PROFIBUS技术

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PROFIBUS现场总线技术
自动化教研室
现场总线是近几年来迅速发展起来的一种工业数据总线,
是一种串行的数字数据通信链路,是应用在生产现场,在微
机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统,
也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它主要
解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场
设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之
间的信息传递问题。按照国际电工委员会IEC61158的标准定
义,现场总线是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制
室内的自动化控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数
据总线”。
现场总线是在生产现场、测控设备之间形成开放
型测控网络的新技术,现场总线控制系统既是一个
开放式通信网络,又是一种全分布式控制系统。它
作为智能设备的联系纽带,把挂接在总线上,作为
网络节点的智能设备连接为网络系统,并进一步构
成自动化系统,实现基本控制、补偿计算、参数修
改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合
自动化功能。
典型现场总线
•
自80年代以来,有几种现场总线技术逐渐形成其影响,
并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。它们具有各
自的特点,也显示了较强的生命力,对现场总线技术的发
展已经发挥并将继续发挥较大的作用。
1 、PROFIBUS
2、 FF
3、 Lonworks
4、CAN
5、HART
现场总线在自动化系统中的位置
PROFIBUS现场总线概述
• (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。
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。
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
• 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。
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。
(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。如图所示:
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
波特率(K bit/s)
9.6
19.2
93.75
187.5
500
1500
12000
距离/段(M)
1200
1200
1200
1000
400
200
100
(6) RS-485的传输技术的PROFIBUS网络最好使用9针D型
插头。
(7) 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)。
(8) 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。
(9) 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。
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:
· 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。
IEC1158-2传输技术特性
· 传输速率:31.25K bit/s,电压式。
· 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。
• 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
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。
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。
PROFIBUS协议模型与ISO/OSI协议模
型的关系
PROFIBUS协议结构
• 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。
.
.
.
ÁîÅÆ»·
ÁîÅÆ´«µÝ
M3
M5
M8
M6
ÂÖѯ
S1
S2
S4
M:Master (active stations) Ö÷Õ¾
S:Slave (passive stations) ´ÓÕ¾
S7
S9
S10
.
• 在图中,PROFIBUS总线上的主设备M3获得
令牌,即获得了总线控制权,此时,主设备
M3与M5进行数据传递,同时M3也可以与从
设备S1、S2、S3等进行通信,M3对从设备进
行循环查询。当M3主站没有需要发送的帧或
在规定时间内发送完了所需发送的帧,或者
M3的控制时间终了时,它就将主站令牌传递
给下一个主站M5。以后,令牌在M5-M6-M8M3之间进行传递。
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。
电子设备数据文件(GSD)
• 为了将不同厂家生产的PROFIBUS产品集成在
一起,生产厂家必须以GSD文件(电子设备数
据库文件)方式提供这些产品的功能参数(如
I/O点数、诊断信息、波特率、时间监视等)。
标准的GSD数据将通信扩大到操作员控制级。
使用根据GSD文件所作的组态工具可将不同厂
商生产的设备集成在同一总线系统中。
• GSD文件可分为三个部分:
(1) 总规范:包括了生产厂商和设备名称、硬
件和软件版本、波特率、监视时间间隔、总线
插头指定信号。
(2) 与DP有关的规范:包括适用于主站的各项
参数,如允许从站个数、上装/下装能力。
(3) 与DP从站有关的规范:包括了与从站有关
的一切规范,如输入/输出通道数、类型、诊断
数据等。
网络结构
以太网
412-2DP
编程站
315-2DP
操作员站
工程师站
ET200
Profibus-DP总线
软启动
变频器
触摸屏
各控制对象
LOGO
LOGO
控制对象
4I/4O
DP/ASI网
关
ASI总线
光电开关
接近开关
• 最上一层为SIEMENS工业以太网,该网络上有
两台计算机,分别为工程师站和操作员站,工
程师站安装有监控软件《组态王》运行狗,负
责整个监控系统的运行;同时作为OPC服务器,
负责与Profibus主站---西门子S7400系列可编程
CPU412-2DP交换数据,使《组态王》的变量
与PLC中的各个控制点关联起来
• 工程师站、操作员站、CPU412-2DP是通过
SIEMENS工业以太网电气链路模块(相当于HUB)
6GV1 105-3AA0互相连接通讯;其中工程师站和操
作员站分别装有SIEMENS专用工业以太网卡
CP1612;而CPU412-2DP则是通过CP443-1工业以
太通讯模块连接。(该模块的作用相当于PLC的以
太网卡),同时CPU412-2DP是OPC客户端。在以
太网中是通过各站点的IP地址来标识身份的,本系
统的IP地址分别为:工程师站:140.80.0.10操作员
站:140.80.0.11
• CP443-1:140.80.0.3
• 第二层为Profibus-DP现场总线网,各站点是通
过DP地址来标识身份的,本系统的各站点地址
分别为:主站CPU412-2DP其DP地址为2,挂在
DP总线上的各从站点分别:CPU315-2DP其DP:
3
• 远程I/O ET200M其DP:4,变频器其DP:5,
DP/ASI网关其DP地址为:6,CP5613其DP:0
(系统规定,一般不允许更改),触摸屏其DP:
1(系统规定,一般不允许更改)
• 第三层为ASI现场总线网,通过DP/ASI网关(IM153)与DP
网相连,该网关同时作为ASI主站,ASI总线的特点是结构
简单,两线信号即是电源回路也是信号回路(类似于两线制
传感器的工作方式),可连接31个ASI从站,每站点最大传
输点为4I/4O,比较适合于一些简单的检测器件和执行机构
的组态,本系统中的ASI从站有以下几个:带ASI接口模块
的西门子LOGO两块,4I/4O模块一块,带ASI接口的光电开
关和接近开关各一只;一个LOGO用于控制挖土机,另一个
用于控制天车;ASI各从站的地址通过专用的ASI手持编址
器进行设定。
西门子工业以太网
• 西门子工业以太网其本质上与传统的以太
网一样,只是其硬件都是工业级专用,如
网卡、网线、链路模块(HUB)等;PLC
连接以太网是通过以太网通讯模块来实现
(如上所述),采用标准的TCP/IP通讯协
议,10M带宽,硬件结构见下图:
PC Station 1
CP1612
PC Station
2
CP1612
S7400PLC
以太网通讯模
块CP443-1
链路模块(HUB)
6GV1 105-3AA0
Profibus-DP
名称
型号
备注
地址
PLC
CPU412-2DP
自带DP口
2
PLC
CPU315-2DP
自带DP口
3
远程I/O
ET200M
自带DP口
4
远程I/O
ET200M
自带DP口
7
变频器
MM420
外置DP通讯模块
5
网关
IM-153
自带DP口
6
DP
Interfa
ce
CP5613
自带DP口
0
OP
MP270B
自带DP口
1
西门子CPU412-2DP和CPU315-2DP都带有两个通讯口,
一个为MPI另一个为DP,在出厂时,新的PLC其MPI
地址和DP地址都为2,因此在CPU首次使用时,若系
统中DP总线上有两个以上的CPU就必须先对每个CPU
进行单独DP地址设置,否则系统将报错,地址重复。
CP5613既可设置为DP也可设置为MPI,先将CP5613设
置为MPI方式,然后用一根两端装有总线接头的DP电
缆(注:电缆和总线接头MPI和DP是一样的)一端插
在CP5613上,另一端插在PLC的MPI口上,通过
STEP7就可以和PLC连接上了,此时通讯占用MPI口,
DP口被自由释放,可以修改地址。
• 本系统就是通过此方式将CPU412-2DP的DP地址设
置为2,CPU315-2DP的DP地址设置为3,ET200M、
变频器的DP地址通过其自身拨码开关设置,网关和
触摸屏可通过其设置按键设置。一般情况下,为保
证系统的通讯可靠,修改DP的地址,DP的通讯速率
等参数均采用系统的默认值(1.5Mbps),这样一致
性好,且不会出错。
• 当硬件连接好后,主要是通过STEP7软件中的
管理器来组态各硬件之间的关系。首先在管理
器中建立各个站(这里主要是指建立各类型主
站),本系统各类型主站分别为:S7300
Station、S7400 Station、PC Station (5613)、PC
Station 1 (1612)、PC Station 2 (1612),然后再
分别对每个站进行硬件配置,此处必须与实物
对应,包括具体的槽位、各组件的产品序列号
等,当配置PLC的CPU时,系统会自动提示网
络选择。
• 注意:本系统的DP主站CPU412-2DP,而
CPU315-2DP也是主站类型PLC,在硬件设置
时要将其改为从站,此时系统会要求你选择和
主站的数据交换方式,选择MS方式,即主从
方式,再设置相应的数据交换区间以及长度,
这里的交换区间是指PI和PQ,S7300和S7400都
有此两个称之为外部输入输出的交换区,交换
数据的方式是交叉的,区间定义好了后,
S7300和S7400的数据交换就会通过DP总线自
动进行,无须编写通讯程序,如下图所示:
• S7300和S7400通过DP的主从方式交换数据:
S7400PLC
S7300PLC
一般存储区
I、Q、M等
一般存储
区I、Q、
M等
外部输入存储
区
PI
外部输入
存储区
PI
外部输出存储
区
PQ
外部输出
存储区
PQ
• 例如:
• 当设置了S7300的PQW100与S7400的PIW100交
换数据
• S7400的PQW100与S7300的PIW100交换数据
• 在S7300中PQW100的状态会自动同步反应在
S7400的PIW100上,在S7400中对PQW100的操
作将自动同步反应在S7300的PIW100中,也就
是说在主站S7400中通过PI反应从站的状态,
通过PQ操作从站。
ASI工业现场总线
• DP/ASI网关其实就是一个通讯适配模块,它负
责DP与ASI的通讯,同时做为ASI主站管理ASI
总线上的各个站;网关上有几个用于显示状态
的双色指示灯和设置按钮,能反映网关自身的
工作状态以及各站的状态,通过设置按钮可设
置网关的DP地址以及查看各个站.
• 建立一个S7-300硬件组态实例操作