PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術標準

PROFIBUS的系統(tǒng)模型如下：

　

PROFIBUS是國際性的、開放的現(xiàn)場總線標準
（1）PROFIBUS 標準 EN 50170 是完整的、開放的、與制造商無關的、已經(jīng)生效的
（2）穩(wěn)固的 PROFIBUS 標準保護世界范圍的用戶和制造商的投資
（3）PROFIBUS 經(jīng)實踐證明并在世界范圍內(nèi)已安裝使用的設備超過1,500,000 個。（截止于１９９７年四季度）
PROFIBUS給客戶的好處
（1）節(jié)省硬件和安裝費用
減少硬件成份 (I/O, 終端塊、隔離柵)
更容易、更快捷和低成本的安裝
（2）節(jié)省工程費用更容易組態(tài)(對所有設備只需一套工具)
更容易保養(yǎng)和維修
更容易和更快捷的系統(tǒng)起動
（3）更大的制造靈活性
改進功能 減少故障時間 準確、可靠的診斷數(shù)據(jù) 可靠的數(shù)字傳輸技術
※ PROFIBUS減少40%的安裝費用：

※ 1,200多個產(chǎn)品（到1998年1季），一個標準
到目前為止，已250家不同的制造商可提供 1,200 多個產(chǎn)品，你可免費獲得最新的 PROFIBUS電子產(chǎn)品指南的拷貝：
（1）從每一個PROFIBUS用戶的CD-ROM或軟盤
（2）或訪問PROFIBUS的國際網(wǎng)頁http://www.profibus.com
※ 產(chǎn)品范圍快速增長

※ 產(chǎn)品應用范圍廣泛
※ 經(jīng)認證的產(chǎn)品確?；ゲ僮餍?br />（1）PROFIBUS 國際已經(jīng)建立了質量認證系統(tǒng)，包括產(chǎn)品的一致性和互操作性的測試
（2）幾百個產(chǎn)品已經(jīng)通過了認證
（3）在歐洲和美國建有這樣的測試實驗室
（4）經(jīng)認證的產(chǎn)品都有一個認證號，它們已在 PROFIBUS 電子產(chǎn)品指南中列出
PROFIBUS 是領先的開放的現(xiàn)場總線系統(tǒng)
•獨立的市場研究證實， PROFIBUS 在歐洲是市場的領導者，且在世界范圍內(nèi)有最高的增長率。在１９９７年已安裝的PROFIBUS 基本設備超過了 1,500,000個，年增長到約20-30%。
•市場總值 根據(jù)1997 ARC 的市場研究現(xiàn)場總線的世界市場總值大于2百萬個節(jié)點， 50%以上是用在歐洲。
•市場份額 根據(jù)1996 Consultic 關于德國和歐洲市場的市場研究2 ，PROFIBUS 在歐洲市場中約占 41% 。

三種有效的傳輸技術

→ PROFIBUS 使用兩端有終端的總線拓撲
→ 在運行期間，接入和斷開一個或幾個站不會影響其他站的工作，即使在本質安全區(qū)也如此。
→ 提供三種不同的物理層選擇
(1)RS 485: 用于 DP 和 FMS
(2)IEC 1158-2: 用于 PA
(3)光纖: 用于 DP 和 FMS
PROFIBUS 協(xié)議
→ PROFIBUS 總線訪問協(xié)議（第二層）對三種PROFIBUS 版本(FMS/DP/PA)均相同
→ 這使通信透明和FMS/DP/PA 網(wǎng)絡區(qū)域容易組合
→ 因為 FMS/DP 使用相同的物理介質 (RS-485/FO) ，因此它們能組合在同一根電纜上。

PROFIBUS-DP 的特點
•代替PLC/PC 與 I/O 之間昂貴的電線
•快速，傳輸 1 千字節(jié)的輸入數(shù)據(jù)和 1千字節(jié)的輸出數(shù)據(jù)所需時間<2 ms
•強有力的工具，減少組態(tài)和維護費用
•被所有主要的 PLC 制造商支持
•有廣泛的產(chǎn)品: PLC, PC, I/O, 驅動器, 閥, 編碼器等
•允許周期性和非周期性的數(shù)據(jù)傳輸
•單主和多主網(wǎng)絡
•每個站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最多可達 244 字節(jié)
典型的PROFIBUS-DP系統(tǒng)組成：

PROFIBUS-PA(PA = Process Automation) 的特點
•基于擴展的 PROFIBUS-DP 協(xié)議和 IEC 1158-2 傳輸技術
•適用于代替現(xiàn)今的 4...20 mA 技術
•僅用一根雙絞線進行數(shù)據(jù)通信和供電
•通過串行總線聯(lián)接儀器儀表與控制系統(tǒng)
•適用于本質安全的 EEx 應用區(qū)域
•可靠的串行數(shù)字傳輸
•通過一根雙絞電纜進行控制、調(diào)節(jié)和監(jiān)視
•對所有設備只需一個工程工具
•由于 PROFIBUS-PA 行規(guī)，保證了互操作性和互換性
•儀器儀表的維護和診斷信息

PROFIBUS-FMS 的特點
•FMS 最佳適用于車間級智能主站間通用的、面向對象的通信
•FMS 提供一個 MMS-功能子集 （MMS 即 Manufacturing Message Specification, ISO9506)
•主要應用區(qū)域
大數(shù)量的數(shù)據(jù)傳輸，例如程序、數(shù)據(jù)塊等等
若干個分散過程部分集成到一個公共過程中
智能站間的通信

開放的組態(tài)允許即插即用
PROFIBUS ASICs 提供大量產(chǎn)品的關鍵
•對PROFIBUS許多 ASICs 芯片是有效的
•對 PROFIBUS-DP 用單個芯片即可解決
•對 FMS/DP/PA，與處理器無關的外圍芯片
•對FMS/DP，帶 PROFIBUS 核心功能的微控制器
優(yōu)點：
•對制造商而言，減少實現(xiàn)費用
•對一個接口的價格減至小于 US $ 25
PROFIBUS國際
•超過 650 個會員
•20個地區(qū)用戶協(xié)會
•一個很強大的組織

PROFIBUS技術培訓 —— 典型應用
PROFIBUS 已經(jīng)有廣泛的應用
到1997年四季度，實際應用超過150,000個，應用領域包括：
•制造業(yè)自動化
汽車制造
裝瓶系統(tǒng)
倉儲系統(tǒng)
•樓宇自動化
交通管理自動化
供熱、空調(diào)系統(tǒng)
•過程工業(yè)自動化
清洗工廠
化工和石化工廠
造紙和紡織品工廠
•電力工業(yè)和電力輸送
發(fā)電廠
開關裝置
1 PROFIBUS 在汽車生產(chǎn)中的應用
例如，在 Bochum 的 GM (Opel) 工廠
（1）對每個車身，PROFIBUS-DP控制機器人處理2，000多個焊接操作
（2）PROFIBUS-DP用在組裝線上，每天生產(chǎn)1，200輛轎車
（3）PROFIBUS-DP用在沖壓車間，每天處理22，000噸鋼材
在 OPEL 工廠的網(wǎng)絡結構示意圖

2 PROFIBUS 在樓宇自動化中
例如，在法國的 Bibliotheque Nationale
PROFIBUS 控制四個 80 米高的塔樓
總面積 360,000 m2
容積約11,000,000 m3
PROFIBUS 任務包括
•報警管理
•能量優(yōu)化
•監(jiān)視
•技術設備的控制
•操作服務間的可靠、有效的通信、
3 PROFIBUS 在過程自動化中
在 1997 年四季度已銷售出 15,000 多個 Profibus - PA 的設備
※ ROFIBUS-PA在 WACKER 化工廠的應用
WACKER 化工廠簡介
•由Dr. Alexander Wacker 建立于1914年10月13日
•1992年,員工13,000 人, 32億德國馬克的營業(yè)額
•主要生產(chǎn)硅和膠制品
WACKER 化工廠項目實施情況
•項目從1997年1月開始
•使用儀器儀表和控制設備總價值500萬馬克
•1,000個PROFIBUS-PA的傳感器和執(zhí)行器

化工廠為什么選擇PROFIBUS - PA？
•節(jié)省 50% 以上的規(guī)劃、設計和安裝成本
•適應本質安全區(qū)安裝
•由于集中組態(tài)工具，容易維修
儀器儀表和控制部門的負責人 Mr. H. Krummen對此評論：
“由于PROFIBUS-PA 的使用，使新的生產(chǎn)線的設計、安裝費用節(jié)省 超過2百萬馬克，
此外，本質安全能力和一個組態(tài)工具對所有儀器儀表都適用，這就意味著PROFIBUS-PA
完全符合NAMUR* 所期望的準則。”
※ PROFIBUS-PA在 bitburger啤酒廠的應用
•bitburger啤酒廠每年生產(chǎn) 350,000 噸， 在歐洲是最大的
Bitburger為什么選擇 PROFIBUS-PA？
•由于容易安裝，節(jié)省成本
•由于集中組態(tài)，建立系統(tǒng)簡單
•由于提高了準確性，工廠有更高安全性和有效性
•由于減少了維護，而節(jié)省成本
•由于是開放的國際標準，使投資安全

PROFIBUS技術培訓 —— 安裝與布線
傳輸特點 (1)
高速 (H2), RS 485
•依據(jù) RS 485，異步 NRZ 傳輸
•波特率從 9.6 kBit/s 到 12 MBit/s，可選
•雙絞屏蔽電纜
•每段 32 個站，最多允許 127 個站

•距離: 12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 m
•有中繼器距離可延長到 10 公里
•9 針, D 型插頭

傳輸特點 (2)
低速 (H1), IEC 1158-2
•同步 Manchester 編碼, 31.25 kBit/s
•本質安全 (可選) 和通過總線對站供電 (可選)
•屏蔽或非屏蔽的雙絞電纜
•每段距離達 1900 米，用中繼器可延長到 10 公里
•最多 127 個站, 每段 10-32 個設備 (依賴于 EX-類型和供電消耗)
PROFIBUS 電纜要求 - IEC 1158-2
電纜設計: 屏蔽雙絞電纜
導線面積: 0.8毫米2(AWG 18)
回路電阻: 44 ? / km
阻抗 （在31.25 KHz時）: 100 ? +/- 20%
衰減 （在39 KHz時）: 3dB / km
每單位長度的電容: 2nF / km
對 IEC 1158-2 傳輸?shù)碾娎|被列在 PROFIBUS 電子產(chǎn)品指南中
PROFIBUS 電纜要求 - RS 485
參數(shù) 電纜類型 A
電纜設計 屏蔽雙絞電纜
浪涌阻抗 135 ... 165 ?
回路電阻 110 ? / km
線徑 0.64 mm
線截面積 > 0.34 mm
每單位長度的電容 < 30 pF / m
PROFIBUS 電纜被列在 PROFIBUS 電子產(chǎn)品指南中。

PROFIBUS 電纜長度 （對 RS 485）
波特率（ kBit/s） 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000
線長（m, A類電纜） 1200 1200 1200 1000 400 200 100
長度可以用中繼器來延長
9 針D 型連接器的針腳分配 （為RS 485用）
•對 PROFIBUS-DP/FMS 提供的連接器類型是9 針 D 型連接器
•插座部分被安裝在設備上
•如果其他連接器能提供必要的命令信號的話，也允許使用

拓樸
PROFIBUS 支持總線型，樹型和星型拓撲
•這里提供的拓撲是總線型拓撲
•在總線的開頭和結尾必須有終端
•一段可以由最多 32 個站*組成


RS-485 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位順序
每個八位二進數(shù)（１字節(jié)）按 11 位的順序被傳輸
最小的有效位 (LSB) 被第一個發(fā)送
最大的有效位 (MSB) 被最后發(fā)送
每個八位二進數(shù)都補充三位，即開始、終止和奇偶校驗位
此編碼原理稱 NRZ （即 Non Return to Zero）

信號電平

1 = 數(shù)據(jù)傳輸開始
2 = 空閑段、無數(shù)據(jù)傳輸、總線終端終止的電平
冗余性提高了系統(tǒng)的可靠性

PROFIBUS技術培訓 —— 總線協(xié)議

PROFIBUS 總線訪問方式兼有多主通信和主從通信

總線訪問協(xié)議的特征 (1)
混合總線訪問協(xié)議
主站間的邏輯令牌環(huán)
主從站間的主從協(xié)議
主站
主動站在一個限定時間內(nèi) (Token Hold Time) 對總線有控制權
從站
從站只是響應一個主站的請求，它們對總線沒有控制權
PROFIBUS 總線訪問協(xié)議 (FDL)的特點
•主站或從站可以在任何時間點接入或斷開。FDL 將自動地重新組織令牌環(huán)。
•令牌環(huán)調(diào)度確保每個主站有足夠的時間履行它的通信任務。因此，用戶必須計算全部目標令牌環(huán)時間 (TTR)。
•總線訪問協(xié)議有能力發(fā)現(xiàn)有故障的站、失效的令牌、重復的令牌、傳輸錯誤和其他所有可能的網(wǎng)絡失敗。
•所有信息(包括令牌信息)在傳輸過程中確保高度安全，以免傳輸錯誤。
海明距離 HD = 4
令牌調(diào)度原理
•在多主網(wǎng)絡中，令牌調(diào)度必須確保每個主站有足夠的時間完成它的通信任務
•用戶組織全部目標令牌循環(huán)時間 (TTR) 進入所有主站的通信任務帳戶。
•每一個主站根據(jù)下列公式計算它接收令牌后完成它的通信任務的時間(TTH)
TTH = TTR - TRR
TTH = 持有令牌時間
TTR = 目標令牌循環(huán)時間
TRR = 實際令牌循環(huán)時間
FDL 狀態(tài)圖

重要的 PROFIBUS 電文結構


圖例： TRDY = 準備時間 TSDR = 站響應時間 TSYN = 同步時間
數(shù)據(jù)鏈路層服務及其用法

服務存取點 (SAP)
•在 PROFIBUS 數(shù)據(jù)鏈路層與應用層之間的接口處，服務存取點被用來交互作用
•請求站的服務存取點叫做源服務存取點（= SSAP）
•響應站的服務存取點叫做目的服務存取點 (= DSAP)
•服務存取點對 FMS 和 DP/PA 有著不同的功能
對 FMS: 它們被用于區(qū)分站之間的邏輯連接
對 DP/PA: 它們被用于選擇不同的功能。