PROFIBUS现场总线标准规定.ppt

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1、PROFIBUS 现场总线,第七章,主 要 内 容,7.1 PROFIBUS 现场总线概述 7.2 PROFIBUS DP 7.3 PROFIBUS PA 7.4 PROFIBUS FMS,主 要 内 容,7.1 PROFIBUS 现场总线概述 7.2 PROFIBUS DP 7.3 PROFIBUS PA 7.4 PROFIBUS FMS,7.1 RPOFIBUS技术的由来,87年由Siemens公司等13家企业和5家研究机构联合开发; 89年批准为德国工业标准DIN 19245； 96年批准为欧洲标准EN 50170 V.2; 98年PROFIBUS-PA批准纳入EN50170 V.2;

2、99年PROFIBUS成为国际标准IEC 61158的组成部分(Type III); 2001年批准成为中国的行业标准JB/T 10308.3-2001;,第3章 ProfiBus通讯技术,作为众多现场总线家族的成员之一，ProfiBus是在欧洲工业界得到最广泛应用的一个现场总线标准，也是目前国际上通用的现场总线标准之一。ProfiBus是属于单元级、现场级的SIMITAC网络，适用于传输中、小量的数据。其开放性可以允许众多的厂商开发各自的符合ProfiBus协议的产品，这些产品可以连接在同一个ProfiBus网络上。ProfiBus是一种电气网络，物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤、无线传输

3、。,技术特点,1信号线可用设备电源线。2每条总线区段可连接32个设备，不同区段用中继器连接。3传输速率可在9.6kB/S-12MB/S间选择。4传输介质可以用金属双绞线或光纤。5提供通用的功能模块管理规范。6在一定范围内可实现相互操作。7提供系统通信管理软件(包括波形识别、速率识别和协议识别等功能)。8提供244字节报文格式，提供通信接口的故障安全模式(当IO故障时输出全为零)。,PROFIBUS簇,PROFIBUS 应用领域,PROFIBUS DP： PROFIBUS PA： PROFIBUS FMS：,主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级设备高速通信。,主要用于自动化系统中系统级和车

4、间级的过程数据交换。,电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。,PROFIBBUS PA,RPOFIBUS给客户的好处,一、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 二、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 三、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 网络的构成,经由通讯处理器连接到网络的计算机及编程设备 工程及诊断工具 、网络配置、诊断工具,中央可编程控制器，如PLC、PC ,支持主站功

5、能的通讯处理器,分布式I/O、支持DP 接口的传动装置 支持从站功能的通讯处理器 其它支持 DP 接口的输入、输出或智能设备,通信介质电缆 总线部件总线连接器、中继器、耦合器、链路等,PROFIBUS 协议结构,PROFIBUS-FMS协议结构 PROFIBUS-FMS使用了第1层、第2层和第七层。应用层包括现场总线报文规范（FMS）和底层接口（LLI）。 FMS包含应用协议和提供的通信服务。 LLI建立各种类型的通信关系。并为FMS提供不依赖于设备的对数据链路层的访问。 适合单元级（PLC和PC）的数据通信，可解决复杂的通信任务。,PROFIBUS-DP协议结构 PROFIBUS-DP使用了

6、第1层、第2层和用户接口层。37层未使用，这种精简的结构确保高速数据传输。直接数据链路映象程序（DDLM）提供对第2层的访问。在用户接口中规定了PROFIBUS-DP设备的应用功能，以及各种类型的系统和设备的行为特性。 适合PLC与现场级分散I/O设备之间的通信。 与PROFIBUS-FMS使用相同传输技术和总线存取协议。因此他们可在同一电缆上同时运行。,PROFIBUS-PA协议结构 PROFIBUS-PA使用扩展的PROFIBUS-DP协议进行数据传输。 执行规定现场设备特性的PA设备规范。 传输技术依据IEC 1158-2标准，确保了本质安全和总线供电。 为过程自动化工程中的高速、可靠的

7、通信要求而设计，可把传感器和执行器连接到通常的现场总线上。 与PROFIBUS-DP网络集成需使用段耦合器。,PROFIBUS 传输技术,PROFIBUS使用两端有终端的总线拓朴在运行期间，接入和断开一个或几个站不会影响其它站的工作，即使在本质安全区也如此。 提供三种不同的物理层选择： RS485： 用于DP和FMS IEC 1158-2： 用于PA 光纤： 用于DP和FMS,传输特点（1） 高速（H2），RS485； 依据RS485，半双工、异步NRZ传输； 波特率从9.6kBit/s到12MBit/s,可选双绞屏蔽电缆； 每段32个站，最多允许127个站； 距离：12MBit/s=100m

8、; 1.5MBit/s=400; 小于等于187.5KBit/s=1000m; 有中继器距离可延长到10公里 9针，D型插头,数据传输,RS485传输数据位顺序 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),传输特点（2） 低速（H1） IEC 1158-2 同步Manchester编码,31.25kBit/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 段距离达1900米，用中继器可延

9、长到10公里 最多127个站，每段10=32个设备 （依赖于供电装置、导线类型和供电消耗）,PROFIBUS电缆要求-RS485,参数 电缆类型A 电缆设计 屏蔽双绞线电缆 浪涌阻抗 135165 回路电阻 110 /km 线径 0.64mm 线截面积 0.34mm2 每单位长度的电容 30pF/m,PROFIBUS电缆要求-IEC 11582-2,电缆设计： 屏蔽双绞电缆 导线面积： 0.8毫米2(AWG18) 回路电阻： 44 /km 阻抗（在31.25KHz时）： 100 +/-20% 衰减（在39KHz时）： 3dB/km 每单位长度的电容： 2nF/km,9针D型连接器的针脚分配（为

10、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它连接器能提供必要的命令信号的话，也允许使用,拓 朴,PUOFIBUS 支持总线型，树型和星型拓朴 这里提供的拓朴是总线型拓朴 在总线型的开头和结尾必须有终端 一段可以由最多32个站组成,过程自动化典型结构,PROFIBUS总线存取协议,PROFIBUS介质存取控制MAC的基本要求： 在主站间通信，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； 在主站和从站间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。,1.PUOFIBUS 总线访问协议（第二层）对三种P

11、UOFIBUS 版本（FMS/DP/PA）均相同 2.这使通令透明和FMS/DP/PA网络区域容易组合 3.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。,轮询,令牌方式,主从方式,总线访问协议的特征（1）,混合总线访问协议: 主站间的逻辑令牌环 主从站间的主从协议 主站: 主动站在一个限定时间内（Token Hold Time)对总线有控制权 从站: 从站只是响应一个主站的请求，它们对总线没有控制权,PROFIBUS总线访问协议(FDL)的特征(2),主站或从站可以在任何时间点接入或断开。FDL 将自动地重新组织令牌环。 令牌环调度确保每个主站有足够

12、的时间履行它的通令任务。因此，用户必须计算全部目标令牌环时间（TTR）。 总线访问协议有能力发现有故障的站、失效的令牌、重复的令牌、传输错误和其它所有可能的网络失败。 所有信息（包括令牌信息）在传输过程中确保高度安全，以免传输错误。海明距离HD=4。,主 要 内 容,7.1 PROFIBUS 现场总线概述 7.2 PROFIBUS DP 7.3 PROFIBUS PA 7.4 PROFIBUS FMS,7.2 PROFIBUS DP,PROFIBUSDP 用于设备级的高速数据传送，中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通信。 多数数据交换是周期性的，智能化现场设备还需要非周期性通信进行配

13、置、诊断和报警处理。,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，运动器，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;,PROFIBUS_DP的特点,PROFIBUS_DP定义的三种设备类型,DP-1类主设备（DPM1） 中央控制器，它与分散的I/O设备（DP-从）交换数据； 允许若干个DPM1，典型的设备是PLC，PC，VME。 DP-2类主设备（DPM2） 组态

14、、监视或工程工具，它被用来设定网络或参数/监视DP-从设备。 DP- 从设备 直接连接I/O信号的外围设备； 典型的设备是输入、输出、驱动器、阀、操作面板等等。,总线控制器板，嵌入式计算机常用总线。,PROFIBUS-DP提供广泛的诊断可能性,诊断信息能快速确定故障的位置。 诊断信息分为三级： 1、与站有关的诊断： 站一般运行状态的信息，如温度过高，电压过低 2、与模块有关的诊断： 设备中相关模块的信息，如输出模块 8A有故障 3、与通道有关的诊断： 输入或输出某一信号位的信息，如输出线3断了,系 统 配 置,运行模式,在EN50170 Vol.2中定义了DP-主和DP-从的系统行为。 系统行

15、为主要由DP-主站（1类）的系统行为来确定。 DP-主站（1类）区别下列状态： 停止（STOP） 在DP-主和DP-从之间无数据传输。 清除（CLEAR） DP-主读DP-从的输入数据并保持输出在 失效安全状态。 运行（OPEARTE）DP-主处在数据传输段。 在后继的周期中，DP-从的输入被读，且输 出数据被写给DP-从。,通 信 模 式,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 非循环主主数据传送,DP-主站和DP-从站间的数据传输,参数化阶段： 从站由DP-主站用现行总线参数、监控时间和从站 的特定参数进行参数化。 组态阶段： DP-主站对DP-从站所需要的配置和现

16、行的配置进行比较。 用户数据传输阶段： 在参数化和组态成功后，DP-从站改变其状态进入用户数据交换阶段。在此阶段，从站的参数化能被更改，而不必中断数据传输。 在这三个阶段中，都可以附加诊断数据和控制命令的传输。,主主数据传送,PROFIBUS-DP主-主功能,控制命令,除与用户数据传输有关的站以外，DP-主站可以发送控制命令给一个、一组或全部DP-从站。这些控制命令设计为全局控制（Global-Controls)。它们是： 输入同步（锁定模式） 输出同步（同步模式） 输出清除进入失效安全状态（清除模式）,DP扩展功能,DP扩展功能允许非循环的读写功能,设备数据库文件GSD,FPOFIBUS-D

17、P 设备的GSD文件（1） 在GSD文件中，描述每一个FPOFIBUS-DP 设备的特性。 每个设备的GSD文件用设备的电子数据单来表示。 GSD文件包含所有设备的特定参数，如： 支持的波特率 支持的信息长度 输入/输出的数据量 诊断信息的含义 对模拟设备有效的选择,FPOFIBUS-DP 设备的GSD文件（2）,GSD文件由设备制造商建立。 每一个设备类型分别需要一个GSD文件。 PROFIBUS用户组织提供GSD编辑程序，它使得建立GSD文件非常容易。 GSD编辑程序包括GSD检查程序，它确保GSD文件符合PROFIBUS标准。 DPROFIBUS网页（)中构成了一个GSD文件库。,允许开

18、放配置,RPOFIBUS-DP行规概述（1）,对NC/RC的行规（订单号：3.052) 此行规描述许多操作机器和许多装配机器人怎么通过DP来实现控制。 根据详细的流程图，从高水平自动化的观点，很容易描述这些机器人的运动和程序控制。 对编码器的行规（订单号：3.062） 此行规描述PROFIBUS-DP到编码器的联接，如旋转编码器，角度编码器和线性编码器，两类设备定义基本功能和补充功能。 （如比例尺，中断处理和扩展的诊断）。,RPOFIBUS-DP行规概述（2）,各种速度驱动器的行规（订单号：3.072） 知名的驱动技术的制造商都参加了PROFIDRIVE的制订。此行规指出驱动器如何参数化以及设

19、定点和实际值如何被传输，这就使不同制造商的驱动器能相互换。此行规包括必要的速度和位置控制的规范，还说明了对DP或FMS的应用功能联系。 操作员控制和过程监视（HMI）行规（订单号：3.082) 简单操作员控制和过程监视设备（HMI）的行规指出这此设备通过PROFIBUS-DP怎样与高层自动化部件连接。此行规使用扩展的PROFIBUS-DP通信功能。,主 要 内 容,7.1 PROFIBUS 现场总线概述 7.2 PROFIBUS DP 7.3 PROFIBUS PA 7.4 PROFIBUS FMS,7.3 PROFIBUS-PA,应用范围,PROFIBUS-PA=用于过程自动化的PROFIB

20、US 变送器、阀、执行器等等 通过串行总线系统连接 在化学工业和过程控制中使用 通过数据线对现场设备供电 在危险区域（EExi型保护区域）应用,PROFIBUS-PA适应所有过程自动化领域,对防爆和非防爆区域过程自动化的低端应用，PROFIBUS-PA是优选。 PROFIBUS-PA完全满足化学工业用户组织（如NAMUR）对数字现场总线的要求。,采用PROFIBUS-PA技术，PA设备运行在下列防爆区域,Zone 0: 危险的爆炸瓦斯气体经常或长期存在的区域 Zone 1: 在正常运行期间危险的爆炸瓦斯气体有可能存在的区域 Zone 2: 不希望在正常运行期间存在危险的爆炸瓦斯气体的区域,PR

21、OFIBUS-PA与420mA系统的比较,节省成本的潜力,安装 节省 电线 PLC I/O板 安装元件（Ex-/电流隔离器等） 排列机架 空间 减少错误 减少安装时间,PROFIBUS-PA的基本成份PROFIBUS-DP现场总线系统,主站（1类） 主站（2类）,PROFIB-PA的组态拓朴,PROFIB-PA的组态现场设备的供电,设备数,PROFIB-PA的成份,网络元件耦合器和链接器,耦合器的功能,段耦合器在不同的传输技术之间提供一个网关（gateway） 异步NRZ编码 DP/PA耦合器 同步Manchester编码 1Byte=11Bit 1Byte=8Bit (8个用户位+1开始位+

22、1停止位+1奇偶检验位） 可变的波特率 固定波特率=31.25kBit/s,从现今的4-20mA很容易转移到PROFIB-PA,PROFIBUS-PA 协议功能,PROFIBUS-PA以PROFIBUS-DP为基础。 通过标准的DP周期性数据交换功能传输量值和状态。 对于设备参数的传输和用工程工具的设备运行，使用扩展PROFIBUS-DP的非周期性读/写功能。 PROFIBUS-PA行规定义有送PA功能映象。,PROFIBUS-PA的基本成份,DP协议，周期和非周期的,PROFIBUS-PA行规概述,对过程自动化的行规（订单号：3.042) 这是专为过程自动化制定的行规。依据功能块技术， 它包

23、括对所有类型现场设备都有效的一般定义和设备数据单（如温度、压力、液位、流量变送器和定位器等）。,PROFIBUS-PA行规确保互操作性,定义运行、识别、维护、诊断等参数 定义数据（如温度、压力、流量等）的含义 定义一个模拟量，含范围、工程单位和状态 依据国际承认的功能块技术 定义通信子集和设备行为 支持简单的（单变量）和复杂的（多变量）设备 结合化学工业的应用开发的,The PROFIBUS-PA行规,行规包括两部分: 一般定义 对所有类型的设备都有效 定义此设备与PROFIBUS-PA间的关系 定义操作、起动和再起动 设备数据单 每个设备类型（如变送器、阀）有各自的设备数据单 定义此设备的特

24、定参数和操作,今天可提供的PA行规的设备数据单,变送器 +温度 +压力 +液位 +流量 执行器 +阀 +数字I/O PID-循环控制器,PA行规标准化的设备参数,例：功能块模拟输入，压力变送器,PROFIBUS-PA的组态设备行规（简单现场设备）,PROFIBUS-PA的组态互操作性,主 要 内 容,7.1 PROFIBUS 现场总线概述 7.2 PROFIBUS DP 7.3 PROFIBUS PA 7.4 PROFIBUS FMS,7.4 PROFIBUSFMS,FMS的设计旨在解决车间级的通信，在这一级可编程 控制器主要是互相通信。在此应用领域内，高级功能比 快速系统反应时间更重要。 P

25、ROFIBUSFMS应用层包括以下两个部分： 1、 FMS: 现场总线信息规范(FMS)描述通信对象和服务； 2、 LLI: 低层接口(LLI)用于将FMS适配到第 2 层。,PROFIBUS-FMS协议结构,PROFIBUS-FMS的特点,为连接智能现场设备设计，如PLC，PC，MMI 强有力的应用服务提供广泛的功能 面向对象的协议 多主和主-从通信 点对点、广播和局部广播通信 周期性和非周期性的数据传输 每个设备的用户数据多达240个字节 得到所有主要PLC制造商的支持,PROFIBUSFMS面向对象,变量、参数、程序均设计为对象 每个对象都有确定的特性（读，写） 所有对象被列在对象字典（

26、OD）中 对象字典根据每个设备单独构成,通信对象类型,对象,不明确的,明确的,由PROFIBUS标准定义 VFD：虚拟现场设备 OD：对象字典 Data Types:标准数据类型,由用户定义 静态： 由行规予定义或在组态期间定义 如变量、数组、记录、区域 动态： 在运行时定义如程序、变量表,对象字典（OD）,对象字典包括如下部分： 头部 包含此OD的结构信息 数据类型字典 包括静态通信对象表（如停机时间、故障率） 动态变量表的表* 包括所有现今已知变量表的表 动态程序表* 包括所有现今已知程序的表 注：*部分是可选的，仅对某些设备存在。,例：一个简单设备的OD,头部： ROM/RAM标志 名字

27、长度，访问保护，OD版本 静态OD的第一个指针和长度 数据类型OD的第一个指针和长度 动态OD部分的第一个指针和长度,数据类型字典： 索引 对象代码 含义 1 数据类型 整数8 数据类型 整数16 6 数据类型 浮点,静态对象字典： 指针 对象代码 数据类型 内部地址 符号 20 VAR 1 4711H 件数 21 VAR 2 5000H 停机时间 22 VRA 6 100H 故障率,PROFIBUSFMS支持如下类型的对象,静态通信对象 （这些对象登入静态对象字典） 简单变量：变量类型如整数、布尔数 数组：同类型的简单变量的数组 记录：各种类型的简单变量的数组 区域：大数量的数据 事件：事件

28、信息 动态通信对象 （这些对象登入动态对象字典） 程序调用：程序的描述 变量表：简单变量、数组或记录的记录,PROFIBUSFMS的通信关系,站之间的数据传输通过通信关系来执行 通信关系允许存取保护和自动的联接监视,PROFIBUSFMS设备的电子数据单,对每一个FMS设备有一张由制造商定义的电子数据单（GSD文件） FMS GSD文件包括所有相关设备的通信能力。 在组态期间，FMS组态工具读GSD文件并将所有信息放入账号。 在PROFIBUS导则No.2.101中，描述了FMS GSD 文件的格式。,ROFIBUSFMS行规的概述,控制器间通信的行规（订单号：3.002） 这是一个通信行规，对标准的控制器类型描述了必要的服务、参数和数据类型。 楼宇自动化的行规（订单号：3.011） 这是专为楼宇自动化制定的分支行规，它包括一般定义，如楼宇自动化设备如何使用ROFIBUSFMS协议进行通信。 低夺开关装置的行规（订单号：3.032） 这是一个分支行规。它定义低夺开关装置如何作用ROFIBUSFMS协议进行通信。,