第6章 PROFIBUS现场总线

第六章PROFIBUS现场总线6.1PROFIBUS现场总线概述6.2

安装与布线6.3PROFIBUS总线存取协议6.4PROFIBUS行规6.5PROFIBUS-DP/PA/FMS6.6S7-300PLC的PROFIBUS通讯方法6.1PROFIBUS现场总线概述作为众多现场总线家族的成员之一，PROFIBUS是在欧洲工业界得到最广泛应用的一个现场总线标准，也是目前国际上通用的现场总线标准之一。PROFIBUS是属于单元级、现场级的SIMATIC网络，适用于传输中、小量的数据。其开放性可以允许众多的厂商开发各自的符合PROFIBUS协议的产品，这些产品可以连接在同一个PROFIBUS网络上。PROFIBUS是一种电气网络，物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤、无线传输。PROFIBUS技术的发展过程：87年由Siemens公司等13家企业和5家研究机构联合开发；89年批准为德国工业标准DIN19245；96年批准为欧洲标准EN50170V.2；98年PROFIBUS-PA批准纳入EN50170V.2；99年PROFIBUS成为国际标准IEC61158的组成部分（TypeIII）；2001年批准成为中国的行业标准JB/T10308.3-2001PROFIBUS簇PROFIBUS应用领域PROFIBUS-DP：

PROFIBUS-PA：

PROFIBUS-FMS：

主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级设备高速通信。主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。PROFIBUS在工厂自动化系统中的位置一个典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构。基于现场总线PROFIBUS的控制系统是面向现场级与车间级的数字化通信网络，位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级，如下图所示。1.现场设备层：主要功能是连接现场设备，如分散式I/O、传感器、驱动器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制，如一台加工设备控制、一条装配输送线或一条生产线上现场设备之间的连锁控制。主站（PLC、PC机或其它控制器）负责总线通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备生产工艺控制程序存储在主站中，并由主站执行。2.车间监控层：车间级监控用来完成车间主生产设备之间的连接，如一个车间两条生产线主控制器之间的连接,完成车间级设备监控。车间级监控包括生产设备状态在线监控、设备故障报警及维护等。通常还具有诸如生产统计、生产调度等车间级生产管理功能。车间级监控通常要设立车间监控室，有操作员工作站及打印设备。车间级监控网络可采用PROFIBUS-FMS，它是一个多主网，这一级数据传输速度不是最重要的，而是要能够传送大容量信息。3.工厂管理层：车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网，通过交换机、网桥或路由器等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。现场总线PROFIBUS控制系统组成1.一类主站

一类主站指PLC、PC或可做一类主站的控制器，完成总线通信控制与管理。2.二类主站

二类主站指操作员工作站（如PC机加图形监控软件）、编程器、操作员接口等，完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。3.PROFIBUS网络部件

通信介质—屏蔽双绞线、光纤、无线介质总线部件—总线连接器、中继器、耦合器、链路等4.从站

1）PLC（智能型I/O）：PLC可做PROFIBUS上的一个从站。PLC自身具有程序存储功能，其CPU可执行程序并按程序指令驱动I/O。主站可通过通信间接控制从站PLC的I/O。2）分散式I/O（非智能型I/O）：通常由电源部分、通信适配器部分、接线端子部分组成。分散式I/O不具有程序存储和程序执行功能，通信适配器接收主站指令，按主站指令驱动I/O，并将I/O输入及故障诊断等信息返回给主站。通常分散型I/O是由主站统一编址，这样在主站编程时使用分散式I/O与使用主站的I/O没有什么区别。3）驱动器、传感器、执行机构等现场设备：即带PROFIBUS接口的现场设备，可由主站在线完成系统配置、参数修改、数据交换等功能。现场总线PROFIBUS控制系统配置一、根据现场设备是否具备PROFIBUS接口分为三种形式:1.总线接口型:现场设备不具备PROFIBUS接口，采用分散式I/O作为总线接口与现场设备连接。这种形式在应用现场总线技术初期容易推广。采用分散式I/O作为总线接口与现场设备连接2.单一总线型:现场设备都具备PROFIBUS接口。这种一种理想情况，可使用现场总线技术，实现完全的分布式结构，可充分获得这一先进技术所带来的利益。新建项目可能具有这种条件，就目前来看，这种方案设备成本会较高。3.混合型：现场设备部分具备PROFIBUS接口，这时应采用分散式I/O与PROFIBUS现场设备混合使用的办法。无论是旧设备改造还是新建项目，希望全部使用具备PROFIBUS接口现场设备的场合可能不多，分散式I/O可作为通用的现场总线接口，是一种灵活的集成方案。根据实际应用需要的几种系统结构类型根据实际需要及经费情况，通常有如下几种结构类型：

1）结构类型1:以PLC或控制器做一类主站，不设监控站，但调试阶段配置一台编程设备。这种结构类型，PLC或控制器完成总线通信管理、从站数据读写、从站远程参数化工作。2）结构类型2:以PLC或控制器做一类主站，监控站通过串口与PLC一对一的连接。这种结构类型，监控站不在PROFIBUS网上，不是二类主站，不能直接读取从站数据和完成远程参数化工作。监控站所需的从站数据只能从PLC或控制器中读取。3）结构类型3:以PLC或其它控制器做一类主站，监控站连接PROFIBUS总线上。这种结构类型，监控站在PROFIBUS网上作为二类主站，可完成远程编程、参数化及在线监控功能。4）结构类型4:使用PC机加PROFIBUS网卡做一类主站，监控站与一类主站一体化，这是一个低成本方案。对于这种结构类型，PC机故障将导致整个系统将瘫痪，所以PC机应选用具有高可靠性、能长时间连续运行的工业级PC机。另外，通信模板厂商通常只提供一个模板的驱动程序，总线控制程序、从站控制程序、监控程序可能要由用户开发，因此应用开发工作量可能会比较大。5）结构类型5:坚固式PC机+PROFIBUS网卡+SOFTPLC的结构形式。如果方案4中PC机换成一台坚固式PC机（COMOPACTCOMPUTER），系统可靠性将大大增强，足以使用户信服。但这是一台监控站与一类主站一体化控制器工作站，要求它的软件完成图中所标功能。6）结构类型6:使用两级网络结构，这种方案充分考虑了未来扩展的需要，比如要增加几条生产线即要扩展几条DP网络、车间监控要增加几个监控站等，都可以方便地进行扩展。PROFIBUS协议符合ISO/OSI的开放系统参考模型6.2安装与布线

一、PA的IEC1158-2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。它是一种同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1。二、DP/FMS的RS-485传输技术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。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，因此这两套系统可在同一根电缆上同时操作。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所示。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。RS-485传输的数据位顺序用于PROFIBUS的RS-485程序是以半双工、异步、无间隙同步为基础的。三、光纤传输技术PROFIBUS系统中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信号转换成光纤或将光纤信号转换成RS-485信号。冗余性提高了系统的可靠性6.3PROFIBUS总线存取协议3种PRIFIBUS均使用一致的总线存取协议，该协议是通过OSI参考模型的第2层（数据链路层）来实现的，它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。在PROFIBUS中，第2层称为现场总线数据链路层（FDL）。介质存取控制（MAC）具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。PROFIBUS协议的设计要满足介质控制的2个基本要求：1）在复杂的自动化系统（主站）间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务；2）在主站和从站间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。因此，PROFIBUS总线存取协议，主站之间采用令牌传输方式，主站与从站之间采用主从方式。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（令牌）。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。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。因此，可能有以下3种系统配置：纯主-从系统；纯主-主系统；混合系统。总线访问协议的特征PROFIBUS总线访问协议（FDL）的特点令牌调度原理PROFIBUS报文格式数据链路层提供的数据服务服务存取点6.4PROFIBUS行规OSI参考模型的应用层提供用户需要的各种通信服务。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。行规定义的优点PROFIBUS-DP行规概述PROFIBUS-FMS行规的概述PROFIBUS-PA行规的概述6.5PROFIBUS-DP/PA/FMS

PROFIBUS-DP用于设备级的高速数据传送，中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通信。6.5.1PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP定义的三种设备类型DP-1类主设备（DPM1）中央控制器，它与分散的I/O设备（DP-从）交换数据；允许若干个DPM1，典型的设备是PLC、PC。DP-2类主设备（DPM2）组态、监视或工程工具，它被用来设定网络或参数/监视DP-从设备。DP-从设备直接连接I/O信号的外围设备；典型的设备是输入、输出、驱动器、阀、操作面板等等。系统配置PROFIBUS-DP用户数据交换的原理信息循环时间的计算PROFIBUS-DP单主系统的典型循环时间PROFIBUS-DP基本功能中央控制器周期地读取从设备的输入信息并周期地向从设备发送输出信息，总线循环时间必须要比中央控制的程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供了强有力的诊断和配置功能，数据通信是由主机和从机进行监控的。一、通信通信模式：1）点对点（用户数据传输）或广播（控制指令）2）循环主-从用户数据传输和非循环主-主数据传输用户数据在一类主站和有关DP从站之间的传输由一类主站按照确定的递归顺序自动执行，在对总体系统进行配置时，用户对从站与一类主站的关系下定义并确定哪些从站被纳入信息交换的循环周期，哪些被排除在外。DP主站和DP从站间的数据传输参数化阶段：从站由DP主站用现行总线参数、监控时间和从站的特定参数进行参数化。组态阶段：DP主站对DP从站所需要的配置和现行的配置进行比较。用户数据传输阶段：在参数化和组态成功后，DP从站改变其状态进入用户数据交换阶段。在此阶段，从站的参数化能被更改，而不必中断数据传输。在这三个阶段中，都可以附加诊断数据和控制命令的传输。主-主之间的数据通信功能含义DPM1DPM2取得主站诊断数据读取DPM1的诊断数据或从站的所有诊断数据MO加载-卸载组合（开始，加载/卸载，结束）加载或卸载DPM1及有关DP从站的全部配置参数OO激活参数（广播）同时激活所有已编址的DPM1的总线参数OO激活参数激活已编址的DPM1的参数或改变其操作状态OOM：强制性功能；O：可选功能这些功能可使配置和诊断设备通过总线对系统进行配置组态。控制命令除与用户数据传输有关的站以外，DP-主站可以发送控制命令给一个、一组或全部DP-从站。这些控制命令设计为全局控制（Global-Controls）。它们是：输入同步（锁定模式）输出同步（同步模式）输出清除进入失效安全状态（清除模式）二、诊断三、系统行为PROFIBUS-DP扩展功能DP扩展功能允许非循环的读写功能并中断并行于循环数据传输的应答。另外，对从站参数和测量值的非循环存取可用于某些诊断或操作员站（二类主机，DPM2）。有了这些扩展功能，PROFIBUS-DP可满足某些复杂设备的要求，例如过程自动化的现场设备、智能化操作设备和变频器等，这些设备的参数往往在运行期间才能确定，而且与循环性测量值相比很少有变化。因此，与高速周期性用户数据传输相比，这些参数的传输具有低优先级。PROFIBUS-DP设备的GSD文件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商来说均各有差别，为达到PRIFIBUS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