1.profibus概貌

(1) profibus是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的標準。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、等其他領(lǐng)域自動化。

(2) profibus由三個兼容部分組成，即profibus-dp（decentralized periphery）、profibus-pa(process automation)、profibus-fms(fieldbus message specification)。

(3) profibus-dp：是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式i/o的通信。使用profibus-dp可取代辦24vdc或4-20ma信號傳輸。

(4) profibus-pa：專為過程自動化設(shè)計，可使和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。

(5) profibus-fms：用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實時多主網(wǎng)絡(luò)。

(7) profibus是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

2. prfibus基本特性

2.1 profibus協(xié)議結(jié)構(gòu)

profibus協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)iso7498國際準，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（open system interconnection-sio）作為參考模型的。該模型共有七層，如下圖1所示：

圖1：profibus協(xié)議結(jié)構(gòu)

(1) profibus-dp：定義了第一、二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細說明了各種不同profibus-dp設(shè)備的設(shè)備行為。

(2) profibus-fms：定義了第一、二、七層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場總線信息規(guī)范（fieldbus message specification-fms）和低層接口（lower layer interface-lli）。fms包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務(wù)。lli協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不依賴設(shè)備的第二層訪問接口。

(3) profibus-pa：pa的數(shù)據(jù)傳輸采用擴展的profibus-dp協(xié)議。另外，pa還描述了現(xiàn)場設(shè)備行為的pa行規(guī)。根據(jù)iec1158-2標準，pa的傳輸技術(shù)可確保其本征安全性，而且可通過總線給現(xiàn)場設(shè)備供電。使用連接器可在dp上擴展pa網(wǎng)絡(luò)。

2.2 profibus傳輸技術(shù)

profibus提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型：

· 用于dp和fms的rs485傳輸。

· 用于pa的iec1158-2傳輸。

· 光纖

2.2.1用于dp/fms的rs485傳輸技術(shù)

由于dp與fms系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因而，這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時操作。

rs-485傳輸是profibus最常用的一種傳輸技術(shù)。這種技術(shù)通常稱之為h2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。

rs-485傳輸技術(shù)基本特征：

· 網(wǎng)絡(luò)拓撲：線性總線，兩端有有源的總線終端電阻。

· 傳輸速率：9.6k bit/s~12m bit/s

· 介質(zhì)：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（emc）。

· 站點數(shù)：每分段32個站（不帶中繼），可多到127個站（帶中繼）。

· 插頭連接：最好使用9針d型插頭。

2.2.2 rs-485傳輸設(shè)備安裝要點

(1) 全部設(shè)備均與總線連接。

(2) 每個分段上最多可接32個站（主站或從站）。

(3) 每段的頭和尾各有一個總線終端電阻，確保操作運行不發(fā)生誤差。兩個總線終端電阻必須永遠有。見圖2所示。

(4) 當分段站超過32個時，必須使用中繼器用以連接各總線段。串聯(lián)的中繼器一般不超過3個。見圖3所示：

圖2：profibud-dp和profibus-fms的電纜接線和總線終端電阻

圖3: 每個分段上最多可接32個站（主站或從站）

(5) 電纜最大長度取決于傳輸速率。如使用a型電纜，則傳輸速率與長度如下表1：

表1

(6) a型電纜參數(shù)：

阻抗：135-165w：〈 30pf/m 回路電阻：110w

線規(guī)：0.64mm 導(dǎo)線面積：>;0.34mmw

(7) rs-485的傳輸技術(shù)的profibus網(wǎng)絡(luò)最好使用9針d型插頭，插頭針腳定義和接線見圖2所示。

(8) 當連接各站時，應(yīng)確保數(shù)據(jù)線不要擰絞，系統(tǒng)在高電磁發(fā)射環(huán)境（如汽車制造業(yè)）下運行應(yīng)使用帶屛蔽的電纜，屏蔽可提高電磁兼容性（emc）。

(9) 如用屏蔽編織線和屏蔽箔，應(yīng)在兩端與保護接地連接，并通過盡可能的大面積屏蔽接線來復(fù)蓋，以保持良好的傳導(dǎo)性。另外建議數(shù)據(jù)線必須與高壓線隔離。www.diangon.com

(10) 超過500kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率時應(yīng)避免使用短截線段，應(yīng)使用市場上現(xiàn)有的插頭可使數(shù)據(jù)輸入和輸出電纜直接與插頭連接，而且總線插頭可在任何時候接通或斷開而并不中斷其它站的數(shù)據(jù)通信。

2.2.3 用于pa的iec1158-2傳輸技術(shù)

(1) 數(shù)據(jù)iec1158-2的傳輸技術(shù)用于profibus-pa，能滿足化工和石油化工業(yè)的要求。它可保持其本征安全性，并通過總線對現(xiàn)場設(shè)備供電。

(2) iec1158-2是一種位同步協(xié)議，通常稱為h1。

(3) iec1158-2技術(shù)用于profibus-pa，其傳輸以下列原理為依據(jù)：

· 每段只有一個電源作為供電裝置。

· 當站收發(fā)信息時，不向總線供電。

· 每站現(xiàn)場設(shè)備所消耗的為常量穩(wěn)態(tài)基本電流。

· 現(xiàn)場設(shè)備其作用如同無源的電流吸收裝置。

· 主總線兩端起無源終端線作用。

· 允許使用線性、樹型和星型網(wǎng)絡(luò)。

· 為提高可靠性，設(shè)計時可采用冗余的總線段。

· 為了調(diào)制的目的，假設(shè)每個總線站至少需用10ma基本電流才能使設(shè)備啟動。通信信號的發(fā)生 是通過發(fā)送設(shè)備的調(diào)制，從±9 ma到基本電流之間。

(4) iec1158-2傳輸技術(shù)特性:

· 數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)字式、位同步、曼徹斯特編碼。

· 傳輸速率：31.25k bit/s，電壓式。

· 數(shù)據(jù)可靠性：前同步信號，采用起始和終止限定符避免誤差。

· 電纜：雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式。

· 遠程電源供電：可選附件，通過數(shù)據(jù)線。

· 防爆型：能進行本征及非本征安全操作。

· 拓撲：線型或樹型，或兩者相結(jié)合。

· 站數(shù)：每段最多32個，總數(shù)最多為126個。

· 中繼器：最多可擴展至4臺。

2.2.4 iec1158傳輸設(shè)備安裝要點(1) 分段藕合器將iec1158-2傳輸技術(shù)總線段與rs-485傳輸技術(shù)總線段連接。藕合器使rs-485信號與iec1158-2信號相適配。它們?yōu)楝F(xiàn)場設(shè)備的遠程電源供電，供電裝置可限制iec1158-2總線的電流和電壓。

(2) profibus-pa的網(wǎng)絡(luò)拓撲有樹型和線型結(jié)構(gòu)，或是兩種拓撲的混合，見圖3

(3) 現(xiàn)場仍繼續(xù)用來連接現(xiàn)場設(shè)備并放置總線終端電阻器。采用樹型結(jié)構(gòu)時連在現(xiàn)場總線分段的全部現(xiàn)場設(shè)備都并聯(lián)地接在現(xiàn)場配電箱上。

(4) 建議使用下列參考電纜，也可使用更粗截面導(dǎo)體的其它電纜。

· 電纜設(shè)計： 雙絞線屏蔽電纜

· 導(dǎo)線面積（額定值）： 0.8mm2(awg18)

· 回路電阻（直流）： 44w/km

· 阻抗（31.25千赫時）： 100w±20%

· 39千赫時衰減： 3db/km

· 電容不平衡度： 2nf/km

(5) 主總線電纜的兩端各有一個無源終端器，內(nèi)有串聯(lián)的rc元件，r=100w，c=1mf。當總線站極性反向連接時，它對總線的功能不會有任何影響。

(6) 連接到一個段上的站數(shù)目最多是32個。如果使用本征安全型及總線供電，站的數(shù)量將進一步受到限制。即使不需要本征安全性，遠程供電裝置電源也要受到限制。

(7) 線路最長長度的確定，根據(jù)經(jīng)驗先計算一下電流的需要，從表2-2中選用一種供電電源單元，再根據(jù)表2-3中線的長度選定哪種電纜。

表2-2標準供電裝置（操作值）

(8) 外接電源：如果外接電源設(shè)備，根據(jù)en50020標準帶有適當?shù)母綦x裝置，將總線供電設(shè)備與外接電源設(shè)備連在本征安全總線上是允許的。

2.2.5 光纖傳輸技術(shù)

(1) profibus系統(tǒng)在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時，可使用光纖導(dǎo)體，以增加高速傳輸?shù)木嚯x。

(2) 可使用兩種光纖導(dǎo)體，一是價格低廉的塑料纖維導(dǎo)體，供距離小于50米情況下使用。另一種是玻璃纖維導(dǎo)體，供距離大于1公里情況下使用。

(3) 許多廠商提供專用總線插頭可將rs-485信號轉(zhuǎn)換成光纖導(dǎo)體信號或?qū)⒐饫w導(dǎo)體信號轉(zhuǎn)換成rs-485信號。 2.2.3 profibus總線存取協(xié)議

(1) 三種profibus（dp、fms、pa）均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過osi參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實現(xiàn)的。它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報文處理。

(2) 在profibus中，第二層稱之為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（fieldbus data bbbb-fdl）。介質(zhì)存取控制（medium access control-mac）具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，mac必須確保在任何一個時刻只有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)。

(3) profibus協(xié)議的設(shè)計要滿足介質(zhì)存取控制的兩個基本要求：

· 在復(fù)雜的自動化系統(tǒng)（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時間間隔中，任何一個站點要有足夠的時間來完成通信任務(wù)。

· 在復(fù)雜的程序控制器和簡單的i/o設(shè)備（從站）間通信，應(yīng)盡可能快速又簡單地完成數(shù)據(jù)的實時傳輸。

因此，profibus總線存取協(xié)議，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。

(4) 令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規(guī)定的時間內(nèi)得到總線存取權(quán)（令牌）。在profibus中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。

(5) 主站得到總線存取令牌時可與從站通信。每個主站均可向從站發(fā)送或讀取信息。因此，可能有以下三種系統(tǒng)配置：

· 純主-從系統(tǒng)

· 純主-主系統(tǒng)

· 混合系統(tǒng)

(6) 圖4是一個由3個主站、7個從站構(gòu)成的profibus系統(tǒng)。3個主站之間構(gòu)成令牌邏輯環(huán)。當某主站得到令牌報文后，該主站可在一定時間內(nèi)執(zhí)行主站工作。在這段時間內(nèi)，它可依照主-從通訊關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主-主通訊關(guān)系表與所有主站通信。

圖4：3個主站、7個從站構(gòu)成的profibus系統(tǒng)

(7) 在總線系統(tǒng)初建時，主站介質(zhì)存取控制mac的任務(wù)是制定總線上的站點分配并建立邏輯環(huán)。在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。

(8) 第二層的另一重要工作任務(wù)是保證數(shù)據(jù)的可靠性。profibus第二層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式可保證數(shù)據(jù)的高度完整性。

(9) profibus第二層按照非連接的模式操作，除提供點對點邏輯數(shù)據(jù)傳輸外，還提供多點通信，其中包括廣播及有選擇廣播功能。

3.profibus-dp

profibus-dp用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。總線循環(huán)時間必須要比主站（）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，profibus-dp還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理。

3.1 profibus-dp的基本功能

(1) 傳輸技術(shù)：rs-485雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從9.6kbit/s到12mbit/s。

(2) 總線存?。焊髦髡鹃g令牌傳遞，主站與從站間為主-從傳送。支持單主或多主系統(tǒng)?？偩€上最多站點（主-從設(shè)備）數(shù)為126。

(3) 通信：點對點（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（控制指令）。循環(huán)主-從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主-主數(shù)據(jù)傳送。

(4) 運行模式：運行、清除、停止。

(5) 同步：控制指令允許輸入和輸出同步。同步模式：輸出同步；鎖定模式：輸入同步。

(6) 功能：dp主站和dp從站間的循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送。各dp從站的動態(tài)激活和可激活。dp從站組態(tài)的檢查。強大的診斷功能，三級診斷信息。輸入或輸出的同步。通過總線給dp從站賦予地址。通過總線對dp主站（dpm1）進行配置。每dp從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為246字節(jié)。

(7) 可靠性和保護機制：所有信息的傳輸按海明距離hd=4進行。dp從站帶看門狗定時器（watchdog timer）。對dp從站的輸入/輸出進行存取保護。dp主站上帶可變定時器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。

(8) 設(shè)備類型：第二類dp主站（dpm2）是可進行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。第一類dp主站（dpm1）是中央可編程序控制器，如plc、pc等。dp從站是帶二進制值或模擬量輸入輸出的驅(qū)動器、閥門等。

3.1.1 profibus-dp基本特征

(1) 速率：在一個有著32個站點的分布系統(tǒng)中，profibus-dp對所有站點傳送512 bit/s輸入和512 bit/s輸出，在12m bit/s時只需1毫秒。

(2) 診斷功能：經(jīng)過擴展的profibus-dp診斷能能對故障進行快速定位。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分三級：

· 本站診斷操作：本站設(shè)備的一般操作狀態(tài)，如溫度過高、壓力過低。

· 模塊診斷操作：一個站點的某具體i/o模塊故障。

· 通道診斷操作：一個單獨輸入/輸出位的故障。

3.1.2 profibus-dp系統(tǒng)配置和設(shè)備類型

profibus-dp允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。在同一總線上最多可連接126個站點。系統(tǒng)配置的描述包括：站數(shù)、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)格式、診斷信息格式及所使用的總線參數(shù)。每個profibus-dp系統(tǒng)可包括以下三種不同類型設(shè)備：

(1) 一級dp主站（dpm1）：一級dp主站是中央控制器，它在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站（如dp從站）交換信息。典型的dpm1如plc或pc。

(2) 二級dp主站（dpm2）：二級dp主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，在dp系統(tǒng)組態(tài)操作時使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。

(3) dp從站：dp從站是進行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備（i/o設(shè)備、驅(qū)動器、、閥門等）。

(4) 單主站系統(tǒng)：在總線系統(tǒng)的運行階段，只有一個活動主站。如圖2-5所示：

圖5：單主站系統(tǒng)

(2) 多主站系統(tǒng)：總線上連有多個主站。這些主站與各自從站構(gòu)成相互獨立的子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)包括一個dpm1、指定的若干從站及可能的dpm2設(shè)備。任何一個主站均可讀取dp從站的輸入/輸出映象，但只有一個dp主站允許對dp從站寫入數(shù)據(jù)。如圖6所示：

圖6：多主站系統(tǒng)

3.1.3 系統(tǒng)行為

系統(tǒng)行為主要取決于dpm1的操作狀態(tài)，這些狀態(tài)由本地或總線的配置設(shè)備所控制。主要有以下三種狀態(tài)：

· 停止：在這種狀態(tài)下，dpm1和dp從站之間沒有數(shù)據(jù)傳輸。

· 清除：在這種狀態(tài)下，dpm1讀取dp從站的輸入信息并使輸出信息保持在故障安全狀態(tài)。

· 運行：在這種狀態(tài)下，dpm1處于數(shù)據(jù)傳輸階段，循環(huán)數(shù)據(jù)通信時，dpm1從dp從站讀取輸入信息并向從站寫入輸出信息。

(1) dpm1設(shè)備在一個預(yù)先設(shè)定的時間間隔內(nèi)，以有選擇的廣播方式將其本地狀態(tài)周期性地

發(fā)送到每一個有關(guān)的dp從站。如圖6所示。

(2) 如果在dpm1的數(shù)據(jù)傳輸階段中發(fā)生錯誤，dpm1將所有有關(guān)的dp從站的輸出數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)入清除狀態(tài)，而dp從站將不在發(fā)送用戶數(shù)據(jù)。在次之后，dpm1轉(zhuǎn)入清除狀態(tài)。

圖6： profibus-dp用戶數(shù)據(jù)傳輸

3.1.4 dpm1和dp從站間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸

dpm1和相關(guān)dp從站之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸是由dpm1按照確定的遞歸順序自動進行。在對總線系統(tǒng)進行組態(tài)時，用戶對dp從站與dpm1的關(guān)系作出規(guī)定，確定哪些dp從站被納入信息交換的循環(huán)周期，哪些被排斥在外。

dpm1和dp從站間的數(shù)據(jù)傳送分三個階段：參數(shù)設(shè)定、組態(tài)、數(shù)據(jù)交換。在參數(shù)設(shè)定階段，每個從站將自己的實際組態(tài)數(shù)據(jù)與從dpm1接受到的組態(tài)數(shù)據(jù)進行比較。只有當實際數(shù)據(jù)與所需的組態(tài)數(shù)據(jù)相匹配時，dp從站才進入用戶數(shù)據(jù)傳輸階段。因此，設(shè)備類型、數(shù)據(jù)格式、長度以及輸入輸出數(shù)量必須與實際組態(tài)一致。

3.1.5 dpm1和系統(tǒng)組態(tài)設(shè)備間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸

除主-從功能外，profibus-dp允許主-主之間的數(shù)據(jù)通信，這些功能使組態(tài)和診斷設(shè)備通過總線對系統(tǒng)進行組態(tài)。

3.1.6 同步和鎖定模式

除dpm1設(shè)備自動執(zhí)行的用戶數(shù)據(jù)循環(huán)傳輸外，dp主站設(shè)備也可向單獨的dp從站、一組從站或全體從站同時發(fā)送控制命令。這些命令通過有選擇的廣播命令發(fā)送的。使用這一功能將打開dp從站的同步及鎖定模式，用于dp從站的事件控制同步。

主站發(fā)送同步命令后，所選的從站進入同步模式。在這種模式中，所編址的從站輸出數(shù)據(jù)鎖定在當前狀態(tài)下。在這之后的用戶數(shù)據(jù)傳輸周期中，從站存儲接收到輸出的數(shù)據(jù)，但它的輸出狀態(tài)保持不變；當接收到下一同步命令時，所存儲的輸出數(shù)據(jù)才發(fā)送到外圍設(shè)備上。用戶可通過非同步命令退出同步模式。

鎖定控制命令使得編址的從站進入鎖定模式。鎖定模式將從站的輸入數(shù)據(jù)鎖定在當前狀態(tài)下，直到主站發(fā)送下一個鎖定命令時才可以更新。用戶可以通過非鎖定命令退出鎖定模式。

3.1.7 保護機制

對dp主站dpm1使用數(shù)據(jù)控制定時器對從站的數(shù)據(jù)傳輸進行監(jiān)視。每個從站都采用獨立的控制定時器。在規(guī)定的監(jiān)視間隔時間中，如數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生差錯，定時器就會超時。一旦發(fā)生超時，用戶就會得到這個信息。如果錯誤自動反應(yīng)功能"使能"，dpm1將脫離操作狀態(tài)，并將所有關(guān)聯(lián)從站的輸出置于故障安全狀態(tài)，并進入清除狀態(tài)。

對dp從站使用看門狗控制器檢測主站和傳輸線路故障。如果在一定的時間間隔內(nèi)發(fā)現(xiàn)沒有主機的數(shù)據(jù)通信，從站自動將輸出進入故障安全狀態(tài)。