现场总线PROFIBUS技术要点

1.PROFIBUS概貌
(1) PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。
(2) PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。
(3) PROFIBUS-DP：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代办24VDC或4-20mA信号传输。
(4) PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。
(5) PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。
(7) PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。
2. PRFIBUS基本特性
2.1 PROFIBUS协议结构
PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际准，以开放式系统互联网络（Open System Interconnection-SIO）作为参考模型的。该模型共有七层，如下图1所示：

图1：PROFIBUS协议结构
(1) PROFIBUS-DP：定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。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，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。
(2) PROFIBUS-FMS：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification-FMS）和低层接口（Lower Layer Interface-LLI）。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。
(3) PROFIBUS-PA：PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC1158-2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，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。
2.2 PROFIBUS传输技术
PROFIBUS提供了三种数据传输类型：
· 用于DP和FMS的RS485传输。
· 用于PA的IEC1158-2传输。
· 光纤
2.2.1用于DP/FMS的RS485传输技术
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，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。
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。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。
RS-485传输技术基本特征：
· 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。
· 传输速率：9.6K bit/s~12M bit/s
· 介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC）。
· 站点数：每分段32个站（不带中继），可多到127个站（带中继）。
· 插头连接：最好使用9针D型插头。
2.2.2 RS-485传输设备安装要点
(1) 全部设备均与总线连接。
(2) 每个分段上最多可接32个站（主站或从站）。
(3) 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须永远有电源。见图2所示。
(4) 当分段站超过32个时，必须使用中继器用以连接各总线段。串联的中继器一般不超过3个。见图3所示：

图2：PROFIBUD-DP和PROFIBUS-FMS的电缆接线和总线终端电阻

图3: 每个分段上最多可接32个站（主站或从站）
(5) 电缆最大长度取决于传输速率。如使用A型电缆，则传输速率与长度如下表1：
表1

(6) A型电缆参数：
阻抗：135-165W 电容：〈 30pf/m 回路电阻：110W
线规：0.64mm 导线面积：>0.34mmW
(7) RS-485的传输技术的PROFIBUS网络最好使用9针D型插头，插头针脚定义和接线见图2所示。
(8) 当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境（如汽车制造业）下运行应使用带屛蔽的电缆，屏蔽可提高电磁兼容性（EMC）。
(9) 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。另外建议数据线必须与高压线隔离。www.diangon.com
(10) 超过500Kbit/s的数据传输速率时应避免使用短截线段，应使用市场上现有的插头可使数据输入和输出电缆直接与插头连接，而且总线插头可在任何时候接通或断开而并不中断其它站的数据通信。[page]
2.2.3 用于PA的IEC1158-2传输技术
(1) 数据IEC1158-2的传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备供电。
(2) IEC1158-2是一种位同步协议，通常称为H1。
(3) IEC1158-2技术用于PROFIBUS-PA，其传输以下列原理为依据：
· 每段只有一个电源作为供电装置。
· 当站收发信息时，不向总线供电。
· 每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。
· 现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。
· 主总线两端起无源终端线作用。
· 允许使用线性、树型和星型网络。
· 为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段。
· 为了调制的目的，假设每个总线站至少需用10mA基本电流才能使设备启动。通信信号的发生 是通过发送设备的调制，从±9 mA到基本电流之间。
(4) IEC1158-2传输技术特性:
· 数据传输：数字式、位同步、曼彻斯特编码。
· 传输速率：31.25K bit/s，电压式。
· 数据可靠性：前同步信号，采用起始和终止限定符避免误差。
· 电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。
· 远程电源供电：可选附件，通过数据线。
· 防爆型：能进行本征及非本征安全操作。
· 拓扑：线型或树型，或两者相结合。
· 站数：每段最多32个，总数最多为126个。
· 中继器：最多可扩展至4台。
2.2.4 IEC1158传输设备安装要点(1) 分段藕合器将IEC1158-2传输技术总线段与RS-485传输技术总线段连接。藕合器使RS-485信号与IEC1158-2信号相适配。它们为现场设备的远程电源供电，供电装置可限制IEC1158-2总线的电流和电压。
(2) PROFIBUS-PA的网络拓扑有树型和线型结构，或是两种拓扑的混合，见图3



(3) 现场配电箱仍继续用来连接现场设备并放置总线终端电阻器。采用树型结构时连在现场总线分段的全部现场设备都并联地接在现场配电箱上。
(4) 建议使用下列参考电缆，也可使用更粗截面导体的其它电缆。
· 电缆设计： 双绞线屏蔽电缆
· 导线面积（额定值）： 0.8mm2(AWG18)
· 回路电阻（直流）： 44W/Km
· 阻抗（31.25千赫时）： 100W±20%
· 39千赫时衰减： 3dB/Km
· 电容不平衡度： 2nF/Km
(5) 主总线电缆的两端各有一个无源终端器，内有串联的RC元件，R=100W，C=1mF。当总线站极性反向连接时，它对总线的功能不会有任何影响。
(6) 连接到一个段上的站数目最多是32个。如果使用本征安全型及总线供电，站的数量将进一步受到限制。即使不需要本征安全性，远程供电装置电源也要受到限制。
(7) 线路最长长度的确定，根据经验先计算一下电流的需要，从表2-2中选用一种供电电源单元，再根据表2-3中线的长度选定哪种电缆。
表2-2标准供电装置（操作值）

(8) 外接电源：如果外接电源设备，根据EN50020标准带有适当的隔离装置，将总线供电设备与外接电源设备连在本征安全总线上是允许的。
2.2.5 光纤传输技术
(1) 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。
(2) 可使用两种光纤导体，一是价格低廉的塑料纤维导体，供距离小于50米情况下使用。另一种是玻璃纤维导体，供距离大于1公里情况下使用。
(3) 许多厂商提供专用总线插头可将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。 2.2.3 PROFIBUS总线存取协议
(1) 三种PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型第二层（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。
(2) 在PROFIBUS中，第二层称之为现场总线数据链路层（Fieldbus Data Link-FDL）。介质存取控制（Medium Access Control-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。
(3) PROFIBUS协议的设计要满足介质存取控制的两个基本要求：
· 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。
· 在复杂的程序控制器和简单的I/O设备（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送方式，主站与从站之间采用主从方式。
(4) 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。
(5) 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，可能有以下三种系统配置：
· 纯主-从系统
· 纯主-主系统
· 混合系统
(6) 图4是一个由3个主站、7个从站构成的PROFIBUS系统。3个主站之间构成令牌逻辑环。当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间内，它可依照主-从通讯关系表与所有从站通信，也可依照主-主通讯关系表与所有主站通信。[page]


图4：3个主站、7个从站构成的PROFIBUS系统
(7) 在总线系统初建时，主站介质存取控制MAC的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。
(8) 第二层的另一重要工作任务是保证数据的可靠性。PROFIBUS第二层的数据结构格式可保证数据的高度完整性。
(9) PROFIBUS第二层按照非连接的模式操作，除提供点对点逻辑数据传输外，还提供多点通信，其中包括广播及有选择广播功能。
3.PROFIBUS-DP
PROFIBUS-DP用于现场层的高速数据传送。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。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。
3.1 PROFIBUS-DP的基本功能
(1) 传输技术：RS-485双绞线、双线电缆或光缆。波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。
(2) 总线存取：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。
(3) 通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。循环主-从用户数据传送和非循环主-主数据传送。
(4) 运行模式：运行、清除、停止。
(5) 同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。
(6) 功能：DP主站和DP从站间的循环用户数据传送。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。输入或输出的同步。通过总线给DP从站赋予地址。通过总线对DP主站（DPM1）进行配置。每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。
(7) 可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离HD=4进行。DP从站带看门狗定时器（Watchdog Timer）。对DP从站的输入/输出进行存取保护。DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。
(8) 设备类型：第二类DP主站（DPM2）是可进行编程、组态、诊断的设备。第一类DP主站（DPM1）是中央可编程序控制器，如PLC、PC等。DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。
3.1.1 PROFIBUS-DP基本特征
(1) 速率：在一个有着32个站点的分布系统中，PROFIBUS-DP对所有站点传送512 bit/s输入和512 bit/s输出，在12M bit/s时只需1毫秒。
(2) 诊断功能：经过扩展的PROFIBUS-DP诊断能能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分三级：
· 本站诊断操作：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：一个站点的某具体I/O模块故障。
· 通道诊断操作：一个单独输入/输出位的故障。
3.1.2 PROFIBUS-DP系统配置和设备类型
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。每个PROFIBUS-DP系统可包括以下三种不同类型设备：
(1) 一级DP主站（DPM1）：一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站（如DP从站）交换信息。典型的DPM1如PLC或PC。
(2) 二级DP主站（DPM2）：二级DP主站是编程器、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。
(3) DP从站：DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I/O设备、驱动器、HMI、阀门等）。
(4) 单主站系统：在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。如图2-5所示：

图5：单主站系统
(2) 多主站系统：总线上连有多个主站。这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。每个子系统包括一个DPM1、指定的若干从站及可能的DPM2设备。任何一个主站均可读取DP从站的输入/输出映象，但只有一个DP主站允许对DP从站写入数据。如图6所示：

图6：多主站系统
3.1.3 系统行为
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控制。主要有以下三种状态：
· 停止：在这种状态下，DPM1和DP从站之间没有数据传输。
· 清除：在这种状态下，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。
· 运行：在这种状态下，DPM1处于数据传输阶段，循环数据通信时，DPM1从DP从站读取输入信息并向从站写入输出信息。
(1) DPM1设备在一个预先设定的时间间隔内，以有选择的广播方式将其本地状态周期性地
发送到每一个有关的DP从站。如图6所示。
(2) 如果在DPM1的数据传输阶段中发生错误，DPM1将所有有关的DP从站的输出数据立即转入清除状态，而DP从站将不在发送用户数据。在次之后，DPM1转入清除状态。

图6： PROFIBUS-DP用户数据传输
3.1.4 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按照确定的递归顺序自动进行。在对总线系统进行组态时，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。
DPM1和DP从站间的数据传送分三个阶段：参数设定、组态、数据交换。在参数设定阶段，每个从站将自己的实际组态数据与从DPM1接受到的组态数据进行比较。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须与实际组态一致。
3.1.5 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行组态。
3.1.6 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控制命令。这些命令通过有选择的广播命令发送的。使用这一功能将打开DP从站的同步及锁定模式，用于DP从站的事件控制同步。
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。
锁定控制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新。用户可以通过非锁定命令退出锁定模式。
3.1.7 保护机制
对DP主站DPM1使用数据控制定时器对从站的数据传输进行监视。每个从站都采用独立的控制定时器。在规定的监视间隔时间中，如数据传输发生差错，定时器就会超时。一旦发生超时，用户就会得到这个信息。如果错误自动反应功能"使能"，DPM1将脱离操作状态，并将所有关联从站的输出置于故障安全状态，并进入清除状态。
对DP从站使用看门狗控制器检测主站和传输线路故障。如果在一定的时间间隔内发现没有主机的数据通信，从站自动将输出进入故障安全状态