIBUS概述6.3 PROFIBUS的协议结构6.

9、3.3 数据链路层数据链路层中包含了对数据传输报文的一般结构描述、安全机制设置以及可能提供的服务。在IEC61158中定义的PROFIBUS传输服务包括:SDA:该服务只在FMS中使用。数据传输给主站或从站,然后必须要发送一个确认信息作为响应。SRD:在一个信息循环内完成数据发送和接收。借助于SRD服务,PROFIBUS-DP把输出数据传送到相应的从站,如果这个从站有输入数据,则作为响应,从站把输入数据传送回主站;如果这个从站是个纯输出装置或设备,则它发回一个短报文“0 xE5作为确认报文。SDN:用于广播传送和多点传送的报文中。用于把数据送往指定的一组从站或全体从站,对SDN服务,没有响应报

10、文。6 PROFIBUS概述6.3 PROFIBUS的协议结构PROFIBUS数据链路层报文的一般结构如下:其中:SD:报头;SDr:重复SD。LE:数据长度;LEr:重复LE。DA:目标地址。SA:源地址。FC:功能码。FCS:帧校验序列。ED:报尾,固定为0 x16。报文的种类有下列几种:SD1=0 x10,用于请求FDL状态,寻找一个新的活动的站点,报文长度固定,没有数据单元。SD2=0 x68,用于SRD服务,报文中有不同的数据长度。6 PROFIBUS概述6.3 PROFIBUS的协议结构SD3=0 xA2,数据单元长度固定(总为8字节)的报文。SD4=0 xDC,托肯报文,用于2个

11、主站之间发送总线通道授权。PROFIBUS数据链路层的报文格式提供高等级的传输安全性,所有报文具有有海明距离等于4的保证,可以检查出最多3个同时出错的位。功能码FC字节用来说明报文的性质、站的类型和状态,以及在请求和响应情况下报文的功能。FC字节的含义如下:6 PROFIBUS概述6.3 PROFIBUS的协议结构6.3.4 应用层现场总线应用层(FAL)为用户程序提供访问现场总线通信环境的手段。FAL的服务和协议由包含在应用进程中的应用实体(AE)来提供,而AE由一组面向对象的应用服务元素(ASE)和管理AE的层管理实体LME所组成。这些服务从应用的角度规定了如何发出请求和响应,其目的在于支

12、持用户、功能块和管理应用。在现场总线环境下,一个应用可以划分为一组组件,并分布于网络上的若干设备中,每个组件都称为现场总线的一个应用进程(AP)。AP可以与其它AP进行必要的交互,以达到AP的功能目标。 6 PROFIBUS概述6.3 PROFIBUS的协议结构两个或多个AP之间为了交换信息和协调它们的联合操作而存在的一种合作关系称为应用关系(AR)。AP使用应用关系端点(AREP)进行访问通信,一个或多个AREP是固定的并且被唯一地指定给某个AP,AP提供标识符来寻找这些端点。AR被定义为一组合作的AREP,在两个AP之间可以存在一个或多个AR,每个AR有唯一的AREP组合。PROFIBUS

13、-DP使用不同类型的AR来实现不同的应用功能。6 PROFIBUS概述6.3 PROFIBUS的协议结构PROFIBUS-DP应用层提供了多种AR类型,包括:MS0 包括一个DP主站(1类)的AP与所有有关DP从站的AP之间的应用关系、可选的一个或若干个DP主站(2类)的AP与所有有关DP从站的AP之间的应用关系、可选的一个或若干个DP从站的AP与所有有关DP从站的AP之间的应用关系,用于以下目的:与1类DP主站循环地交换I/O数据;在DP从站之间循环地交换输入数据(DXB);用于参数化、组态和诊断的非循环数据传送(1类DP主站);向一组现场设备非循环地传送命令(1类DP主站);向一组现场设备

14、循环地传送同步报文(1类DP主站);非循环地读I/O数据(2类DP主站);非循环地读组态信息(2类DP主站);非循环地读诊断信息(2类DP主站);非循环地写剩余参数(2类DP主站)。6 PROFIBUS概述6.3 PROFIBUS的协议结构MS1 一个DP主站(1类)的AP与一个有关DP从站的AP之间的面向连接的应用关系,用于以下目的:非循环地读/写变量;非循环地传送报警;上装、下载装载域(LR)数据;调用非面向、面向状态的功能。MS2 一个DP主站(2类)的AP与一个有关DP从站的AP之间的面向连接的应用关系,用于以下目的:非循环地读/写变量;上装、下载装载域(LR)数据;调用非面向、面向状

15、态的功能。MS3 一个DP主站的AP与一组有关DP从站的AP之间的无连接的应用关系,用于以下目的:时间的同步。6 PROFIBUS概述6.3 PROFIBUS的协议结构MM1 一台组态设备(2类主站)的AP与一台有关控制设备(1类主站)的AP之间的无连接关系,用于以下目的:上装和下载组态信息;上装诊断信息;激活先前传送的组态。MM2 一台组态设备(2类主站)的AP与一组有关控制设备(1类主站)的AP之间的无连接关系,用于以下目的:激活先前传送的组态。6 PROFIBUS概述6.4 PROFIBUS的行规6.4 PROFIBUS的行规在PROFIBUS现场总线中,使用行规为设备、设备系列或整个系

16、统定义特定的行为特性。行规是一种规定或规范,它对每个总线设备或装置的I/O数据、操作以及功能都进行了清晰的描述和准确的规定,用户可以按照行规中的规定来编制自己的程序等。行规又是独立于任何一个制造商的,它只是为用户和制造商提供了某种一类通信设备的规范。在一条现场总线上,只有那些使用了独立于制造商行规的设备和系统才可保证“互操作性”的实现。PROFIBUS的行规分两大类:系统行规应用行规通用应用行规专用应用行规6 PROFIBUS概述6.4 PROFIBUS的行规PROFIBUS的用户层由应用行规(通用)和(专用)组成,在这些行规中安排了制造商与用户之间基于特定设备应用所约定的规范。另外,跨过若干

17、层的系统模块包括用于设备描述和集成的功能工具(集成技术)及标准范围(即系统行规,包括接口、主站行规等)。系统行规主要服务于统一的标准化系统的实现。6 PROFIBUS概述6.4 PROFIBUS的行规6.4.1 应用行规应用行规主要涉及到现场设备、控制和集成工具,它为制造商开发与行规一致的、可互操作的设备提供规范。PI为多类设备定义了行规,它们都有各自的编号。这些设备包括驱动器、编码器、数字控制器、机器人控制器、人机界面(HMI)、安全及安全诊断设备及系统、过程控制用仪器仪表(温度计、压力变送器、流量计等等)、执行器和控制阀等等。除此之外,新的行规还在不断地制定过程中。6 PROFIBUS概述

18、6.4 PROFIBUS的行规6.4.2 系统行规系统行规更进一步地描述了系统类别,它包含主站功能、标准程序接口可能的功能和集成工具选项(GSD、EDD和DTM)。主站和系统行规充分描述了可供现场设备使用的特定的系统参数。应用行规则可以使用这些系统参数,最大程度地简化它们定义的特性。使用这些行规,设备制造商可以把精力集中在现有的或特定的系统行规上,而系统制造商可以提供这些现有的或特殊应用的设备行规所需要的平台。6 PROFIBUS概述6.4 PROFIBUS的行规6.4.3 几种主要的行规介绍1. PROFIsafePROFIsafe定义了故障安全设备的行规,提供了怎样通过PROFIBUS与故

19、障安全控制器通信的解决方案,从而使系统可以用于对安全性要求苛刻的场合,并达到相关安全标准的要求。PROFIsafe考虑了许多在连续总线通信过程中的各种可能出现的错误,例如延误、数据丢失或重复、错误的顺序、寻址错误或不可靠的数据等。四种信息组成了PROFIsafe安全编码的基础:安全信息的连续编号;输入信息帧的看门狗和其确认信息;发送者和接收者的口令(PASSWORD)编码;在DU中多增加24个字节附加的数据安全信息(CRC)。6 PROFIBUS概述6.4 PROFIBUS的行规PROFIsafe是一种软件解决方案,它使用非循环通信,在通信协议中,它作为用户层上的一个附加层,从而使标准的PRO

20、FIBUS部件保持不变。6 PROFIBUS概述6.4 PROFIBUS的行规2. PROFIBUS中的HART是将HART设备集成到PROFIBUS系统的行规。它结合了PROFIBUS通信机制的优点,而对PROFIBUS协议和服务、PDU(协议数据单元)、状态机制和功能特性等无需做任何改变。HART客户机应用被集成在PROFIBUS主站中,而HART主站被集成在PROFIBUS从站中。在主站和从站的用户层实现兼容HART功能。6 PROFIBUS概述这样的PROFIBUS从站是作为一个多路器,处理与HART设备的通信的。它可以支持若干个HART设备。6.4 PROFIBUS的行规3. PRO

21、FIdrive电气驱动器在制造业自动化中的应用非常广泛,这些驱动器设备包括简单的变频器到高级的动态伺服控制器,PROFIdrive作为一类行规,为PROFIBUS的电气驱动器定义设备通信,以及对驱动器数据的存取程序。根据驱动器使用场合的不同,PROFIdrive把驱动器定义了6种类别,它们覆盖了大多数的应用。PROFIdrive把驱动器设备模型定义为内部共同运行的功能模块,在行规中描述并用它们的功能定义了这些模块的设计目标,驱动器的全部功能都用它的参数来描述。PROFIdrive使用DP-V2作为它的通信协议。6 PROFIBUS概述6.5 PROFIBUS的GSD文件PROFIBUS中的1类

22、主站和所有从站在进行系统组态时,必须知道它们的设备特征和性能,如制造商的名字、该设备支持的波特率、I/O模块情况以及其它必须和可选的特性数据,而这些数据都是写在一个ASCII格式的文件中的,这个文件就是GSD文件。GSD文件称为“标准的设备描述”文件或“通信特性表”,是用许多关键字表示的文本文件。GSD文件的主要作用是:由于各种PROFIBUS设备具有不同的性能特点,设备的特性描述均在GSD文件中具体说明,保存在电子设备数据库中。这样标准化的GSD数据将通信扩大到操作员控制级,使用组态工具可将基于GSD描述的不同厂商生产的设备方便地集成在同一总线系统中,实现PROFIBUS系统组态时的即插即用

23、配置功能。GSD文件是制造商事先写好的,已经固化到相应的设备中。用户可以读GSD文件,但不能对其进行修改。组态软件必须能处理GSD文件,因为在进行系统组态时,对各个设备的认识都是通过GSD文件完成的。GSD文件一般用英语或德语写成。6 PROFIBUS概述6.5 PROFIBUS的GSD文件GSD文件的名字由8个符号组成,前4个是制造商的名字,后4个符号是该设备的ID号,该号不是随便使用的,而是制造商从PROFIBUS用户组织申请来的。如SIEM8027.GSD表示西门子公司的一个PROFIBUS设备,ID号为8027。用户在购买PROFIBUS设备时,供货商一般提供相应设备的GSD文件。GSD文件由三部分组成:一般特性 主要包括制造商的一些信息,如设备名称,GSD版本号,波特率等;主站特性 主要包括与主站有关的参数,如最大能处理的从站数,上载和下载选择等。从站没有该部分内容;从站特性 主要包括所有的从站信息,如I/O通道的数量和类型,诊断功能等,如果该从站为模块类型,则还包括可获得的模块数量和类型。设备制造商在开发总线设备时,需要GSD文件编辑器创建相应的GSD文件。6 PROFIBUS概述6.6 PROFIBUS的产品认证与DP版本的发展6.6.1 产品认证PROFIBUS总线产品中的关键部件是一个应用协议集成电路,该芯片是经过认证的,符

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