Transcript PROFIBUS技术

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