PROFIBUSDP现场总线的结构.docx

Profibus 的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170 作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等领域。
Profibus 由 3 个兼容局部组成，即 PROFIBUS-DP〔Decentralized Periphery，分布 I/O 系统〕、PROFIBUS-PA〔Process Automation，现场总线信息标准〕和 PROFIBUS-FMS〔Fieldbus Message Specification，过程自动化〕。
PROFIBUS-DP 是一种高速、低本钱通信，特地用于设备级把握系统与分散式 I/O 的通信。使用PROFIBUS-DP 可取代 24V DC 或 4~20mA 信号传输。PORFIBUS-PA 专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并有本质安全标准。PROFIBUS-FMS 用于车间级监控网络，是一个令牌构造的实时多主网络。
1. PROFIBUS 的协议构造
PROFIBUS 协议构造是依据ISO7498 国际标准，以 OSI 作为参考模型的。PROFIBUS-DP 定义了第 1、2 层和用户接口。第 3 到 7 层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并具体说明白各种不同 PROFIBUS-DP 设备的设备行为。PROFIBUSFMS 定义了第 1、2、7 层，应用层包括现场总线信息标准〔FMS〕和低层接口〔LLI〕。FMS 包括了应用协议并向用户供给了可广泛选用的强有力的通信效劳；LLI 协调不同的通信关系并供给不依靠设备的第 2 层访问接口。PROFIBUS-PA 的数据传输承受扩展的 PROFIBUS-DP 协议。另外，PA 还描述了现场设备行为的 PA 行规。依据IEC1157-2 标准， PA 的传输技术可确保其本质安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP 上扩展 PA 网络。
2. PROFIBUS 的传输技术
PROFIBUS 供给了三种数据传输型式：RS-485 传输、IEC1157-2 传输和光纤传输。
〔1) RS-485 传输技术
RS-485 传输是 PROFIBUS 最常用的一种传输技术，通常称之为 H2 。RS-485 传输技术用于
PROFIBUS-DP 与 PROFIBUS-FMS。
RS-485 传输技术根本特征是：网络拓扑为线性总线，两端有有源的总线终端电阻；传输速率为
9.6kbps~12Mbps；介质为屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件；不带中继时每分段可连接 32
个站，带中继时可多到 127 个站。
RS-485 传输设备安装要点：全部设备均与总线连接；每个分段上最多可接 32 个站〔主站或从站〕；每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差；两个总线终端电阻必需始终有电源；当分段站超过 32 个时，必需使用中继器用以连接各总线段，串联的中继器一般不超过 4 个；传输速率可选用9.6kbps~12Mbps，一旦设备投入运行，全部设备均需选用同一传输速率。电缆最大长度取决于传输速率。 承受 RS-485 传输技术的 PROFIBUS 网络最好使用 9 针 D 型插头。当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁放射环境下运行应使用带屏蔽的电缆，屏蔽可提高电磁兼容性〔 EMC〕。如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线来复盖，以保持良好的传导性。
〔2〕IEC1157-2 传输技术
IEC1l57-2 的传输技术用于 PROFIBUS-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本质安全性， 并通过总线对现场设备供电。IEC1157-2 是一种位同步协议，可进展无电流的连续传输，通常称为H1。
〔3〕光纤传输技术
PROFIBUS 系统在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 状况下使用；另一种是玻璃纤维导体， 供距离小于 1km 状况下使用。
很多厂商供给专用总线插头可将RS-485 信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成 RS-485 信号。
3. PROFIBUS 总线存取把握技术
PROFIBUS-DP、FMS、PA 均承受一样的总线存取把握技术，它是通过 OSI 参考模型第 2 层〔数据链

路层〕来实现的，它包括保证数据牢靠性技术及传输协议和报文处理。在 PROFIBUS 中，第 2 层称之为现场总线数据链路层〔FDL，Fieldbus Data Link〕。介质存取把握〔M A C， Medium Access Control〕具体把握数据传输的程序，MAC 必需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存取把握的两个根本要求：
1〕在简洁的自动化系统〔主站〕间的通信，必需保证在精准限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。
2〕在简洁的程序把握器和简洁的 I/O 设备〔从站〕间通信，应尽可能快速又简洁地完成数据的实时传输。因此 PROFIBUS 主站之间承受令牌传送方式，主站与从站之间承受主从方式。令牌传递程序保证每个主站在一个精准规定的时间内得到总线存取权〔令牌〕，令牌在全部主站中循环一周的最长时间是事先规定的。在 PROFIBUS 中，令牌传递仅在各主站之间进展。主站得到总线存取令牌时可依照主-从通信关系表与全部从站通信，向从站发送或读取信息，也可依照主-主通信关系表与全部主站通信。所以可能有3 种系统配置：纯主-从系统、纯主主系统和混合系统。
在总线系统初建时，主站介质存取把握 MAC 的任务是制定总线上的站点安排并建立规律环。在总线运行期间，断电或损坏的主站必需从环中排解，上电的主站必需参与规律环。
第 2 层的另一重要工作任务是保证数据的高度完整性。PROFIBUS 在第 2 层依据非连接的模式操作， 除供给点对点规律数据传输外，还供给多点通信，包括播送和选择播送功能。
4. PROFIBUS-DP 根本功能
PROFIBUS-DP 用于现场设备级的高速数据传送，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必需要比主站〔PLC〕程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP 还供给智能化设备所需的非周期性通信以进展组态、诊断和报警处理。
（1） PROFIBUS-DP 根本特征
承受 RS-485 双绞线、双线电缆或光缆传输，传输速率从 9.6kbps 到 12Mbps。各主站间令牌传递，主站与从站间为主-从传送。支持单主或多主系统，总线上最多站点〔主-从设备〕数为 126。承受点对点〔用户数据传送〕或播送〔把握指令〕通信。循环主-从用户数据传送和非循环主-主数据传送。把握指令允许输入和输出同步。同步模式为输出同步；锁定模式为输入同步。
DP 主站和 DP 从站间的循环用户有数据传送。各 DP 从站的动态激活和可激活。DP 从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断信息。输人或输出的同步。通过总线给 DP 从站赐予地址。通过总线对 DP 主站
〔DPM1〕进展配置，每 DP 从站的输入和输出数据最大为 246 字节。
全部信息的传输按海明距离 HD=4 进展。DP 从站带看门狗定时器〔Watchdog Timer〕。对 DP 从站的输入/输出进展存取保护。DP 主站上带可变定时器的用户数据传送监视。
每个 PROFIBUS-DP 系统包括 3 种类型设备：第一类 DP 主站〔DPM1〕、其次类 DP 主站〔DPM2〕和 DP 从站。DPM1 是是中心把握器，它在预定的周期内与分散的站〔如DP 从站〕交换信息。典型的DPM1 如 PLC、PC 等；DPM2 是编程器、组态设备或操作面板，在 DP 系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的；DP 从站是进展输入和输出信息采集和发送的外围设备，是带二进制值或模拟量输入输出的I/O 设备、驱动器、阀门等。
经过扩展的 PROFIBUS-DP 诊断能对故障进展快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分 3 级：本站诊断操作，即本站设备的一般操作状态，如温度过高、压力过低；模块诊断操作，即一个站点的某具体 I/O 模块故障；通道诊断操作，即一个单独输人/输出位的故障。
（2） PROFIBUS-DP 允许构成单主站或多主站系统
在同一总线上最多可连接 126 个站点。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。
PROFIBUS-DP 单主站系统中，在总线系统运行阶段，只有一个活动主站。如图 1 所示为PROFIBUS-DP
单主站系统，PLC 作为主站。

图 1 Profibus-DP 单主站系统
PROFIBUS-DP 多主站系统中总线上连有多个主站。总线上的主站与各自从站构成相互独立的子系统。如图 1 所示，任何一个主站均可读取DP 从站的输入／输出映像，但只有一个 DP 主站允许对 DP 从站写入数据。

图 1 Profibus－DP 多主站系统
（3） PROFIBUS-DP 系统行为
PROFIBUS-DP 系统行为主要取决于 DPM1 的操作状态，这些状态由本地或总线的配置设备所把握， 主要有运行、去除和停顿 3 种状态。在运行状态下，DPM1 处于输入和输出数据的循环传输，DPM1 从 DP 从站读取输入信息并向 DP 从站写入输出信息；在去除状态下，DPM1 读取 DP 从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全状态；在停顿状态下，DPM1 和 DP 从站之间没有数据传输。
DPM1 设备在一个预先设定的时间间隔内，以有选择的播送方式将其本地状态周期性地发送到每一个有关的 DP 从站。假设在 DPM1 的数据传输阶段中发生错误，DPM1 将全部相关的 DP 从站的输出数据马上转入去除状态，而 DP 从站将不再发送用户数据。在此之后，DPM1 转入去除状态。

（4） DPM1 和 DP 从站间的循环数据传输
DPM1 和相关 DP 从站之间的用户数据传输是由 DPM1 依据确定的递归挨次自动进展。在对总线系统进展组态时，用户对 DP 从站与 DPM1 的关系作出规定，确定哪些 DP 从站被纳入信息交换的循环周期，哪些被排斥在外。
DMPI 和 DP 从站之间的数据传送分为参数设定、组态和数据交换 3 个阶段。在参数设定阶段，每个从站将自己的实际组态数据与从 DPM1 承受到的组态数据进展比较。只有当实际数据与所需的组态数据相匹配时，DP 从站才进入用户数据传输阶段。因此，设备类型、数据格式、长度以及输入/输出数量必需与实际组态全都。
（5） DPM1 和系统组态设备间的循环数据传输
除主-从功能外，PROFIBUS-DP 允许主-主之间的数据通信，这些功能使组态和诊断设备通过总线对系统进展组态。
（6） 同步和锁定模式
除 DPM1 设备自动执行的用户数据循环传输外，DP 主站设备也可向单独的 DP 从站、一组从站或全体从站同时发送把握命令。这些命令通过有选择的播送命令发送的。使用这一功能将翻开 DP 从站的同级锁定模式，用于 DP 从站的大事把握同步。
主站发送同步命令后，所选的从站进入同步模式。在这种模式中，所编址的从站输出数据锁定在当前状态下。在这之后的用户数据传输周期中，从站存储接收到输出的数据，但它的输出状态保持不变；当接收到下一同步命令时，所存储的输出数据才发送到外围设备上。用户可通过非同步命令退出同步模式。
锁定把握命令使得编址的从站进入锁定模式。锁定模式将从站的输入数据锁定在当前状态下，直到主站发送下一个锁定命令时才可以更。用户可以通过非锁定命令退出锁定模式。
（7） 保护机制
对DP 主站DPM1 使用数据把握定时器对从站的数据传输进展监视。每个从站都承受独立的把握定时器， 在规定的监视间隔时间中，如数据传输发生过失，定时器就会超时，一旦发生超时，用户就会得到这个信息。假设错误自动反响功能“使能”， DPM1 将脱离操作状态，并将全部关联从站的输出置于故障安全状态，并进入去除状态。
5. PROFIBUS 把握系统的几种形式
依据现场设备是否具备 PROFIBUS 接口，把握系统的配置有总线接口型、单一总线型、混合型 3 种形式。
（1） 总线接口型 现场设备不具备 PROFIBUS 接口，承受分散式 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简洁推广。假设现场设备能分组，组内设备相对集中，这种模式会更好地发挥现场总线技术的优点。
（2） 单一总线型 现场设备都具备 PROFIBUS 接口，这是一种抱负状况。可使用现场总线技术，实现完全的分布式构造，可充分获得这一先进技术所带来的的利益。建工程假设能具有这种条件，就目前来看， 这种方案设备本钱会较高。
（3） 混合型 现场设备局部具备PROFIBUS 接口，这将是一种相当普遍的状况。这时应承受PROFIBUS现场设备加分散式 I/O 混合使用的方法。无论是旧设备改造还是建工程，期望全部使用具备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，是一种灵敏的集成方案。
依据实际应用需要及经费状况，通常有以下 6 种构造类型：
（1） 构造类型 1 以 PLC 或把握器做 1 类主站，不设监控站，但调试阶段配置一台编程设备。这种构造类型，PLC 或把握器完成总线通信治理、从站数据读写、从站远程参数化工作。
（2） 构造类型 2 以 PLC 或把握器做 1 类主站，监控站通过串口与 PLC 一对一的连接。这种构造类型， 监控站不在 PROFIBUS 网上，不是 2 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 把握器中读取。
（3） 构造类型 3 以 PLC 或其它把握器做 1 类主站，监控站〔2 类主站〕连接PROFIBUS 总线上。这种构造类型，监控站在 PROFIBUS 网上作为 2 类主站，可完成远程编程、参数化及在线监控功能。

（4） 构造类型 4 使用 PC 机加 PROFIBUS 网卡做 1 类主站，监控站与 1 类主站一体化。这是一个低本钱方案，但PC 机应选用具有高牢靠性、能长时间连续运行的工业级PC 机。对于这种构造类型，PC 机故障将导致整个系统瘫痪。另外，通信厂商通常只供给一个模板的驱动程序，总线把握、从站把握程序、监控程序可能要由用户开发，因此应用开发工作量可能会较大。
（5） 构造类型 5 结实式 PC 机〔OMOPACT COMPUTER〕＋PROFIBUS 网卡十 SOFTPLC 的构造形式。由于承受结实式 PC 机〔COMOPACT COMPUTER〕系统牢靠性将大大增加，足以使用户信服。但这是一台监控站与 1 类主站一体化把握器工作站，要求它的软件完成如下功能：主站应用程序的开发、编辑、调试，执行应用程序，从站远程参数化设置，主/从站故障报警及记录，监控程序的开发、调试，设备在线图形监控、数据存储及统计、报表等。
近来消灭一种称为 SOFTPLC 的软件产品，是将通用型 PC 机改造成一台由软件〔软规律〕实现的 PLC。这种软件将 PLC 的编程〔IECll31〕及应用程序运行功能和操作员监控站的图形监控开发、在线监控功能集成到一台结实式 PC 机上，形成一个 PLC 与监控站一体的把握器工作站。
（6） 构造类型 6 使用两级网络构造，这种方案充分考虑了将来扩展需要，比方要增加几条生产线即扩展出几条 DP 网络，车间监控要增加几个监控站等，都可以便利进展扩展。承受了两级网络构造形式，充分考虑了扩展余地