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PROFIBUS技术培训（2—5章）

PROFIBUS作为一种现场总线标准，在世界市场上已被普遍接受并得到广泛运用。本培训教程全面阐述了PROFIBUS的技术特点、应用模式和产品开发方法。
PROFIBUS的系统模型如下：

PROFIBUS是国际性的、开放的现场总线标准
（1）PROFIBUS 标准 EN 50170 是完整的、开放的、与制造商无关的、已经生效的
（2）稳固的 PROFIBUS 标准保护世界范围的用户和制造商的投资
（3）PROFIBUS 经实践证明并在世界范围内已安装使用的设备超过1,500,000 个。（截止于１９９７年四季度）
PROFIBUS给客户的好处
（1）节省硬件和安装费用
     减少硬件成份 (I/O, 终端块、隔离栅)
     更容易、更快捷和低成本的安装
（2）节省工程费用更容易组态(对所有设备只需一套工具)
     更容易保养和维修
     更容易和更快捷的系统起动
（3）更大的制造灵活性
     改进功能 减少故障时间 准确、可靠的诊断数据 可靠的数字传输技术
※ PROFIBUS减少40%的安装费用：

※ 1,200多个产品（到1998年1季），一个标准
到目前为止，已250家不同的制造商可提供 1,200 多个产品，你可免费获得最新的 PROFIBUS 电子产品指南的拷贝：
（1）从每一个PROFIBUS用户的CD-ROM或软盘
（2）或访问PROFIBUS的国际网页
※ 产品范围快速增长

※ 产品应用范围广泛
※ 经认证的产品确保互操作性
（1）PROFIBUS 国际已经建立了质量认证系统，包括产品的一致性和互操作性的测试
（2）几百个产品已经通过了认证
（3）在欧洲和美国建有这样的测试实验室
（4）经认证的产品都有一个认证号，它们已在 PROFIBUS 电子产品指南中列出
PROFIBUS 是领先的开放的现场总线系统
·独立的市场研究证实， PROFIBUS 在欧洲是市场的领导者，且在世界范围内有最高的增长率。在１９９７年已安装的PROFIBUS 基本设备超过了 1,500,000个，年增长到约20-30%。
·市场总值 根据1997 ARC 的市场研究现场总线的世界市场总值大于2百万个节点， 50%以上是用在欧洲。
·市场份额 根据1996 Consultic 关于德国和欧洲市场的市场研究2 ，PROFIBUS 在欧洲市场中约占 41% 。
三种有效的传输技术

→ PROFIBUS 使用两端有终端的总线拓扑
→ 在运行期间，接入和断开一个或几个站不会影响其他站的工作，即使在本质安全区也如此。
→ 提供三种不同的物理层选择
   (1)RS 485: 用于 DP 和 FMS
   (2)IEC 1158-2: 用于 PA
   (3)光纤: 用于 DP 和 FMS
PROFIBUS 协议
→ PROFIBUS 总线访问协议（第二层）对三种PROFIBUS 版本(FMS/DP/PA)均相同
→ 这使通信透明和FMS/DP/PA 网络区域容易组合
→ 因为 FMS/DP 使用相同的物理介质 (RS-485/FO) ，因此它们能组合在同一根电缆上。

PROFIBUS-DP 的特点
·代替 PLC/PC 与 I/O 之间昂贵的电线
·快速，传输 1 千字节的输入数据和 1千字节的输出数据所需时间<2 ms
·强有力的工具，减少组态和维护费用
·被所有主要的 PLC 制造商支持
·有广泛的产品: PLC, PC, I/O, 驱动器, 阀, 编码器等
·允许周期性和非周期性的数据传输
·单主和多主网络
·每个站的输入和输出数据最多可达 244 字节
典型的PROFIBUS-DP系统组成：

PROFIBUS-PA(PA = Process Automation) 的特点
·基于扩展的 PROFIBUS-DP 协议和 IEC 1158-2 传输技术
·适用于代替现今的 4...20 mA 技术
·仅用一根双绞线进行数据通信和供电
·通过串行总线联接仪器仪表与控制系统
·适用于本质安全的 EEx 应用区域
·可靠的串行数字传输
·通过一根双绞电缆进行控制、调节和监视
·对所有设备只需一个工程工具
·由于 PROFIBUS-PA 行规，保证了互操作性和互换性
·仪器仪表的维护和诊断信息

PROFIBUS-FMS 的特点
·FMS 最佳适用于车间级智能主站间通用的、面向对象的通信
·FMS 提供一个 MMS-功能子集 （MMS 即 Manufacturing Message Specification, ISO9506)
·主要应用区域
   大数量的数据传输，例如程序、数据块等等 
   若干个分散过程部分集成到一个公共过程中
   智能站间的通信

开放的组态允许即插即用
PROFIBUS ASICs 提供大量产品的关键
·对PROFIBUS许多 ASICs 芯片是有效的
·对 PROFIBUS-DP 用单个芯片即可解决
·对 FMS/DP/PA，与处理器无关的外围芯片
·对FMS/DP，带 PROFIBUS 核心功能的微控制器
优点：
·对制造商而言，减少实现费用
·对一个接口的价格减至小于 US $ 25
PROFIBUS国际
·超过 650 个会员
·20个地区用户协会
·一个很强大的组织

传输特点 (1)
高速 (H2), RS 485
· 依据 RS 485，异步 NRZ 传输
· 波特率从 9.6 kBit/s 到 12 MBit/s，可选
· 双绞屏蔽电缆
· 每段 32 个站，最多允许 127 个站
· 距离: 12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 m
· 有中继器距离可延长到 10 公里
· 9 针, D 型插头
传输特点 (2)
低速 (H1), IEC 1158-2
· 同步 Manchester 编码, 31.25 kBit/s
· 本质安全 (可选) 和通过总线对站供电 (可选)
· 屏蔽或非屏蔽的双绞电缆
· 每段距离达 1900 米，用中继器可延长到 10 公里
· 最多 127 个站, 每段 10-32 个设备 (依赖于 EX-类型和供电消耗)
PROFIBUS 电缆要求 - IEC 1158-2
电缆设计: 屏蔽双绞电缆
导线面积: 0.8毫米2(AWG 18)
回路电阻: 44 ? / km
阻抗 （在31.25 KHz时）: 100 ? +/- 20%
衰减 （在39 KHz时）: 3dB / km
每单位长度的电容: 2nF / km
对 IEC 1158-2 传输的电缆被列在 PROFIBUS 电子产品指南中
PROFIBUS 电缆要求 - RS 485
参数 电缆类型 A
电缆设计 屏蔽双绞电缆
浪涌阻抗 135 ... 165 ?
回路电阻 110 ? / km
线径 0.64 mm
线截面积 > 0.34 mm
每单位长度的电容 < 30 pF / m
PROFIBUS 电缆被列在 PROFIBUS 电子产品指南中。

PROFIBUS 电缆长度 （对 RS 485）
波特率（ kBit/s） 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000
线长（m, A类电缆） 1200 1200 1200 1000 400 200 100
长度可以用中继器来延长
9 针D 型连接器的针脚分配 （为RS 485用）
· 对 PROFIBUS-DP/FMS 提供的连接器类型是9 针 D 型连接器
· 插座部分被安装在设备上
· 如果其他连接器能提供必要的命令信号的话，也允许使用

拓朴
PROFIBUS 支持总线型，树型和星型拓扑
· 这里提供的拓扑是总线型拓扑
· 在总线的开头和结尾必须有终端
· 一段可以由最多 32 个站*组成

安装 RS 485 (1)

安装 RS 485 (2)

RS 485 的屏蔽 / 接地

RS-485 传输的数据位顺序
每个八位二进数（１字节）按 11 位的顺序被传输
最小的有效位 (LSB) 被第一个发送
最大的有效位 (MSB) 被最后发送
每个八位二进数都补充三位，即开始、终止和奇偶校验位
此编码原理称 NRZ （即 Non Return to Zero）

信号电平

1 = 数据传输开始
2 = 空闲段、无数据传输、总线终端终止的电平
冗余性提高了系统的可靠性

PROFIBUS 已经有广泛的应用
到1997年四季度，实际应用超过150,000个，应用领域包括：
· 制造业自动化
汽车制造
装瓶系统
仓储系统
· 楼宇自动化
交通管理自动化
供热、空调系统
· 过程工业自动化
清洗工厂
化工和石化工厂
造纸和纺织品工厂
· 电力工业和电力输送
发电厂
开关装置
1 PROFIBUS 在汽车生产中的应用
例如，在 Bochum 的 GM (Opel) 工厂
（1）对每个车身，PROFIBUS-DP控制机器人处理2，000多个焊接操作
（2）PROFIBUS-DP用在组装线上，每天生产1，200辆轿车
（3）PROFIBUS-DP用在冲压车间，每天处理22，000吨钢材
在 OPEL 工厂的网络结构示意图

2 PROFIBUS 在楼宇自动化中
例如，在法国的 Bibliotheque Nationale
PROFIBUS 控制四个 80 米高的塔楼
总面积 360,000 m2
容积约11,000,000 m3
PROFIBUS 任务包括
· 报警管理
· 能量优化
· 监视
· 技术设备的控制
· 操作服务间的可靠、有效的通信、
3 PROFIBUS 在过程自动化中
在 1997 年四季度已销售出 15,000 多个 Profibus - PA 的设备
※ ROFIBUS-PA在 WACKER 化工厂的应用
WACKER 化工厂简介
·由Dr. Alexander Wacker 建立于1914年10月13日
·1992年,员工13,000 人, 32亿德国马克的营业额
·主要生产硅和胶制品
WACKER 化工厂项目实施情况
·项目从1997年1月开始
·使用仪器仪表和控制设备总价值500万马克
·1,000个ROFIBUS-PA的传感器和执行器

化工厂为什么选择PROFIBUS - PA？
·节省 50% 以上的规划、设计和安装成本
·适应本质安全区安装
·由于集中组态工具，容易维修
仪器仪表和控制部门的负责人 Mr. H. Krummen对此评论：
“由于PROFIBUS-PA 的使用，使新的生产线的设计、安装费用节省 超过2百万马克，
此外，本质安全能力和一个组态工具对所有仪器仪表都适用，这就意味着PROFIBUS-PA
完全符合NAMUR* 所期望的准则。”
※ PROFIBUS-PA在 bitburger啤酒厂的应用
·bitburger啤酒厂每年生产 350,000 吨， 在欧洲是最大的
Bitburger为什么选择 PROFIBUS-PA？
·由于容易安装，节省成本
·由于集中组态，建立系统简单
·由于提高了准确性，工厂有更高安全性和有效性
·由于减少了维护，而节省成本
·由于是开放的国际标准，使投资安全