自學工業控制網絡之路1.2-典型的現場總線介紹PROFIBUS

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自學工業控制網絡之路1.2-典型的現場總線介紹PROFIBUS

目前看來，現場總線標準不會統一，多標準並存現象將會持續。

現場總線國家標準：

• 中國的DeviceNet和ASi
• 德國的PROFIBUS
• 法國的FIP
• 英國的ERA
• 挪威的FINT等
• 丹麥的PINT

現場總線企業標準：

• Echelon公司的LONWORKS
• Phenix Contact公司的Interbus
• Robert Bosch公司的CAN
• Rosemount公司的HART
• Carlo Garazzi公司的Dupline
• Process Date公司的P-net
• Peter Hans公司的F-Mux

PROFIBUS

 1987年制定，主要支持者德國西門子。
 1991年4月在DIN19245中發表，正式稱爲德國標準。只有PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS。
 1994年推出PROFIBUS-PA，引用了IEC標準的物理層（IEC1158-2）。
 1996年3月15日，批准成爲歐盟標準EN500170的第2卷。
 1999年，成爲國際標準IEC61158的組成部分(TYPEIII)

1.PRIFIBUS組成

由三個部分組成：
（1）PROFIBUS-FMS：主要用來解決車間級通用性通訊任務，可用於大範圍和複雜通訊，定義了主站到主站之間的通訊功能。總線週期通常小於100ms，市場佔額比最小。
（2）PROFIBUS-DP：其設計專門爲自動控制系統和分散的I/O設備級之間進行通訊使用的，面向工廠現場應用的。總線週期通常小於10ms，市場佔額比最大。
         歷史發展3個版本：
         PROFIBUS-DP V0基本版本：

• 總線訪問方法：各主站之間爲令牌傳送，主站與從站間爲主－從循環傳送，支持單主站或多主站系統，總線上多126個站。
• 循環數據交換：能夠實現中央處理器（PLC，過程控制系統，PC）與分佈式現場設備（從站例如I/O、閥門、變送器和分析儀等）之間的快速循環數據交換，主站發出請求報文，從站收到後返回響應報文，這種循環數據交換是在被稱爲MS0的鏈接上進行的。
• 診斷功能：通過擴展的PROFIBUS-DP診斷，能對站級、模塊級、通道級這3級故障進行診斷和快速定位，診斷信息在總線上傳輸並由主站採集。
• 保護功能：對DP從站輸出進行訪問保護，DP主站用監控定時器監視與從站的通訊，對每一個從站都設置有獨立的監控定時器。在規定的監視時間間隔內，若是沒有執行用戶數據傳送，將會使監控定時器超時，通知用戶程序進行處理。
•  經過網絡的組態功能與控制功能：經過網絡能夠實現下列功能，動態激活或關閉DP從站，對DP主站(DPM1）進行配置，能夠設置站點 的數目、DP從站的 地址、輸入、輸出數據的格式、診斷報文的格式等，以及檢查DP從站的組態。控制命令能夠同時發送給全部的從站或部分從站。
• 同步與鎖定功能：用SYNC命令使指定從站進入同步模式，用「UNSYNC」命令來解除。用FREEZE命令使指定從站進入鎖定模式，用「UNFREEZE」命令解除鎖定模式。
• DPM1和系統組態設備之間的循環數據傳輸：PROFIBUS-DP容許主站之間的數據交換，即DPM1和DPM2之間的數據交換。該功能使組態和診斷設備能夠經過總線對系統進行組態，DPM1的操做方式，動態地容許或禁止DPM1與某些從站之間交換數據。

          PROFIBUS-DP V1 版本：

• 基於DP-V0的全部功能
• DP-V1最主要的特徵是具備主站與從站之間的非循環數據交換功能，能夠用它來進行參數設置、診斷和報警處理。非循環數據 交換與循環數據交換是並行執行的，可是優先級較低。
• 第二個特徵是具備擴展診斷功能，DP從站經過診斷報文將突發事件（報警信息）傳送給主站，主站收到後發 送確認報文給從站。從站收到後只能發送新的報警信息，這樣能夠防止屢次重複發送同一報警報文。狀態報文由從站發送給主站，不須要主站確認。

          PROFIBUS DP-V2 版本：

• 從站與從站之間的通訊：從站之間的直接數據交換（DX）通訊採用廣播式的通訊方式。
• 等時同步模式：同眇功能能夠實現主站與從站中的時鐘同步，而與總線負載無關。此可能能夠實現高精度定位處理，偏差小於1微秒。
• 時鐘控制與時間標記：經過用於時鐘同步的新的鏈接MS3，實時時間主站將時間標記發送給全部的從站，將從站的刊名同步到系統時間，偏差小於1毫秒。
• HARTTonDP:HART是一種應用較廣的現場總線。HART規範將HART客戶－主機－服務器模型映射到PROFIBUS。
• 上載與下載（區域裝置）：這一功能容許用少許的裝載任意現場設備中任意大小的數據區。
• 功能請求：功能請求服務用於對DP從站的程序進行控制是（啓動、中止、返回或從新啓動）和功能調用。
• 從站冗餘

（3）PROFIBUS-PA：其設計專門爲過程自動化設計的，他可以使傳感器和執行器按在一根共用的總線上，本質安全通訊傳輸。IEC1158-2標準，PROFIBUS-PA用雙線進行總線供電和數據通訊。

2.PRIFIBUS應用範圍

 

（1）PROFIBUS-FMS：加工自動化，通用，應用範圍廣，多主機通訊
（2）PROFIBUS-DP：加工自動化，快捷，插接方便，效益好，價格適中
（3）PROFIBUS-PA：過程自動化，面向行業，總線饋電和本質安全可選

3 .PRIFIBUS參考模型

 

 PROFIBUS協議結構根據ISO7498國際標準，以OSI做爲參考模型，但省略了3~6層，卻增長了服務層。
（1）PROFIBUS-DP：使用了第1層物理層，第2層數據鏈路層和用戶層。這種精簡結構確保了數據傳輸能夠快速和有效進行。
                  第1層物理層提供了用於傳輸的RS-485傳輸技術或光纖。
                  第2層現場總線數據鏈路層FDL提供了採用基於Token-Passing的主從分時輪詢協議，完成總線訪問控制盒可靠的數據傳輸。
                  用戶層規定了用戶、系統以及不一樣設備能夠調用的應用功能，是第三方的應用程序能夠被直接調用，並詳細說明了各類不一樣PROFIBUS-DP設備的設備行爲。
（2）PROFIBUS-FMS：使用了第1層物理層，第2層數據鏈路層和第7層。
                  第1層物理層提供了用於傳輸的RS-485傳輸技術或光纖。
                  第2層現場總線數據鏈路層FDL提供了採用基於Token-Passing的主從分時輪詢協議，完成總線訪問控制盒可靠的數據傳輸。（因爲FDL相同，PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS能夠在同一根電纜上同時操做）
                  第7層即爲應用層，現場總線報文規範，包括了應用協議，並向用戶提供了可普遍選用的強有力的通訊服務。           

（3）PROFIBUS-PA：使用了第1層物理層，第2層數據鏈路層和用戶層。可是物理層和數據鏈路層定義規範不相同。
                  第1層物理層採用與FF總線規範標準一致的IEC 1158-2,通訊信號採用曼徹斯特編碼，傳輸速率爲31.25Kbps 。（因爲物理層不一樣，PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA網段間必須經過耦合器才能相聯）
                  第2層現場總線數據鏈路層採用了擴展的Token-Passing的主從分時輪詢協議，與DP所用基本相同，但提供IEC接口。
                  用戶層規定了用戶、系統以及不一樣設備能夠調用的應用功能，是第三方的應用程序能夠被直接調用，並詳細說明了各類不一樣PROFIBUS-DP設備的設備行爲。 

4 . PRIFIBUS傳輸技術

 PROFIBUS提供了三種傳輸技術：

•  用於DP和FMS的RS-485傳輸
•  用於PA的IEC 1158-2傳輸
•  光纖

 

4.1  RS-485

4.1.1  RS-485傳輸技術基本特徵：

① RS-485是PROFIBUS中最多見的一種傳輸技術，RS-485又名TIA-485-A, ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485，一般稱爲H2

     RS485是一個定義平衡數字多點系統中的驅動器和接收器的電氣特性的標準，該標準由電信行業協會和電子工業聯盟定義。

     使用該標準的數字通訊網絡能在遠距離條件下以及電子噪聲大的環境下有效傳輸信號。

② RS485有兩線制和四線制兩種接線：

• 四線制只能實現點對點的通訊方式，現不多采用
• 如今多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式爲總線式拓撲結構，在同一總線上最多能夠掛接32個節點。

③ 在RS485通訊網絡中通常採用的是主從通訊方式，即一個主機帶多個從機。

     採用屏蔽雙絞銅線，共用一根導線對。
     不少狀況下，鏈接RS-485通訊鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的「A」、「B」端鏈接起來，而忽略了信號地的鏈接，這種鏈接方法在許多場合是能正常工做的，但卻埋下了很大的隱患：

• 緣由一是共模干擾：RS-485接口採用差分方式傳輸信號方式，並不須要相對於某個參照點來檢測信號，系統只需檢測兩線之間的電位差就能夠了，但容易忽視了收發器有必定的共模電壓範圍，RS-485收發器共模電壓範圍爲-7到+12V，只有知足上述條件，整個網絡才能正常工做；當網絡線路中共模電壓超出此範圍時就會影響通訊的穩定可靠，甚至損壞接口；
•  緣由二是EMI的問題：發送驅動器輸出信號中的共模部分須要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。

 ④電纜

• 在低速、短距離、無干擾的場合能夠採用普通的雙絞線
• 在高速、長線傳輸時，則必須採用阻抗匹配（通常爲120Ω）的RS485專用電纜（STP-120Ω（用於RS485 & CAN）一對18AWG）
• 在干擾惡劣的環境下還應採用鎧裝型雙絞屏蔽電纜（ASTP-120Ω（用於RS485 & CAN）一對18AWG）。

    傳輸速率：可選在9.6Kbps~12Mbps
    站點數：每分段32個站，不帶中繼器；帶中繼器可多達127個站

   ④佈線方式

     網絡拓撲通常採用終端匹配的總線型結構。在構建網絡時，應注意以下幾點：

• 採用一條雙絞線電纜做總線，將各個節點串接起來，從總線到每一個節點的引出線長度應儘可能短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。有些網絡鏈接儘管不正確，在短距離、低速率仍可能正常工做，但隨着通訊距離的延長或通訊速率的提升，其不良影響會愈來愈嚴重，主要緣由是信號在各支路末端反射後與原信號疊加，會形成信號質量降低。
• 應注意總線特性阻抗的連續性，在阻抗不連續點就會發生信號的反射。下列幾種狀況易產生這種不連續性：總線的不一樣區段採用了不一樣電纜，或某一段總線上有過多收發器緊靠在一塊兒安裝，再者是過長的分支線引出到總線。總之，應該提供一條單1、連續的信號通道做爲總線。
• 注意終端負載電阻問題，在設備少距離短的狀況下不加終端負載電阻整個網絡能很好的工做，但隨着距離的增長性能將下降。理論上，在每一個接收數據信號的中點進行採樣時，只要反射信號在開始採樣時衰減到足夠低就能夠不考慮匹配。但這在實際上難以掌握，美國MAXIM公司有篇文章提到一條經驗性的原則能夠用來判斷在什麼樣的數據速率和電纜長度時須要進行匹配：當信號的轉換時間（上升或降低時間）超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就能夠不加匹配。

   ⑤插頭鏈接：最好使用9針D型插頭。
4.1.2  RS－485傳輸設備安裝要點

• 所有設備均與決線鏈接。
• 每一個分段上最多可接32個站（主站或站）。
• 每段的頭和尾各有一個總線終端電阻，確保操做運行不發生偏差。兩個總線終端電阻必須永遠有電源。
• 當分段站超過32個時，必須使用中繼器用以鏈接各總線段。串聯的中繼器通常不超過3個。（注：中繼器沒有站地址，但被計算機在每段的最多站數中）
• 電纜最大長度取決於傳輸速率
• A型電纜參數：
  阻抗：135－165Ω 電容：＜30 pf / m 迴路電阻：110Ω
  線規：0.64mm 導線面積：＞0.34mmΩ
• RS－485的傳輸技術的PROFIBUS網絡最好使用9針D型插頭。
• 當鏈接各站時，應確保數據線不要擰絞，系統在高電磁發射環境（如汽車製造業）下運行應使用帶屏蔽的電纜,屏蔽可提升電磁兼容性（EMC）。
• 如用屏蔽編織線和屏蔽箔，應在兩端與保護接地鏈接，並經過儘量的大面積屏蔽接線來複蓋，以保持良好的傳導性。另外建議數據線必須與高壓線隔離。
• 超過500K bit/s的數據傳輸速率時應避免使用短截線段，應使用市場上現有的插頭可以使數據輸入和輸出電纜直接與插頭鏈接，並且總線插頭鏈接可在任什麼時候候接通或斷開而並不中斷其它站的數據通訊。

 

4.2  IEC1158 - 2

 4..2.1 IEC1158 - 2傳輸技術基本特徵：

（1） 數據IEC1158－2的傳輸技術用於PROFIBUS－PA，能知足化工和石油化工業的要求。它可保持其本徵安全性，並經過總線對現場設備供電。
（2） IEC1158－2是一種位同步協議，可進行無電流的連續傳輸，一般稱爲H1。
（3） IEC1158－2技術用於PROFIBUS－PA，其傳輸如下列原理爲依據：

• 每段只有一個電源做爲供電裝置。
• 當站收發信息時，不向總線供電。
• 每站現場設備所消耗的爲常量穩態基本電流。
• 現場設備其做用如同無源的電流吸取裝置。
• 主總線兩端起無源終端線做用。
• 容許使用線性．樹型和星型網絡。
• 爲提升可靠性，設計時可採用冗餘的總線段。
• 爲了調製的目的，假設每一個部線站至少需用10mA基本電流才能使設備啓動。通訊信號的發生是經過發送設備的調製，從±9mA到基本電流之間。

（4） IEC1158－2傳輸技術特性：

• 數據傳輸：數字式．位同步．曼徹斯特編碼。
• 傳輸速率：31.25K bit /s，電壓式。
• 數據可靠性：前同步信號,採用起始和終止限定符避免偏差。
• 電纜：雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式。
• 遠程電源供電：可選附件，經過數據線。
• 防爆型：能進行本徵及非本徵安全操做。
• 拓撲：線型或樹型，或二者相結合。
• 站數：每段最多32個，總數最多爲126個。
• 中繼器：最多可擴展至4臺。

  4..2.2 IEC1158-2 傳輸設備安裝要點：

（1）分段藕合器將IEC1158－2傳輸技術總線段與RS－485傳輸技術總線段鏈接。藕合器使RS－485信號與IEC1158－2信號相適配。它們爲現場設備的遠程電源供電，供電裝置可限制IEC1158－2總線的電流和電壓。

（2）PROFIBUS－PA的網絡拓撲有樹型和線型結構，或是兩種拓撲的混合。

（3）現場配電箱仍繼續用來鏈接現場設備並放置總線終端電阻器。採用樹型結構時連在現場線分段的所有現場設備都並聯地接在現場配電箱上。

（4）建議使用下列參考電纜，也可以使用更粗截面導體的其它電纜。

• 電纜設計：雙絞線屏蔽電纜
• 導線面積（額定值）：0.8mm2(AWG18)
• 迴路電阻（直流）：44Ω／Km
• 阻抗（31.25千赫時）：100Ω±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，內有串聯的RC元件，R＝100Ω，C＝1цF。當總線站極性反向鏈接時，它對總線的功能不會有任何影響。

（6） 鏈接到一個段上的站數目最可能是32個。若是使用本徵安全型及總線供電，站的數量將進一步受到限制。即便不須要本徵安全性，遠程供電裝置電源也要受到限制。

（7） 線路最長長度的肯定，根據經驗先計算一下電流的須要，根據如下參數（2－2）選用一種供電電源單元，再根據如下參數中（2－3）線的長度肯定選用哪一種電纜。

　　（2－2）：標準供電裝置（操做值）

　　型號    應用領域      供電電壓        供電最大電流   最大功率    典型站數

　　Ⅰ   EEx ia/ibⅡC        13.5V             110mA            1.8W             8

　　Ⅱ   EEx ia/IbⅡC       13.5V              110mA            1.8W             8

　　Ⅲ   EEx ia/IbⅡB        13.5V              250mA           4.2W            22

　　Ⅳ 不具備本徵安全      24V                500mA           12W             32

　　                    （備註：假設每一個設備耗電10mA。）

　　（２－３）：IEC1158-2傳輸設備的線路長度

　　供電裝置　　                             Ⅰ型         Ⅱ型       Ⅲ型        Ⅳ型      Ⅴ型        Ⅵ型

　　供電電壓（Ｖ）                          13.5        13.5        13.5       2４       ２４      ２４

　　Σ所需電流（mA）                     ≤110          ≤110       ≤250    ≤110     ≤250      ≤500

　　Ｑ＝0.8mm2的導線長度（m）  ≤900        ≤900        ≤400    ≤1900   ≤1300    ≤650

　　Ｑ＝1.5mm2的導線長度（m）  ≤1000      ≤1500      ≤500    ≤1900   ≤1900   ≤1900

（8） 外接電源：若是外接電源設備，根據EN500200標準帶有適當的隔離裝置，將總線供電設備與外接電源設備連在本徵安全總線上是容許的。

 

4.3 光纖傳輸技術：

（１）PROFIBUS系統在電磁干擾很大的環境下應用時，可以使用光纖導體,以增長高速傳輸的距離。

（2）許多廠商提供專用總線插頭可將RS－485信號轉換成導體信號或將光纖導體信號轉成RS-485信號。