Profibus Training Course

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1 Profibus Training Course
GE Fanuc Automation GE Fanuc Automation Profibus Training Course Presented by GE SGM Team 18

2 课程内容 Profibus 与 OSI 7 层网络模型 Profibus 的物理层 Profibus 的数据链路层
有关 Profibus DP 的技术术语 GE Fanuc 的远程 I/O--- Field Control 建立 PLC 的 Profibus DP 网络 建立 PLC 的 Profibus DP 网络

3 Profibus 与 OSI 7 层网络模型 Profibus 的全称是 Process Field Bus，可见 Profibus是一种 适用于工业过程控制的局域网 作为一个局域网，Profibus 必须至少具有 OSI 参考模型中的第一、二层 网络的第一层包括了网络设备的接口及其 传输技术，这是任何一个网络设备都必须 具有的 网络的第二层是数据链路层，它负责处理 网络设备如何共享传输介质 主机 层次 物理层 数据链路层 网络层 运输层 会话层 表示层 应用层 用户 7 6 5 4 3 2 1 物理层连接 (传输介质)

4 Profibus 与 OSI 7 层网络模型... Profibus 的三个子集：FMS, DP 和 PA在物理层的定义有所不同, DP与FMS均采用RS485技术， PA采用IEC 技术 但是，这三个子集在数据链路层 均采用符合 IEEE802.4 标准的逻 辑令牌环协议 在第二层以上，这三个子集采用 各自的高层协议对应不同的通讯 任务：FMS主要完成 PLC与PLC 之间的通讯，DP用于PLC与分散 I/O之间的通讯，PA用于过程控 制中主控制器向传感器供电并读 取信息

5 Profibus 与 OSI 7 层网络模型... Profibus 的DP、FMS和PA所完 成的不同任务如右图所示
Profibus DP 所构成的分散型I/O 控制方案与传统的集中型控制方 案相比，具有节省电缆、排除故 障方便等优点

6 Profibus 与 OSI 7 层网络模型... 传统的集中型I/O控制方案如左图所示
以 Profibus DP 为代表的分散型I/O控制方案如右图所示 G B C 接线端子排 去现场设备 分散I/O 集中I/O

7 Profibus 的物理层 Profibus PA 在物理层采用 IEC 1158-2 传输技术 每段32个设备，最多126台设备
每段只有一个电源，向该段上的设备供电，每站消耗常量稳态基本电流(10mA)，信号的调制电流从+/-9mA到基本电流之间 PA与 DP的之间通过分段耦合器连接，分段耦合器还是供电装置 波特率31.25k，总线 电缆两端装有无源RC 终端器，电缆最大长 度小于 1900m

8 Profibus 的物理层... DP与FMS均采用RS485传输技术 每个网站应提供9针D型连接器作为总线接口，实际有用的只有4根针
总线电缆的两端须安装有源终端电阻来保证总线通讯的可靠

9 Profibus 的物理层... Profibus DP/FMS按分段方式构成网络 每段可有32台设备，整个网络可有 127台设备
每段的电缆长度与总线的波特率有一定的关系，见下表 段与段之间可通过中继器相连，网上中继器最大个数在 3 和 10 之间

10 Profibus 的物理层... 中继器(Repeator)的作用是将传输信号放大、整形，中继器的引入不可避免会引起位传输的延迟
当网络上设备太多、网络总线太长，引起传输信号衰减严重时，就应该考虑使用中继器 中继器两边的网段必须使用相同的波特率 Profibus DP 中继 器

11 Profibus 的物理层... 在电磁干扰很大的环境下、或者为了增加总线传输距离，Profibus DP/FMS 允许使用光纤传输技术
每台设备有两根光纤，一根用于发送，另一根用于接受 每台设备通过光纤连到星型耦合器，耦合器将接受到的光信号分送给连到它的每台设备 这种拓补结构看似星型的，实际上仍是总线型的 光纤的传输距离一般在1km左右，已有RS485/光纤转换器 星型耦合器 网站

12 Profibus 的数据链路层 Profibus FMS/DP/PA 在网络的第二层都运行相同的介质存取协 议：Fieldbus Data Link(FDL) Profibus 网上的设备可分为主站和从站(Master-Slave) 所有运行 FMS协议的设备都是主站，运行 DP和 PA协议的设备有 主站和从站之分，每个主站有权控制总线访问其他设备 主站之间依靠令牌的传递依次获得总线的控制权

13 Profibus 的数据链路层... 网络上的每个主站都设有一个定时器：实际令牌运行时间。这个定时器 计算从令牌离开本站到令牌再次到达本站的时间，这个时间值与最大令 牌循环时间的差值即是本站可以控制令牌的时间 当网络上的令牌环建立后，每个主站保持有三个地址：本站地址TS，前趋地址PS，后继地址NS。TS发送完之后，就发出一数据帧将令牌转移 给NS，并监听NS是否发送数据帧 如果NS没有响应，则TS断定NS已经不活动。TS会发出广播帧，征询是 否有其他站的站地址比NS小，如有，则该站取代NS在逻辑环中的地位, 这就完成了一个不活动站的删除 每个站在获得令牌若干次之后，总会发出广播帧，询问网上是否有站号 在TS与NS之间的站，如有一个，则该站插入逻辑环。如有多个，则TS 发出分解争用帧，每次允许一个站插入逻辑环 逻辑环的初始化操作是令牌的争用过程，只有一个站争得令牌，其余站 按站插入算法插入逻辑环

14 Profibus 的高层协议 Profibus DP 的第三至第七层是由DDLM(Direct Data Link Mapper)来 完成的，在第七层之上，主站的DP协议要完成如下任务：根据主站中有关各个从站的配置信息，向各从站发出配置查询命令，如果从站的实际 配置情况与主站中关于该从站的配置情况相符，则主站将开始与该从站 周期性的数据交换，每个 DP 从站可有 244 个输出字节和 244 个输入字 节 Profibus FMS的第七层是现场总线信息规格(Fieldbus Message Specification)，第七层与第二层之间是低层接口(Lower Layer Interface, LLI)。设备的 FMS 上层协议提供以对象为主的客户机-服务器 通讯 Profibus PA的高层协议与DP类似，它采用了扩展的DP协议

15 有关 Profibus DP 的术语 GSD文件：每个Profibus设备的技术性能(如：I/O数量)、总线参数(如：所支持的波特率)均在GSD文件中说明，GSD也称为电子设备数据库文件 用户在利用网络组态软件配置主站时，需要提供每个从站的GSD文件以 告诉主站每个从站的参数 Gap Factor：Profibus的主站获得多少次令牌后，应允许有新站插入， 次数即是 Gap Factor Target Rotation Time(最大令牌循环时间)：网络中令牌循环一周的可能 的最长时间，该参数往往由网络组态软件自动计算出 Actual Token Runtime(实际令牌运行时间)：从令牌离开本站开始计时 的时间值，令牌再次到达本站时，该计时值清零。该值与最大令牌循环 时间的差值即是本站可以控制令牌的时间 Slot Time：主站发出数据帧之后，等待响应的时间值

16 远程I/O --- Field Control
Field Control 是 GE Fanuc 的 Profibus DP从站 一个 Field Control 远程I/O 站由总线接口单元(BIU)和 I/O 模块组成 总线接口单元负责接收总线数据和向总线发送数据，同 时，BIU还负责与I/O模块交 换数据 BIU提供标准的9针D型网络接口 BIU上的8位DIP开关用于设定 Field Control 的站号， SW8设置从站站号是硬件设定还是软件设定，SW1-7设 定硬件从站站号

17 远程I/O --- Field Control
如果BIU上的SW8设成 ON，则 Field Control 的从站站号由 SW1-7 决定。如果 SW=OFF, 则 从站站号由手持式编程器设定 BIU 上的 15针D型接口用于连接 手持式编程器 在手持式编程器上，可设置一些 参数 通常，Auto Config 应设成 Enable，这使得 BIU 能自动扫描 检测 I/O 模块 在手持式编程器上还可以监视、 强制本站的 I/O 状态 BIU 可以自动检测总线的波特率

18 远程I/O --- Field Control
BIU 上有三个LED指示灯, 分别为：PWR、OK 和 Run PWR 灯代表 BIU 的24V 供电正常 OK 灯代表 BIU 自检通过, 如果 BIU 下面的I/O模块 发生故障或者增加、减少 了I/O模块，OK 灯会闪烁 排除故障后再重新上电，OK灯恢复正常 Run 灯代表 BIU 与主站 正常通讯，如果 Run 闪 烁，则表明 BIU 下面的 I/O 被 HHP 强制着

19 远程I/O --- Field Control
Field Control单元与 主站交换数据的准则 如下：每次BIU向主 站发送数据时，BIU 除了汇报本站所有输 入模块的信息，还汇 报两个字节的故障诊断信息；每次主站向 BIU发送数据时，除了送出所有输出模块的信号外，还向BIU送出两个字节长度的清除错误命令 故障诊断和清除错误命令的数据格式如右 故障诊断 清除错误

20 远程I/O --- Field Control
通过 HHP(手持式编程器)对 Field Control 进行 I/O 的强制操 作步骤如右 将 HHP 连在 BIU 上，HHP 的初 始菜单如右图第一级所示，按1进 入I/O监控，按2进入组态 将一个变量设置成强制状态后， 该变量的状态值左侧会显示 * 表 明该变量目前处于强制状态 用光标移动键找寻 I/O 地址 按1 按1 按 ENT 按1

21 建立 PLC的 Profibus DP网络... 建立 PLC 的 Profibus DP网络的基本步骤如下： 设置 5136-PFB 的DIP开关和跳线，设置 Field Control 的DIP开关 2. 在 COM PROFIBUS 软件中，组态网上的所有主站与从站，并将组态 文件输出成二进制文件 在 CPU中装入 5136-PFB 的初始化程序 运行 CPU，并在 PC机上运行 Hyper Terminal 软件，将二进制文件 下载给 5136-PFB 模块

22 建立 PLC的 Profibus DP网络 90-70 PLC的 Profibus接口模块是 SS-Tech 公司生产的 5136-PFB-VME模块，该模块可提供DP、FMS功能 5136-PFB 提供标准的 9针D型网络接口 5136-PFB 提供五个 LED 指示灯，从上至下分别为： PASS：该灯由VME总线主站(PLC的CPU)向 5136-PFB的内部寄存器写 入代码后点亮。通常CPU对5136-PFB初始化后，该灯亮 FAIL：该灯与 Pass灯相反 OK：当5136-PFB模块的看门狗正常工作时，该灯点亮 SYS：网络上的所有从站均正常通讯，该灯点亮 COMM：5136-PFB 模块获得令牌时点亮 5136-PFB 模块上有一组 DIP 开关用来设置该模块在 VME 总线上的地 址

23 建立 PLC的 Profibus DP网络... 设置 Field Control 的 DIP 开关为：SW8 = ON，SW1=1, Sw2=1 SW3-SW7=0，这使得 Field Control 的站号被设为 3 用 HHP 设置 BIU 的 Auto Config = Enable，并查看 Profibus ID 设置 5136-PFB 的 DIP 开关为：SW1=OFF，SW2- SW10=ON， 这使得 5136-PFB 的 VME 总线地址被设为 8000H

24 建立 PLC的 Profibus DP网络... COM PROFIBUS 软件包是 Profibus 模块的常用组态工具， 5136-PFB也需要用该软件包来生 成组态文件 该软件可以在 Win3.1和 Win95 下运行 因该软件被设计成可以在 Siemens PG710/750/770 等专用 编程器上运行，所以在一般 PC 机上安装时，不要选择 Online 功 能和 Memory Driver 安装完软件之后，应将所有 GSD 文件拷贝到 COM PROFIBUS 的 GSD子目录下，将5136-PFB的 2mh文件拷贝到 Masters子目录 下

25 建立 PLC的 Profibus DP网络... 进入 COM PROFIBUS 软件包， 可以在 File 菜单下选择建立新文 件(New)或打开已有文件(Open) 在 COM PROFIBUS 软件包中， 一个主站的组态文件的扩展名为 et2 每次增加一个从站设备的 GSD 文件到 COM PROFIBUS 中，用 户应该执行 Scan GSD Files 操作 用户也可选择 Open GSD Files 操作来阅读 GSD 文件中的数据 信息

26 建立 90-70 PLC的 Profibus DP网络... 选择 New (建立新文件)，窗口弹出如下
用户必须选择主站类型：5136-PFB 用户还须为主站选定站号(Address)

27 建立 90-70 PLC的 Profibus DP网络... 选好主站类型及站号之后，主站 显示在窗口中，如左图所示 此时，可以开始配置从站
用鼠标选中 others 将鼠标移至主站下方点击，如下 窗口弹出，要求用户选定从站站 号

28 建立 90-70 PLC的 Profibus DP网络... 选定从站类型(如: Field Control)
从站显示在主站下方，双击从站 图标，从站的组态窗口显示如下:

29 建立 90-70 PLC的 Profibus DP网络... 在从站的组态窗口中，每一行对应从站的 BIU 或 I/O 模块
如果 Field Control 带有一个 BIU 和 一个 16点输入模块、一个 8点输出 模块，则第一行对应 BIU，第二行对应 16点DI，第三行对应 8点DO 用户可选中 Order No. 或双击 ID下的空白栏来组态每个 I/O 模块

30 建立 90-70 PLC的 Profibus DP网络... 选择 Order No. 组态 I/O 模块的窗口如上所 示
双击 ID 下的空白栏组 态 I/O 模块的窗口如下 所示，在此窗口中，须 选择每个 I/O 模块的类 型(I、O、I/O)和数据 长度，之后自动产生 ID 代码

31 建立 PLC的 Profibus DP网络... 对于一个 Field Control 单元包含 一个 BIU，一个16点输入模块 和一个8点输出模块，其在 COM PROFIBUS 中的组态如下：

32 建立 PLC的 Profibus DP网络... 生成了一个主站的组态文 件之后，应该将该文件输 出转换成二进制文件，以 便下载给5136-PFB模块 在 File 下选 Export --- Binary File，即可完成二 进制文件的转换 二进制文件的扩展名是 2bf 此时，COM PROFIBUS 的操作全部完成

33 建立 PLC的 Profibus DP网络... 现在，应利用 Hyper Terminal将 二进制文件下载到 5136-PFB中 在 Win95 的 Accessories 中选 Hyper Terminal, 窗口如右 双击 Hypertrm, 窗口如下，选 Direct to COM1

34 建立 90-70 PLC的 Profibus DP网络... 建立好这个连接后就可以运行这 个连接
建立好这个连接后就可以运行这 个连接 让 CPU 运行 5136-PFB 模块的 初始化程序，5136-PFB上的 SYS 灯会开始闪烁 当 SYS 停止闪烁时，在 Hyper Terminal 中按住“*”直到与 5136-PFB建立通讯, 此时，SYS 与COMM交替闪烁(橙色) 键入 rec2bfXmodem 命令 在 Transfer 菜单下选 Send File 操作，再选中二进制文件，利用 Xmodem 协议下载二进制文件 键入 exit，并选择将二进制文件 载入 5138-PFB的Flash Memory

35 建立 PLC的 Profibus DP网络... 如果主站的组态文件与实际的从站情况相符，且网络电缆连接正常，则 5138-PFB 上的 LED除 FAIL外全部点亮 这表明你已成功建立了 Profibus DP 网络

36 建立 PLC的 Profibus DP网络... 在 CPU 中，GE Fanuc 提 供标准的子程序块来初始化 5136-PFB 模块，并读取 5136-PFB 模块中的数据 程序如右图所示，INIT子程序用 于初始化 5136-PFB，Get 和 Put用于读写 5136-PFB 的数据

37 建立 90-30 PLC的 Profibus DP网络 90-30 PLC的 Profibus DP 主站模块如右图
9针 RS232 连接器用于下载 Firmware，更新模 块版本 该模块只须用 Cimplicity Control 对它组态， 不需要额外的组态软件 三个 LED 指示灯：OK、RUN、PWR PWR灯：绿色--正常，黄色--模块故障 OK灯：绿色--模块从CPU接收到正确组态内容 黄色--模块没有从CPU接收到正确组态内容 RUN灯：绿色--模块在进行总线通讯，所有从站 通讯正常且无故障 红色--模块不进行总线通 讯 黄色--模块在进行总线通讯，但总线有故 障或总线上的从站有故障

38 建立 PLC的 Profibus DP网络... 进入 Cimplicity Control，在 机架上配置 Profibus DP 主模 块。注意，该模块在 Bus Controller 菜单中 90-30 Profibus DP 主模块的 配置菜单第一页(Settings)显 示如右 在 Bus Address 中应填入本 站站号 Status Reference 是指从站 状态位，一个从站对应一位 用户可选择总线的波特率 (Baud Rate)

39 建立 PLC的 Profibus DP网络... 90-30 Profibus DP主模块的第二 页配置(Slave Information)显示 如右, 其中一行对应一个从站设备 窗口中最靠左边的一栏的数字指 的是从站在从站状态字中的状态 位处于的位序号 在 GSD File 处应输入该从站的 GSD文件的路径名，如：C:\Cimplicity\Control\GSD\ge0534de.gsd，输入完毕，Cimpicty Control会寻找到该文件并读取 该文件中的信息 在 Bus Addr处，应输入从站地址 号 其余数据来自GSD文件，用户不 必修改

40 建立 PLC的 Profibus DP网络... 90-30 Profibus DP 主模块的第 三页配置菜单(Data Area)如右 在此菜单中，用户应配置每个从 站的 I/O 信息 在 Slave Addr 处输入从站站号 在 Module # 处输入从站中每个 I/O 模块的序号，如1，2，3... 在Type处输入 I/O 模块的类 型 在 Length Type 处选择 Word 或 Byte，在Data Length处输入数 据长度, 在Input Offset 和 Output Offset处输入I/O地址 对于从站站号为3，带有一个16 点输入和一个8点输出的 Field Control，其组态如右图所示

41 建立 90-30 PLC的 Profibus DP网络... 将此硬件配置信息下载到 PLC 中
使得 PLC 从 Stop 切换到 Run 状态 察看 Profibus DP 主模块上的 OK 和 Run 灯是否变成绿色 如果这两个 LED 指示灯全部变成绿色，表明你已成功建立了 PLC 的 Profibus DP 网络