PROFIBUS總線

1、第三章 PROFIBUS 現(xiàn)場總線3.1 PROFIBUS的協(xié)議類型3.2 PROFIBUS的通信模型3.3 PROFIBUS的總線設備類型和數據通信3.4 PROFIBUS的總線存取協(xié)議3.5 PROFIBUS的應用(系統(tǒng)集成) 3.6 PROFIBUS-DP系統(tǒng)開發(fā)3.7 PROFIBUS協(xié)議的發(fā)展PROFIBUS概述PROFIBUS (Process Fieldbus的縮寫)是一種國際化的國際化的、開放的開放的、不依賴于設備不依賴于設備生產商生產商的現(xiàn)場總線標準。它廣泛應用于制造業(yè)自動化制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化流程工業(yè)自動化和樓宇、樓宇、交通、電力交通、電力等其他自動化領域。PROF

2、IBUS技術的發(fā)展經歷了如下過程:1987年由德國SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家研究機構聯(lián)合開發(fā)；1989年成為德國工業(yè)標準DIN19245；1996年成為歐洲標準EN50170V.2(PROFIBUS-FMS-DP);1998年PROFIBUS-PA被納入EN50170V.2；1999年PROFIBUS成為國際標準國際標準IEC61158IEC61158的組成部分 (TYPEIII)；20012001年成為中國的機械行業(yè)標準年成為中國的機械行業(yè)標準JB/T10308-JB/T10308-3-20013-2001。PROFIBUSPROFIBUS由以下三個兼容部分組成由以下三個兼容部分組

3、成: :1.PROFIBUS-DP：用于傳感器傳感器和執(zhí)行器執(zhí)行器級的高速數據傳輸高速數據傳輸，它以DIN19245第一部分為基礎，根據其所需要達到的目標對通信功能加以擴充，DPDP傳輸速率傳輸速率可達：12 Mbit/s。一般構成單主站系統(tǒng)單主站系統(tǒng)，主站、從站間采用循環(huán)主站、從站間采用循環(huán)數據傳輸方式數據傳輸方式工作。2. PA具有本質安全特性具有本質安全特性，實現(xiàn)了IEC1158-2規(guī)定的通信規(guī)程。 PROFIBUS-PA是是PROFIBUS的過程自動化解決方案的過程自動化解決方案，PA將自動化系統(tǒng)和過程自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備，如壓力、溫度和液位變送器等連接起

4、來，代替了代替了4-20mA模擬信號傳輸技模擬信號傳輸技術術。因此，PA尤其適用于石油、化工、冶金石油、化工、冶金等行業(yè)的過程自動化控制系統(tǒng)。3.PROFIBUS-FMS：解決車間一級通用性通信車間一級通用性通信任務任務，F(xiàn)MS提供大量的通信服務，用以完成以中等以中等傳輸速率進行的循環(huán)和非循環(huán)的通信傳輸速率進行的循環(huán)和非循環(huán)的通信任務。由于它是完成控制器和智能現(xiàn)場設備之間的通信以及控制器和智能現(xiàn)場設備之間的通信以及控制器之間的信息交換控制器之間的信息交換，因此它考慮的主要是系系統(tǒng)的功能而不是系統(tǒng)響應時間統(tǒng)的功能而不是系統(tǒng)響應時間，應用過程通常要求的是隨機的信息交換 (如改變設定參數等)?？捎糜?/p>

5、大范圍和復雜的通信系統(tǒng)大范圍和復雜的通信系統(tǒng)。PROFIBUS 協(xié)議的特點1) 不支持長信息段不支持長信息段 235 B2)不支持短信息組塊功能不支持短信息組塊功能3)本規(guī)范不提供由網絡層支持運行的功能不提供由網絡層支持運行的功能4)除規(guī)定的最小組態(tài)外，根據應用需求可以可以建立任意的服務子集建立任意的服務子集。5)其他功能是可選的，如口令保護方法等。6)網絡拓撲是總線形網絡拓撲是總線形，兩端帶終端器或不帶終端器。7)介質、距離、站點數取決于信號特性。8)傳輸速率取決于網絡拓撲和總線長度，從9.6 kbit/s l2 Mbit/s不等。9)可選第二種介質可選第二種介質 (冗余)。10)在傳輸時，

6、使用半雙工，異步，滑差 (Slipe)保護同步 。11)報文數據的完整性，用海明距離 (HD)=412)地址定義范圍為：0126(對廣播相群播而言，126是全局地址)。13)使用兩類站:主站主站 (主動站，具有總線存取具有總線存取控制權控制權)和從站從站 (被動站，沒有總線存取控制沒有總線存取控制權權)。14)總線存取總線存取基于混合、分散、集中混合、分散、集中3種方式。15)數據傳輸服務有兩類: 非循環(huán)的非循環(huán)的：有/無應答要求的發(fā)送數據;有應答要求的發(fā)送和請求數據。循環(huán)的循環(huán)的 ( (輪詢輪詢) )：有應答要求的發(fā)送和請求數據。3.1 PROFIBUS的協(xié)議類型 PROFIBUS通信模型參

7、照了ISO/OSI參考模型的第1層（物理層物理層）和第2層（數據鏈路層數據鏈路層），其中FMSFMS還采用了第還采用了第7 7層層（應用層應用層）,另外增加了用戶層用戶層。PROFIBUSPROFIBUSDPDP和和PROFIBUSPROFIBUSFMSFMS的第的第1 1層和第層和第2 2層相同層相同， PROFIBUS-FMS有第7層，PROFIBUSDP無第7層。PROFIBUSPA有第1層和第2層，但與DP/FMS有區(qū)別，無第7層。PROFIBUS通信模型通信模型 3.2 PROFIBUS的通信模型3.2.1 物理層3.2.2 現(xiàn)場總線數據鏈路層3.2.3 應用層3.2.1 物理層1.

8、DP/FMS(1.DP/FMS(RS-485RS-485) )的物理層的物理層2.DP/FMS(2.DP/FMS(光纖電纜光纖電纜) )的物理層的物理層3.3.PAPA的物理層的物理層3.2.1 3.2.1 物理層物理層1.DP/FMS(RS-485)1.DP/FMS(RS-485)的物理層的物理層屏蔽雙絞電纜屏蔽雙絞電纜符合EIA RS-485EIA RS-485標準標準(也也稱稱H2H2)總線段的兩端各有一個終端器終端器傳輸速率從9.6kbit/s9.6kbit/s到到12Mbit/s12Mbit/s可選RS-485總線段的結構 RS485總線段的結構.BA 最多32個站 VP(6)390

9、220390DGND(5) VP(6)390220390DGND(5)RS485段（1 1）傳輸程序）傳輸程序半雙工半雙工、異步異步、無間隙同步無間隙同步NRZNRZ（不歸零）編碼（不歸零）編碼“1”RXD/TXD-PRXD/TXD-P（Receive/Transmit-Data-P）線上的正電位，而在RXD/TXD-NRXD/TXD-N線上則正相反。各報文的空閑各報文的空閑（idle）狀態(tài)對應于二進制二進制“1 1”信號信號A A線線對應于RXD/TXD-NRXD/TXD-N信號，而B B線線對應于RXD/TXD-PRXD/TXD-P信號信號。（2 2）總線連接）總線連接國際性的PROFIB

10、US標準EN50170推薦使用9 9針針D D型連接器型連接器用于總線站與總線的相互連接（9針頭）。D型連接器的插座與總線站插座與總線站相相連接，而D型連接器的插頭與總線電纜插頭與總線電纜相連接。(3)(3)總線終端器總線終端器根據EIA RS-485標準，在數據線A和B兩端均加接總線終端器。空閑狀態(tài)：確定的空閑電位。可以由跳接器或開關來啟動。傳輸速率大于傳輸速率大于1.5Mbit/s1.5Mbit/s時，由于所連接站的電容性負載電容性負載而引起導線反射導線反射，因此必須使用附加有軸向電感的總線軸向電感的總線連接插頭。（4 4）傳輸技術）傳輸技術網絡拓撲網絡拓撲：線性總線，兩端有有源的總線終有

11、源的總線終端電阻端電阻；傳輸速率傳輸速率： 9.6 kbit/s9.6 kbit/s12 Mbit/s12 Mbit/s；介質介質：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（EMC）；站點數站點數：每段每段3232站站（無中繼），126126站站（有中繼）；插頭連接插頭連接：9 9針針D D型插頭型插頭（5）拓撲結構）拓撲結構2.DP/FMS(2.DP/FMS(光纖電纜光纖電纜) )的物理層的物理層PROFIBUS第1層的另一種類型是通過光纖導體光纖導體中光的傳輸中光的傳輸來傳送數據。站之間的距離最大到：站之間的距離最大到：15 km15 km。用玻璃或塑料纖維制成的光纖電纜可用作傳輸介質。

12、玻璃光纖能處理的連接距離達到：15km15km，而塑料光纖只能達到：80m80m。連接技術連接技術(1)OLM(1)OLM技術技術 (Optical Link Module)(2)OLP(2)OLP技術技術 (Optical Link Plug)（3）集成的光纖電纜連接集成的光纖電纜連接使用集成在設備中的光纖接口將PROFIBUS節(jié)點與光纖電纜直接連接。（4）OBTOBT（Optical Fiber Bus Terminal，光纖總線終端光纖總線終端） 一個不帶集成纖維光纜接頭的PROFIBUS站或一個RS-485段可以通過OBT連接到一個光纖電路。3.PA3.PA的物理層的物理層（1）數據傳

13、輸非直流傳輸的位同步非直流傳輸的位同步、曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼 (也稱H1H1編碼編碼)。數據的發(fā)送采用對總線系統(tǒng)的基本電流總線系統(tǒng)的基本電流IBIB調節(jié)調節(jié)9mA9mA的方法的方法實現(xiàn) 。PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA的數據傳輸的數據傳輸（2）總線連接）總線連接 （PA 總線段的結構）總線段的結構）（3）拓撲結構）拓撲結構樹型結構樹型結構是典型的現(xiàn)場安裝技術，現(xiàn)場分配現(xiàn)場分配器器負責連接現(xiàn)場設備與主干總線連接現(xiàn)場設備與主干總線，所有連接在現(xiàn)場總線上的設備通過現(xiàn)場分配器現(xiàn)場分配器進行并并行切換。行切換。PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA圖3-11 樹型結構PROFIB

14、US-DP終端電阻終端電阻DP/ PA耦合器（Exi）控制器供電設備（Exi）多路分配器現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備控制室現(xiàn)場總線型結構：總線型結構：提供了與供電電路安裝類似的沿現(xiàn)場總線電纜的連接點，現(xiàn)場總線電纜可通過現(xiàn)場設備連接成回路，其分支線也可連接一個或多個現(xiàn)場設備。終端電阻圖3-12 總線型結構終端電阻PROFIBUS-DPPROFIBUS-PADP/ PA耦合器（Exi）控制器供電設備（Exi）控制室現(xiàn)場現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備樹型與線型的組合結構：樹型與線型的組合結構：基于IEC61158-2IEC61158-2傳輸技術總線段與基于RS485傳輸技術總線段可以通

15、過DP/PADP/PA耦合器或鏈接器耦合器或鏈接器相連，耦合器使RS485信號和IEC61158-2信號相適配。供電設備（Exi）圖3-13 樹型與線型的組合結構II PROFIBUS-PA/ IEC61158-2PROFIBUS-DP終端電阻終端電阻DP/ PA耦合器（Exi）控制器現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備控制室現(xiàn)場I I I多路分配器現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備外接電源非本質安全區(qū)本質安全區(qū)（4 4） IECl158-2IECl158-2傳輸技術特性傳輸技術特性：數據傳輸:數字式數字式、位同步位同步、曼徹斯特曼徹斯特編碼編碼;傳輸速率:31.25kbit/s31.25kbit/s，電壓式電壓式;數據可

16、靠性:前同步信號，采用起始和前同步信號，采用起始和終止界定符避免誤差終止界定符避免誤差;電纜:雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式;遠程電源供電遠程電源供電:可選附件，通過數據線;防爆型防爆型:能進行本征及非本征安全操作;拓撲拓撲:總線形或樹形，或兩者相組合;站數站數:每段最多32個，總數最多為126個;中繼器中繼器:最多可擴展至4臺。3.2.2 現(xiàn)場總線數據鏈路層根據OSI參考模型，數據鏈路層：數據鏈路層：規(guī)定總總線存取控制線存取控制、數據安全性數據安全性以及傳輸協(xié)議傳輸協(xié)議和報文的處理報文的處理。在PROFIBUS中，數據鏈路層 (第2層)稱為FDL層 (現(xiàn)場總線數據鏈路層現(xiàn)場

17、總線數據鏈路層)。PROFIBUSPROFIBUS的報文格式的報文格式PROFIBUS的報文格式：1.1.有固定信息字有固定信息字段長度的格式段長度的格式2.2.帶數據的有固帶數據的有固定信息字段長度定信息字段長度的格式的格式3.3.有可變信息字有可變信息字段長度的格式段長度的格式4.4.短應答短應答5.5.令牌報文令牌報文L:L:信息字段長度。信息字段長度。SC(SC(單字符單字符):):單字符，僅用于應答。單字符，僅用于應答。SD1SD1SD4(SD4(起始界定符起始界定符):):起始字節(jié)起始字節(jié)，用于，用于區(qū)別區(qū)別不同的報文格式。不同的報文格式。LE/LEr:LE/LEr:長度字節(jié)，指出

18、可變長報文中信息字長度字節(jié)，指出可變長報文中信息字段的長度。段的長度。DA(DA(目的地址目的地址):):目的地址字節(jié)，指出將接收此目的地址字節(jié)，指出將接收此信息的站。信息的站。FC(幀控制):控制字節(jié)，包含用于此信息的服務和此信息的優(yōu)先權的詳細說明。DU:數據單元，包含報文的有用信息，必要時還包含擴展地址的詳細說明。FCS(幀校驗順序):校驗字節(jié)，包含報文校驗和 (不進位地加所有報文字節(jié)的和)。ED(終止界定符):終止字節(jié)，指出此報文終止。第2層報文格式提供高級的傳輸安全性，海明距離HD=4。檢查以下類型錯誤： 字符格式出錯 (奇偶校驗，溢出，幀出錯) 協(xié)議出錯 起始和終止界定符出錯 幀校驗

19、字節(jié)出錯點對點的數據傳輸廣播和群播通信的多點傳輸第2層提供的數據服務如下:1)發(fā)送數據需應答 (SDA)2)發(fā)送數據無需應答 (SDN）3）發(fā)送和請求數據需回答 (SRD)4）循環(huán)地發(fā)送和請求數據需回答 (CSRD)。上一層通過第2層的SAP(服務存取點)調用這些服務：SSAP(源服務存取點)和DSAP(目的服務存取點)。3.2.3 應用層PROFIBUS的應用層由FMSFMS接口接口(現(xiàn)場總線報文規(guī)范)和LLILLI接口接口( (低層接口低層接口) )組成。在不同的應用中，具體需要的功能范圍必須具體需要的功能范圍必須與具體應用相適應，這些適應性定義稱為與具體應用相適應，這些適應性定義稱為行行

20、規(guī)規(guī)。行規(guī)提供了設備的可互換性行規(guī)提供了設備的可互換性，保證不同廠商不同廠商生產的設備具有相同的通信功能。生產的設備具有相同的通信功能。l. PROFIBUS-FMSl. PROFIBUS-FMS行規(guī)行規(guī)（1）控制器間的通信控制器間的通信 (3.002):可編程控制器 (PLC)之間通信的FMS服務。（2）樓宇自動化行規(guī)樓宇自動化行規(guī) (3.001):對樓宇自動化系統(tǒng)使用FMS進行監(jiān)視、閉環(huán)和開環(huán)控制、操作控制、報警處理及系統(tǒng)檔案管理作了描述。（3）低壓開關設備低壓開關設備 (3.032):通過FMS在通信過程中低壓開關設備的應用行為。2.PROFIBUS-DP行規(guī)行規(guī)PROFIBUS-DP只

21、使用了第1層和第2層。而用戶接口定義了PROFIBUS-DP設備可使用的應用功能以及各種類型的系統(tǒng)和設備的行為特性。（1）NC/RCNC/RC行規(guī)行規(guī) (3.052):機床和裝配機器人（2）編碼器行規(guī)編碼器行規(guī) (3.062):回轉式、轉角式和線性編碼器與PROFlBUS-DP的連接。（3）變速傳動行規(guī)變速傳動行規(guī) (3.071):傳動技術設備生產廠商共同制定了PROFIDRIVE行規(guī)。（4）操作員控制和過程監(jiān)視行規(guī)操作員控制和過程監(jiān)視行規(guī) (HMI):通過PROFIBUS-DP與更高一級自動化部件的連接。3.PROFIBUS-PA3.PROFIBUS-PA行規(guī)行規(guī)PROFIBUS-PA行規(guī)保

22、證了不同廠商所生產的現(xiàn)場設備的互換互換性和互操作性性和互操作性，PA行規(guī)的任務是選用各種類型現(xiàn)場設備真正需要的通信功能，對所有通用的測量變送器和其他被選類型的設備作了具體規(guī)定:（1）壓力、液位、溫度和流量用測量變送器壓力、液位、溫度和流量用測量變送器（2）數字量輸入和輸出數字量輸入和輸出（3）模擬量輸入和輸出模擬量輸入和輸出（4）閥門閥門（5）定位器定位器3.3 PROFIBUS-DP的總線設備類型和數據通信3.3.1 概述3.3.2 DP設備類型3.3.3 DP設備之間的通信3.3.4 PROFIBUS-DP循環(huán)3.3.5 采用交叉通信的數據交換3.3.6 設備數據庫文件3.3.1 概述PR

23、OFIBUS-DPPROFIBUS-DP協(xié)議：協(xié)議：是為自動化制造工廠中分散的分散的I/0I/0設備設備和現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備所需要的高速數據通信高速數據通信而設計的。典型的DP配置是單主站結構單主站結構DPDP主站與主站與DPDP從站間從站間的通信基于主主- -從從原理，一個報文循環(huán)由DP主站發(fā)出的請求幀請求幀 (輪詢報文)和由DP從站返回的有關應答或響應幀應答或響應幀組成。單 主 站 結 構在DP主站上處理輪詢表的情況多主站結構3.3.2 DP設備類型1.DP主站（1類） 循環(huán)地與循環(huán)地與DPDP從站交換用戶數據從站交換用戶數據：PLCPLC、PCPC都可以做1類主站使用的控制器。通信任務：

24、(l)Set_Prm和Chk_Cfg 在啟動、重啟動和數據傳輸啟動、重啟動和數據傳輸階段，DP主站使用這些功能發(fā)送參數集參數集給DP從站。 (2)Data一Exchange 循環(huán)地與指定循環(huán)地與指定DPDP從站進行輸入從站進行輸入/ /輸出數據交換輸出數據交換。(3)Slave_Diag 在啟動期間或循環(huán)的用戶數據交換期間，讀取讀取DPDP從站的診斷信息。從站的診斷信息。(4)Global_Control DPDP主站將它的運行狀態(tài)告知給各主站將它的運行狀態(tài)告知給各DPDP從站從站；將控制命令發(fā)送給個別從站或規(guī)定的DP從站組，以實現(xiàn)實現(xiàn)輸出數據和輸入數據的同步輸出數據和輸入數據的同步 (Syn

25、c和Freeze命令)。 2.DP從站 PLCPLC、分散式分散式I/OI/O、驅動器、傳感器、執(zhí)行驅動器、傳感器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備機構等現(xiàn)場設備。 DP從站只與裝載此從站的參數并組態(tài)它的DP主站交換用戶數據。DP從站可以向此主站報告本地診斷中斷和過程中斷。 3.DP主站 (2類) 2 2類類DPDP主站是操作元工作站主站是操作元工作站、編程裝置編程裝置，診斷和管理設備診斷和管理設備，完成各站點的數據讀寫完成各站點的數據讀寫、系系統(tǒng)配置統(tǒng)配置、故障診斷故障診斷等。特殊功能:(l)RD_Inp和RD_Outp 在與與l l類類DPDP主站進行數據通信主站進行數據通信的同時，讀取讀取DPDP從站

26、的輸入和輸出數據從站的輸入和輸出數據。(2)Get_Cfg 讀取讀取DPDP從站的當前組態(tài)數據從站的當前組態(tài)數據。(3)Set_Slave_Add DP主站 (2類)分配一個新的總線地址新的總線地址給一個DP從站。4.DP組合設備 可以將l類DP主站、2類DP主站和DP從站組合在一個硬件模塊中形成一個DP組合設備。 這樣的設備是很常見的，一些典型的設備組合如下: （1 1）l l類類DPDP主站主站與2 2類類DPDP主站主站的組合 （2 2）DPDP從站從站與l l類類DPDP主站主站的組合3.3.3 DP設備之間的通信l.DPl.DP通信關系和通信關系和DPDP數據交換數據交換通信作業(yè)的發(fā)

27、起者：請求方； 通信伙伴：響應方。l類DP主站的請求報文以第2層中的“高優(yōu)先權”報文服務級別處理。由DP從站發(fā)出的響應報文使用第2層中的“低優(yōu)先權”報文服務級別。DP從站可將當前出現(xiàn)的診斷中斷或狀態(tài)事件通知給DP主站，通過將Data_Exchange的響應報文服務級別從 “低優(yōu)先權” 改變?yōu)?“高優(yōu)先權” 來實現(xiàn)。2.2.初始化階段，重啟動和用戶數據通信初始化階段，重啟動和用戶數據通信DP主站檢查DP從站是否在總線上DP主站通過請求從站的診斷數據來檢查DP從站的準備情況DP主站定義DP從站的參數并組態(tài)此從站DP主站循環(huán)地與DP從站交換用戶數據DP從站初始化(1)參數數據 (Set_Prm):參

28、數集包括預定給DP從站的重要的本地和全局參數、特征和功能。Station Status: 與從站有關的功能和設定 Watchdog: (定時監(jiān)視器，“看門狗”)檢查DP主站的故障Ident_Number: DP從站的標識號,由PNO在認證時規(guī)定的DP從站的標識號放在此設備的主要文件中。Group_Ident: 將DP從站分組組合，以便使用Sync和Freeze控制命令。User_Prm_Data: DP從站參數數據 (User_Prm_Data)為DP從站規(guī)定了有關應用數據。（2）組態(tài)數據(Chk_Cfg)在組態(tài)數據報文中，DP主站發(fā)送標識符格式給DP從站，這些標識符格式告知DP從站要被交換的

29、輸入/輸出區(qū)域的范圍和結構。這些區(qū)域 (也稱 模塊)是按DP主站和DP從站約定的字節(jié)或字結構 (標識符格式)形式定義的。標識符格式允許指定輸入或輸出區(qū)域，或各模塊的輸入和輸出區(qū)域。（3）診斷數據 (Slave_Diag)在啟動階段，DP主站使用請求診斷數據來檢查DP從站是否存在和是否準備就緒接收參數信息。由DP從站提交的診斷數據包括符合EN50170標準的診斷部分。還包括此DP從站專用的診斷信息。DP從站發(fā)送診斷信息告知DP主站它的運行狀態(tài)以及發(fā)生出錯事件時出錯的原因。（4）用戶數據 (Data_Exchange)DP從站檢查從DP主站接收到的參數和組態(tài)信息，如果沒有錯誤而且允許由DP主站請求

30、的設定，則DP從站發(fā)送診斷數據報告它已為循環(huán)地交換用戶數據準備就緒：DP主站與DP從站交換所組態(tài)的用戶數據。DP從站只對由定義它的參數并組態(tài)它的l類DP主站發(fā)來的Data_Exchange請求幀報文作出反應。其他的用戶數據報文均被此DP從站拒絕。3.3.4 PROFIBUS-DP 循環(huán)1.PROFIBUS-DP1.PROFIBUS-DP循環(huán)的結構循環(huán)的結構一個DP循環(huán)包括固定部分 和 可變部分。固定部分由循環(huán)報文構成，它包括總線存取控制(令牌管理和站狀態(tài))和與DP從站的I/0數據通信 (Data_Exchange)。DP循環(huán)的可變部分由被控事件的非循環(huán)報文構成。單主總線系統(tǒng)中DP循環(huán)的結構報文

31、的非循環(huán)部分包括下列內容: （1）DP從站初始化階段的數據通信; （2）DP從站診斷功能; （3）2類DP主站通信; （4）DP主站和主站通信; （5）非正常情況下 (Retry)，第2層控制的報 文重復； （6）與DPVl對應的非循環(huán)數據通信; （7）PG在線功能; （8）HMI功能。2.2.固定的固定的PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP循環(huán)的結構循環(huán)的結構對于自動化領域的某些應用來說，固定的DP循環(huán)時間和固定的I/0數據交換是有好處的。與正常的DP循環(huán)相比較，在DP主站的一個固定的DP循環(huán)期內，保留一定的時間用于非循環(huán)通信。允許一定數量的非循環(huán)報文事件。如果此保留的時間末用完，則

32、通過多次給自己發(fā)報文的辦法直到達到所選定的固定總線循環(huán)時間為止，這樣就產生了一個暫停時間。固定的PROFIBUS-DP循環(huán)的結構3.3.5 采用交叉通信的數據交換交叉通信，也稱之為 “直接通信”，是在SIMATlCS7應用中使用PROFIBUS-DP的另一種數據通信方法。在交叉通信期間，DP從站不用1對1的報文 (從-主)響應DP主站，而用特殊的1對多的報文 (從-主)。用交叉通信，通信關系 主-從和 從-從是可能的，但它們并不被所有類型的SIMATICS7 DP主站和從站設備的模塊所支持。3.3.6 設備數據庫文件PROFIBUS設備具有不同的性能特征，特性的不同在于現(xiàn)有功能 (即I/0信號

33、的數量和診斷信息)的不同或可能的總線參數，如波特率和時間的監(jiān)控不同。為達到PROFIBUS簡單的即插即用配置，這些特性均在電子數據單中具體說明，有時稱為設備數據庫文件或GSD文件。(1)總體說明(2)DP主設備相關規(guī)格(3)從設備的相關規(guī)格3.4 PROFIBUS的總線存取控制機制3.4.1 概述3.4.2 PROFIBUS-DP技術簡介3.4.3 PROFIBUS-PA技術簡介3.4.4 PROFIBUS-FMS技術簡介3.4.1 概述3種PROFIBUS(PROFIBUS(DPDP、FMSFMS、PAPA) )均使用一致的總線存一致的總線存取協(xié)議取協(xié)議。數據鏈路層數據鏈路層(Fieldbu

34、s Data Link，F(xiàn)DL) ：保證保證數據可靠性技術數據可靠性技術、傳輸協(xié)議傳輸協(xié)議和報文處理報文處理。介質存取控制介質存取控制 (Medium access controI，MAC)具體控制數據傳輸的程序，MACMAC必須確保在任何一個必須確保在任何一個時刻只有一個站點發(fā)送數據。時刻只有一個站點發(fā)送數據。PROFIBUSPROFIBUS總線存取控制：總線存取控制：要滿足介質控制的2個基本要求： 1)在復雜的自動化系統(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有足夠的時間來完成通信任務。 2)在復雜的程序控制器（PL

35、C/PCPLC/PC）和簡單的I/OI/O設備 (從站)間通信，應盡可能快速又簡單快速又簡單地完成數據的實時傳輸。PROFIBUSPROFIBUS總線存取協(xié)議：總線存取協(xié)議：主站之間主站之間采用令牌總線令牌總線機制，主站與從站之間主站與從站之間采用主從主從機制。令牌傳遞程序：令牌傳遞程序：保證每個主站在一個確切規(guī)定的時間內得到總線存取權 (令牌)。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行令牌傳遞僅在各主站之間進行。主站得到總線存取令牌時可與從站通信：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。3種系統(tǒng)配置：純主純主- -主系統(tǒng)（主系統(tǒng)（令牌傳遞令牌傳遞） 純主

36、純主- -從系統(tǒng)（從系統(tǒng)（主主- -從傳遞從傳遞） 混合系統(tǒng)混合系統(tǒng) PROFIBUS總線存取控制機制總線存取控制機制 主主- -從傳遞從傳遞3.4.2 PROFIBUS-DP技術簡介PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP：現(xiàn)場層的高速數據傳輸。現(xiàn)場層的高速數據傳輸。主站主站周期周期地讀取從站的輸入信息并周期性地地讀取從站的輸入信息并周期性地向從站發(fā)送輸出信息向從站發(fā)送輸出信息，總線循環(huán)時間必須要比主站 (PLC)程序循環(huán)時間短，除周期性用戶數據傳輸外，PROFlBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期性非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理。l.PROFIBUS-DPl.PROFIBU

37、S-DP的基本功能的基本功能(1)(1)傳輸技術傳輸技術1)RS-4851)RS-485雙絞線或光纜雙絞線或光纜2)2)波特率：波特率：9.6 kbit/s - l2 Mbit/s9.6 kbit/s - l2 Mbit/s(2)(2)總線存取總線存取1)各主站間為令牌傳輸令牌傳輸，主站與從站間為主為主- -從從傳輸;2)支持單主單主或多主多主系統(tǒng);3)主-從設備，總線上最多站點數為總線上最多站點數為126126(3)(3)功能功能1)DP1)DP主站主站和和DPDP從站從站間的間的循環(huán)用戶數據傳輸循環(huán)用戶數據傳輸; ;2)2)各各DPDP從站的從站的動態(tài)激活和撤消動態(tài)激活和撤消; ;3)DP

38、3)DP從站組態(tài)的檢查從站組態(tài)的檢查; ;4)4)強大的診斷功能，三級診斷信息強大的診斷功能，三級診斷信息; ;5)5)輸入或輸出的同步輸入或輸出的同步; ;6)6)通過總線通過總線給給DPDP從站賦予地址從站賦予地址; ;7)7)通過總線通過總線對對DPDP主站主站 (DPM1)(DPM1)進行配置進行配置; ;8)8)每個每個DPDP從站最大為從站最大為246246字節(jié)的輸入和輸出數字節(jié)的輸入和輸出數據據。(4)(4)設備類型設備類型1)第二類第二類DPDP主站主站 (DPM2):(DPM2):可編程可編程、可組態(tài)可組態(tài)、可診斷可診斷的設備;2)第一類第一類DPDP主站主站 (DPMl):

39、(DPMl):中央可編程控制器中央可編程控制器，如如PLCPLC、PCPC等等;3)DP3)DP從站從站: :帶二進制或模擬輸入輸出的驅動器、閥門等。(5)診斷功能分為3類:本站診斷：本站診斷：診斷信息表示本站設備的一般操本站設備的一般操作狀態(tài)作狀態(tài)，如溫度過高，電壓過低。模塊診斷：模塊診斷：診斷信息表示一個站點的某具體一個站點的某具體I/OI/O模塊出現(xiàn)故障模塊出現(xiàn)故障 (如8位的輸出模塊)。通道診斷：通道診斷：診斷信息表示一個單獨的輸入輸一個單獨的輸入輸出位的故障出位的故障 (如輸出通道7短路)。(6)(6)系統(tǒng)配置系統(tǒng)配置PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP允許構成單主站單主站或

40、多主站多主站系統(tǒng)，這就為系統(tǒng)配置組態(tài)提供了高度的靈活性。系統(tǒng)配置的描述包括:站點數站點數目目、站點地址站點地址和和輸入輸出數據的格式輸入輸出數據的格式，診斷信息的格式診斷信息的格式以及所使用的以及所使用的總體參數總體參數。(7)(7)運行模式運行模式1)運行運行：輸入和輸出數據的循環(huán)傳輸輸入和輸出數據的循環(huán)傳輸。DPM1DPM1由由DPDP從站讀取輸入信息并向從站讀取輸入信息并向DPDP從站寫入輸出從站寫入輸出信息。信息。2)清除清除：DPM1DPM1讀取讀取DPDP從站的輸入信息從站的輸入信息，并使輸出信息保持為故障故障- -安全狀態(tài)安全狀態(tài)。3)停止停止：只能進行主只能進行主- -主數據傳

41、輸主數據傳輸，DPM1和DP從站之間沒有數據傳輸。(8)(8)通信通信1)點對點點對點 (用戶數據傳輸)或廣播廣播 (控制指令)。2)循環(huán)主循環(huán)主- -從用戶數據傳輸從用戶數據傳輸和非循環(huán)主非循環(huán)主- -主數主數據傳輸。據傳輸。DPM1和DP從站之間的數據傳輸分為3個階段: 參數設定參數設定、組態(tài)配置組態(tài)配置、數據交換數據交換。(9)(9)同步同步1)控制指令允許輸入和輸出的同步。2)同步模式同步模式: :輸出同步輸出同步。3)鎖定模式鎖定模式: :輸入同步輸入同步。(10)(10)可靠性和保護機制可靠性和保護機制1)所有信息的傳輸在海明距離 HD=4 進行。2)DP從站帶看門狗定時器。3)D

42、P從站的輸入輸出存取保護。4)DP主站上帶可變定時器的用戶數據傳輸監(jiān)視。2.PROFIBUS-DP2.PROFIBUS-DP擴展功能擴展功能DP擴展功能允許非循環(huán)的讀寫功能非循環(huán)的讀寫功能并中斷并中斷并行于循環(huán)數據傳輸的應答行于循環(huán)數據傳輸的應答。對從站參數和測量值的非循環(huán)存取可用于某可用于某些診斷或操作員控制站些診斷或操作員控制站 (二類主機，DPM2)。DPDP擴展功能可選，與擴展功能可選，與DPDP基本功能兼容?；竟δ芗嫒?。DP擴展實現(xiàn)通常采用軟件更新軟件更新的辦法。 3.4.3 PROFIBUS-PA技術簡介PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA：是PROFIBUS的過程自動化

43、解決方過程自動化解決方案案。PA將自動化系統(tǒng)與現(xiàn)場設備，例如壓力、溫度和液位變送器的過程控制系統(tǒng)連接起來，PAPA可可以取代以取代4-20mA4-20mA的模擬技術的模擬技術。PA在現(xiàn)場設備的規(guī)劃、電纜敷設、調試、投人運行和維護方面可節(jié)省成本40%以上，并可提供多功能多功能和安全性安全性。1.1.常規(guī)的常規(guī)的4-2OmA4-2OmA系統(tǒng)與基于系統(tǒng)與基于PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA的系的系統(tǒng)在布線方面的區(qū)別統(tǒng)在布線方面的區(qū)別2.2.過程工業(yè)應用領域的特殊要求過程工業(yè)應用領域的特殊要求: :1)1)過程自動化獨特的應用行規(guī)以及來自不同廠商的過程自動化獨特的應用行規(guī)以及來自不同廠商的

44、現(xiàn)場設備的互換性現(xiàn)場設備的互換性; ;2)2)增加和去除總線站點，即使在本質安全地區(qū)也不增加和去除總線站點，即使在本質安全地區(qū)也不會影響到其他站點會影響到其他站點; ;3)3)過程自動化中的過程自動化中的PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA總線段總線段和制造自動和制造自動化中的化中的PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP總線段總線段之間通過之間通過段耦合器段耦合器實現(xiàn)實現(xiàn)通信透明化通信透明化; ;4)4)同樣的兩條線，基于同樣的兩條線，基于IEC61158-2IEC61158-2技術技術可進行可進行遠程遠程供電供電和和數據傳輸數據傳輸; ;5)5)在潛在的爆炸區(qū)使用防爆型在潛在的

45、爆炸區(qū)使用防爆型 本質安全本質安全 或或 非非本質安全本質安全 。3.3. PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA總線的數據傳輸總線的數據傳輸 PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA使用使用PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP的基本功能的基本功能傳輸測量值和狀態(tài)傳輸測量值和狀態(tài)，使用，使用PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP擴展功能擴展功能對現(xiàn)場設備設置參數及操作對現(xiàn)場設備設置參數及操作。 傳輸采用傳輸采用基于基于IEC6l158-2IEC6l158-2的兩線技術的兩線技術。PROFIBUSPROFIBUS總線存取協(xié)議總線存取協(xié)議 ( (第第2 2層層) )和和I

46、EC6l158-9IEC6l158-9技術技術 ( (第第1 1層層) )之間的接口之間的接口在在DIN19245DIN19245系列標準系列標準的第的第4 4部分中作了規(guī)定。部分中作了規(guī)定。 在在IEC6l158-2IEC6l158-2段傳輸時，報文被加上段傳輸時，報文被加上起始起始和和結束結束界定符。界定符。PROFlBUS-PAPROFlBUS-PA總線的數據傳輸總線的數據傳輸3.4.4 PROFIBUS-FMS技術簡介PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS：解決解決車間一級車間一級的通信，在這的通信，在這一級可編程控制器一級可編程控制器 (PLC(PLC和和PC)PC)主要是

47、主要是互相通互相通信信，高級功能比快速系統(tǒng)反應時間高級功能比快速系統(tǒng)反應時間更重要更重要。l.PROFIBUS-FMSl.PROFIBUS-FMS的應用層的應用層現(xiàn)場總線信息規(guī)范現(xiàn)場總線信息規(guī)范(FMS)(FMS)：描述：描述通信對象通信對象和和服務服務低層接口低層接口(LLI)(LLI)：用于將用于將FMSFMS適配到第適配到第2 2層層2.2.通信對象和對象字典通信對象和對象字典 (OD)(OD) 對象字典：包括對象字典：包括描述描述、結構結構和和數據類型數據類型以及通信對以及通信對象的象的內部設備地址內部設備地址和它們在總線上的和它們在總線上的標志標志 ( (索引或索引或名稱名稱) )之

48、間的關系。之間的關系。1)1)頭頭: : 包含對象字典結構的有關信息包含對象字典結構的有關信息; ;2)2)靜態(tài)數據類型表靜態(tài)數據類型表: : 所支持的靜態(tài)數據類型列表所支持的靜態(tài)數據類型列表; ;3)3)變量列表的動態(tài)列表變量列表的動態(tài)列表: : 所有已知變量表列表所有已知變量表列表; ;4)4)動態(tài)程序列表動態(tài)程序列表: : 所有已知程序列表。所有已知程序列表。FMSFMS能識別能識別5 5種通信對象種通信對象: :1)1)簡單變量簡單變量; ;2)2)數組數組 ( (一系列相同類型的簡單變量一系列相同類型的簡單變量););3)3)記錄記錄 ( (一系列不同類型的簡單變量一系列不同類型的簡

49、單變量););4)4)域域; ;5)5)事件事件。FMSFMS可識別可識別2 2種類型的動態(tài)通信對象種類型的動態(tài)通信對象: :1)1)程序調用程序調用; ;2)2)變量列表變量列表 ( (一系列簡單變量，數組或記錄一系列簡單變量，數組或記錄) )。3.PROFIBUS-FMS3.PROFIBUS-FMS服務服務 FMS服務是ISO9506制造信息規(guī)范 (Manufacturing Message Specification, MMS)服務的子集，已在現(xiàn)場總線應用中被優(yōu)化，而且增加了通信對象管理通信對象管理和網絡管理網絡管理功能。通過總線的FMS服務的執(zhí)行用服務序列描述，包括被稱作服務原語的幾個

50、互操作。服務原語服務原語描述請求者和應答者之間的互操作描述請求者和應答者之間的互操作。4.PROFIBUS-FMS4.PROFIBUS-FMS和和PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP的混合操作的混合操作 FMSFMS和和DPDP設備設備可以在同一條總線上的混合操在同一條總線上的混合操作作是PROFlBUS的一個主要優(yōu)點。兩種協(xié)議可兩種協(xié)議可以同時在一個設備上執(zhí)行以同時在一個設備上執(zhí)行，這些設備稱作混合設備。能夠進行混合操作是因為兩種協(xié)議均使用統(tǒng)統(tǒng)一的傳輸技術一的傳輸技術和總線存取協(xié)議總線存取協(xié)議，不同的應用功能由第2層的不同的服務存取點不同的服務存取點區(qū)分。3.5 PROFIBUS的應

51、用(系統(tǒng)集成) 3.5.1 PROFIBUS在工廠自動化系統(tǒng)中的位置3.5.2 PROFIBUS控制系統(tǒng)的組成3.5.1 PROFIBUS在工廠自動化系統(tǒng)中的位置3.5.1 PROFIBUS在工廠自動化系統(tǒng)中的位置3.5.2 PROFIBUS控制系統(tǒng)的組成1一類主站 一類主站指PLC、PC或可做一類主站的控制器。一類主站完成總線通信與管理。2二類主站 二類主站指操作員工作站（如PC機加圖形監(jiān)控軟件）、編程器、操作員接口等。完成各站點的數據讀寫、系統(tǒng)配置、故障診斷等。3從站 （1 1）分散式）分散式I/OI/O 分散式I/O通常由電源、通信適配器及接線端子組成。分散式I/O不具有程序存儲和程序執(zhí)

52、行的功能。通信適配器用于接收主站指令通信適配器用于接收主站指令，按照主站指令驅動驅動I/OI/O，并將將I/OI/O及故障診斷信息返回給主站。及故障診斷信息返回給主站。 由主站統(tǒng)一編址，分散式由主站統(tǒng)一編址，分散式I/OI/O與主站集成與主站集成I/OI/O在在主站編程時無區(qū)別。主站編程時無區(qū)別。（2 2）PLCPLC PLC 可做PROFIBUS上的一個從站，主站可通過通信間接控制從站PLC的I/O。（3 3）驅動器、傳感器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備）驅動器、傳感器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備 帶有PROFIBUS接口的現(xiàn)場設備可作為PROFIBUS從站，可由主站在線完成系統(tǒng)配置、由主站在線完成系統(tǒng)配置、

53、參數修改、數據交換參數修改、數據交換等功能?？蛇M行通信的參數及參數格式由PROFIBUS決定。3.6 PROFIBUS-DP3.6 PROFIBUS-DP系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)3.6.1 ASICs介紹3.6.2 PROFIBUS-DP開發(fā)包4(PACKAGE4)3.6.3 PROFIBUS-DP智能從站節(jié)點設計3.6.1 ASICs3.6.1 ASICs介紹介紹西門子為PLC之間簡單高速的數字通信提供用戶ASICs。ASICAutomation Special Integrated Circuit參照PROFIBUS DlN19245第1部分和第3部分設計的這些ASICs，支持并可以完全處理支持并

54、可以完全處理PLCPLC站站之間的數據通信之間的數據通信。ASICsASICs與微處理器結合與微處理器結合提供智能從站的解決方案提供智能從站的解決方案：SPC(Siemens PROFIBUS controller)SPC(Siemens PROFIBUS controller)：基于基于OSIOSI參考參考模型的第模型的第1 1層層，需要附加一個微處理器用于實現(xiàn)第附加一個微處理器用于實現(xiàn)第2 2層層和第和第7 7層的功能層的功能。 SPC2SPC2：集成了第2層的執(zhí)行總線協(xié)議的部分，附加微處理器執(zhí)行第2層的其余功能 (即接口服務和管理)。 ASPC2ASPC2：集成了第2層的大部分功能，但仍

55、需要微處理器?？梢灾С?2Mbaud總線。主要用于復雜的主要用于復雜的主站主站設計設計。SPC3SPC3：集成了全部PROFTBTTS一DP協(xié)議，有效地減輕了處理器的壓力，因此可用于12Mbaud總線。SPC4SPC4創(chuàng)支持DP，F(xiàn)MS和PA協(xié)議類型，且可以工作于12Mbaud總線。LSPM2LSPM2(Lean Siemens PROFIBUS Multiplexer)：在自動化工程領域也有一些簡單的設備，如:開關、熱元件，不需要微處理器記錄它們的狀態(tài)。主主 要要 內內 容容1.從站通信控制器SPC3 2.相關接口3.主站通信控制芯片ASPC24.網絡接口卡1.1.從站通信控制器從站通信控制

56、器SPC3SPC3SPC3只集成了傳輸技術的部分功能，而沒有集成模擬功能 (RS-485驅動器)、FDL(現(xiàn)場總線數據鏈路Fieldbus Data Link)傳輸協(xié)議。它支持接口功能、FMA功能和整個DP從站協(xié)議,用戶接口讓用戶很容易訪問第2層。第2層的其余功能 (軟件功能和管理)需要通過軟件來實現(xiàn)。2.相關接口（1）ASIC接口方式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器看門狗定時器等寄存器規(guī)定了ASIC硬件的功能和保溫處理過程。（2）PROFIBUS-DP接口（3）通信處理器總線接口（4）UART(通用異步接收器發(fā)送器)（5）PROFIBUS接口3.主站通信控制芯片ASPC2Siemens公司生產

57、的主站通信控制器，該通信控制器可以完全處理PROFIBUS EN50170的第一層和第二層，同時ASPC2還為PROFIBUS-DP和使用段藕合器的PROFIBUS-PA提供一個主站。ASPC2通信控制器用作一個DP主站時需要龐大的軟件(約64KB)，PROFIBUSASIC可用于從站應用，鏈接低級設備 (如:控制器、執(zhí)行器、測量變送器和分散1/0設備)。4.4.網絡接口卡網絡接口卡（1）CP5611 網絡接卡用于工控機連接到PROFIBUS和SlMATIC S7的MPI。支持PROFIBUS的主站和從站、PG/OP、S7通信。OPC Server軟件包已包含在通信軟件供貨，但是需要SOFrN

58、ET支持。（2）CP5611與從站通信的過程 當CP5611作為網絡上的主站時，CP5611通過輪詢方式與從站進行通信。通常按地址增序輪詢所有的從站，當與最后一個從站通信完以后，接著再進行下一個周期的通信。這樣就保證所有的數據 (包括輸出數據，輸入數據)都是最新的。主要報文有:令牌報文，固定長度沒有數據單元的報文，固定長度帶數據單元的報文，變數據長度的報文。 （3）CP5613網絡接卡CP5613是Siemens公司推出的基于PCI總線的PROFIBUS-DP網絡接口卡，其報價已包括軟件使用費，目前，一般使用該網絡接口卡。用于工控機連接到PROFIBUS，一個PROFlBUS接口，僅支持DP主

59、站、PG/OP、S7通信。OPCSerVer軟件包已包含在通信軟件供貨。3.6.2 PROFIBUS-DP開發(fā)包4開發(fā)包4(PACKAGE4)是專門對Siemem的從站ASIC芯片SPC3開發(fā)而提供的，它包括SPC3與單片微控制器的接口電路圖以及主站和從站的所有源代碼，有了開發(fā)包4將會加快用戶PROFIBUS-DP產品的開發(fā)，Siemens公司所提供的接口模塊的優(yōu)點在于開發(fā)人員不需要再開發(fā)附加的外圍電路，不同的接口模塊可用于各種需求及應用場合。開發(fā)包4(PACKAGE4)的組成開發(fā)包4 很容易將一個產品快速連接到PROFIBUS-DP上。 1.硬件 2.軟件 3.文檔主站和從站都可以使用PAC

60、KAGE4并行開發(fā)，最大數據傳輸速率為12Mbit。1.1.硬件硬件(1)(1)IM180IM180主站接口模塊主站接口模塊IMl80可將第三方設備作為主站連接到PROFIBUS-DP上。該模塊可完全獨立完成總線控制。IMl80可將接替PLC、PC、驅動器、人機接口的通信處理任務，最大數據傳輸速率l2Mbit/s。專用集成電路ASPC2芯片可獨立處理總線協(xié)議，與主系統(tǒng)的通信通過雙口RAM完成。數據交換由應用程序完成。(2)(2)IM183-1IM183-1從站接口模塊從站接口模塊IM183-1可將第三方設備作為從站簡便的連接到PROFIBUS-DP上。最大數據傳輸速率l2Mbit/s。IM18