profibusdp现场总线通信网络及应用系统

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2000IEC61158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。1995PROFIBUS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1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2

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3

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4

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。5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61.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。

5.2PROFIBUS-DP的通信模型

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7①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8②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9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。

10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11RS-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。12PROFIBUS-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。5.3PROFIBUS-DP的总线设备类型

DP从站(被动站)DP主站(1类)令牌总线图8-37DP单主站结构13DP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。14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5.4设备数据库文件（GSD）

15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。

6PROFIBUS-DP通信网络

6.1PROFIBUS-DP从站和主站的实现

16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。17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SPC3为PROFIBUS智能从站提供了廉价的配置方案，与SPC2相比，SPC3存储器内部管理和组织有所改进，并支持PROFIBUS-DP。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。

6.2从站通信控制器SPC3

18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。任何时候状态寄存器都能监视MAC的状态。各种事件（诊断、错误等）都能进入中断寄存器，通过屏蔽寄存器使能，然后通过响应寄存器响应。SPC3有一个共同的中断输出。看门狗定时器有3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（IdleTimer）直接控制串行总线的时序。2.SPC3引脚介绍SPC3为44引脚PQFP封装，引脚说明如表8-12所示。19表8-12SPC3引脚说明

20表8-12SPC3引脚说明（续1）21表8-12SPC3引脚说明（续2）

注意：1）所有以X开头的信号低电平有效2）VDD=+5V，VSS=GND223.PROFIBUS-DP的RS-485传输接口电路PROFIBUS接口数据通过RS-485传输，SPC3通过RTS、TXD、RXD引脚与电流隔离接口驱动器相连。PROFIBUS-DP的RS-485传输接口电路如图8-38所示。PROFIBUS接口是一带有下列引脚的9针D型接插件，引脚定义如下：引脚1：Free引脚2：Free引脚3：B线引脚4：请求发送（RTS）引脚5：5V地（M5）引脚6：5V电源（P5）引脚7：Free引脚8：A线引脚9：Free必须使用屏蔽线连接接插件，根据DIN19245,Freepin可选用。如果使用，必须符合DIN192453标准。23图8-38PROFIBUS-DP的RS-485传输接口电路

2MMM2M2M2M2P52M0.01μF0.01μFP52P52P5P5100kΩ100kΩ300Ω300Ω680Ω×2300Ω&20kΩMM680Ω1.2kΩ0.01μF2P5P52P52P5SPC3/ASPC2HCPL-0601HCPL-7721HCPL-772174HC13265ALS11760.01μFRTSCTSTXDRXD12347658124658124658373712465837A线B线2M2P54RTS8312567924在图8-38中，M、2M为不同的电源地，P5、2P5为两组不共地的＋5V电源。74HC132为施密特与非门。4.PROFIBUS-DP从站的状态机制PROFIBUS-DP从站的状态机制很好地说明了DP从站是如何工作的。（1）Power_On（通电）仅在Power_On状态，从站接收二类主站的Set_Slave_Add报文以改变从站地址，从站应具有非易失性存储器从站存储地址。（2）Wait_Prm（等待参数化）内部启动后，从站期望一参数化报文或Get_Cfg报文。此时，从站排斥其它形式的报文或拒绝处理，此时数据通信不能进行。参数化报文至少含有根据标准要求的信息（如标识号、同步、锁定能力等），此外，它还含有与用户有关的参数数据并由用户定义这些数据。（3）Wait_Cfg（等待组态）组态报文中规定输入输出字节数，在每次报文循环中，主站告知从站有多少I/O字节要交换。此外，可应用Get_Cfg25报文使每一主站扫描任一从站的组态数据。从站在任何状态都能接收Get_Cfg报文。（4）Data_Exchange(数据交换)当参数化和组态已被接收时，主站会对从站进行再次诊断，确保它对从站的参数化和组态是正确无误的，然后进入数据交换阶段，此时，从站能接收以下报文：Data_Exchange，Read_Inputs，Read_Outputs，Slave_Diag，Chk_Cfg，Set_Prm，Get_Cfg，Global_Control等。（5）Watchdog（看门狗） 在参数化时，从站接收到看门狗定时器的值，如果总线拥挤而未能触发看门狗，状态机制进入故障安全状态等待参数化。1.ASPC2介绍ASPC2是Siemens公司生产的主站通信控制器，该通信控制器可以完全处理PROFIBUSEN50170的第一层和第二6.3主站通信控制器ASPC2与通信处理器26层，同时ASPC2还为PROFIBUS-DP和使用段耦合器的PROFIBUS-PA提供一个主站。ASPC2通信控制器用作一个DP主站时需要庞大的软件（约64kB），软件使用要有许可证且需要支付费用。如此高度集成的控制芯片可以用于制造业和过程工程中。对于可编程控制器、个人计算机、电机控制器、过程控制系统直至下面的操作员监控系统来说，ASPC2有效地减轻了通信任务。PROFIBUSASIC可用于从站应用，链接低级设备（如：控制器、执行器、测量变送器和分散I/O设备）。2.CP5611通信处理器CP5611是Siemens公司推出的通信处理器，购买时需另附软件使用费。用于工控机连接到PROFIBUS和SIMATICS7的MPI。支持PROFIBUS的主站和从站、PG/OP、S7通信。OPCServer软件包已包含在通信软件供货，但是需要SOFTNET支持。（1）CP5611通信处理器主要特点27不带有微处理器；经济的PROFIBUS接口：①1类PROFIBUS-DP主站或2类SOFTNET-DP进行扩展；②PROFIBUS-DP从站与SOFTNET-DP从站；③带有SOFTNETS7的S7通信。OPC作为标准接口；CP5611是基于PCI总线的PROFIBUS-DP网络接口卡，可以插在PC机及其兼容机的PCI总线插槽上，在PROFIBUS-DP网络中作为主站或从站使用；作为PC机上的编程接口，可使用NCMPC和STEP7软件；作为PC机上的监控接口，可使用WinCC，Fix，组态王，力控等；支持的通信速率最大为12Mbps；设计可用于工业环境。（2）CP5611与从站通信的过程28当CP5611作为网络上的主站时，CP5611通过轮询方式与从站进行通信。这就意味着主站要想和从站通信，首先发送一个请求数据帧，从站得到请求数据帧后，向主站发送一响应帧。请求帧包含主站给从站的输出数据，如果当前没有输出数据，则向从站发送一空帧。从站必须向主站发送响应帧，响应帧包含从站给主站的输入数据，如果没有输入数据，也必须发送一空帧，才完成一次通信。通常按地址增序轮询所有的从站，当与最后一个从站通信完以后，接着再进行下一个周期的通信。这样就保证所有的数据（包括输出数据，输入数据）都是最新的。主要报文有：令牌报文，固定长度没有数据单元的报文，固定长度带数据单元的报文，变数据长度的报文。3．CP5613通信处理器CP5613是Siemens公司推出的基于PCI总线的PROFIBUS-DP网络接口卡，其报价已包括软件使用费，目前，一般使用该通信处理器。用于工控机连接到PROFIBUS，一个PROFIBUS接口，仅支持DP主站、PG/OP、S7通信。OPCServer软件包已包含在通信软件供货。29CP5613通信处理器主要特点：集成微处理器；经由双端口RAM能最快速地访问过程数据；由于减轻主机CPU的负载，工控机的计算性能得以提高；OPC作为标准接口，OPCServer软件包已包含在通信软件的供货范围内；在一个DP循环过程中，保持数据的一致性；依靠即插即用和诊断工具，缩短调试时间；通过等距模式支持，实现运动控制应用；用双端口RAM，易于移植到其它操作系统；可用于高温的工业环境。另外，带有微处理器的通信处理器还有CP5613FO、CP5614、CP5614FO。CP5613FO用于光纤通信，其它特点与CP5613相同。CP5614用于工控机连接到PROFIBUS，两个PROFIBUS接口，支持DP主站和从站、PG/OP、S7通信，OPCServer软件包已包含在通信软件供货。CP5614FO用于光纤通信，其它与CP5614相同。304.CP5511/5512通信处理器用于带有PCMCIA插槽的编程器/便携式PC连接到PROFIBUS和SIMATICS7的MPI。支持PROFIBUS主站和从站、PG/OP、S7通信。OPCServer软件包已包含在通信软件供货，但是需要SOFTNET支持。从站的设计分两种，一种就是利用现成的从站接口模块如IM183、IM184开发，这时只要通过IM183/184上的接口开发就行了。另一种则是利用芯片进行深层次的开发。对于简单的开发如远程IO测控，用LSPM系列就能满足要求，但是如果开发一个比较复杂的智能系统，那么最好选择SPC3，下面介绍采用SPC3进行PROFIBUS-DP从站的开发过程。1.硬件电路7PROFIBUS-DP应用系统7.1PROFIBUS-DP从站的设计31SPC3通过一块内置的1.5KB双口RAM与CPU接口，它支持多种CPU，包括Intel、Siemens、Motorola等。SPC3与AT89S52CPU的接口电路如图8-39所示。图8-39SPC3与AT89S52的接口电路AT89S52SPC374HC04+5V3kΩ×51kΩ×4+5V0.47μF1kΩ光电隔离65ALS1176148MHz驱动器P27P26P25P24P23P22P21P20P07P06P05P04P03P02P01P00ALEWRRDINT0P17AB7AB6AB5AB4AB3AB2AB1AB0DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1

ALEXWRXRDXINTRESET

DB0CLKXCTSVDDXCSMODEXTEST0XTEST1DIVIDERAB8AB9AB10XINT/MOTVSS

CLKOUTXDATAEXCHXREADY/XDTACKRTSTXDRXD32SPC3中双口RAM的地址为1000H~15FFH。2.软件开发SPC3的软件开发难点是在系统初始化时对其64字节的寄存器进行配置，这个工作必须与设备的GSD文件相符，否则将会导致主站对从站的误操作。在开发包4中有SPC3接口单片微控制器的C源代码（KeilC51编译器），用户只要对其做少量改动就可在项目中运用。从站的代码共有四个文件，分别是Userspc3.c、Dps2spc3.c、Intspc3.c、Spc3dps2.h，其中Userspc3.c是用户接口代码，所有的工作就是找到标有example的地方将用户自己的代码放进去，其它接口函数源文件和中断源文件都不必改。1.PROFIBUS-DP从站智能测控节点的系统结构PROFIBUS-DP从站智能测控节点的系统结构如图8-40所示。7.2PROFIBUS-DP从站智能测控节点的系统设计33下面以FBPRO-8DI八路隔离型数字量输入智能节点和FBPRO-4MV四通道隔离型毫伏信号输入智能节点为例介绍PROFIBUS-DP从站智能测控节点系统设计。2.FBPRO-8DI八路隔离型数字量输入智能节点的系统设计（1）硬件结构FBPRO-8DI八路数字量输入智能节点的硬件框图如图8-41所示。在该智能节点的设计中，读取数字量输入的口地址为0DFFFH，SPC3的起始地址为1000H，设定智能节点从站地址号的口地址为7FFFH。工业现场传感器变送器执行器通信控制器DIP设定开关RS-485驱动器DC/DC电源模块+5V(其它所需电源)+24VGNDPROFIBUS-DP

总线信号处理光电隔离微控制器串行E2PROM+WDT图8-40PROFIBUS-DP从站智能测控节点结构图

34图8-41FBPRO-8DI智能节点的硬件框图E2PROM+WDT驱动器译码DIP设定开关1P89C51RD2+5V10kΩ22pF×216MHz+5V74HC245SPC374HC24565ALS1176R1+5V10kΩVD1A13X5045ABGDIR译码ALEP16P10~P13RSTRTSRDWRAD7~0A15~8INT0P17XTAL1XTAL2TXDRXD