现场总线控制系统 第8讲 ProfiBus现场总线标准 信息学院自动化系

主 要 内 容 1 PROFIBUS 现场总线概述 2 PROFIBUS ——DP 3 PROFIBUS ——PA 4 PROFIBUS ——FMS 5 几种支持芯片

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; 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;

PROFIBUS簇

PROFIBUS 应用领域 PROFIBUS DP： 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。 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。 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。 主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。

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 PROFIBUS 主站(一类主站，必需) PROFIBUS 从站 PROFIBUS 网络部件 中央可编程控制器，如PLC、PC ,支持主站功能的通讯处理器（通信控制和管理） PROFIBUS 主站(一类主站，必需) PROFIBUS 从站 PROFIBUS 网络部件 人机界面设备(二类主站，可选) 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 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

PROFIBUS 协议结构 IEC传输技术保证安全性和直接给现场设备供电。

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： RS 485： 用于DP和FMS（对称传输，称H2） IEC 1158-2： 用于PA（位同步协议，称H1） 光纤： 用于DP和FMS

数据传输 传输特点（1） 高速（H2），RS 485 依据RS 485，异步NRZ传输 波特率从9.6kBit/s~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; 1.5MBit/s=400;小于等187.5KBit/s=1000m; 有中继器距离可延长到10公里 9针，D型插头

RS 485传输数据位顺序 每个8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 每个八位二进当选都补充三位，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 第段距离达1900米，用中继器可延长到10公里 最多127个站，每段10=32个设备 （依赖于EX类型和供电消耗）本安、防爆、安全栅隔离

PROFIBUS电缆要求-RS 485 参数 电缆类型A 电缆设计 屏蔽双绞线电缆 浪涌阻抗 135~165 回路电阻 110 /km 电缆设计 屏蔽双绞线电缆 浪涌阻抗 135~165 回路电阻 110 /km 线径 0.64mm 线截面积 >0.34mm 每单位长度的电容 <30pF/m 7.特征阻抗(Characteristic Impedance):交流信号在传输线上传播中的每一步遇到不变的瞬间阻抗就被称为特征阻抗,也称为浪涌阻抗,记为Z0。可以通过传输线上输入电压对输入电流的比率值(V/I)来表示。 Surge Impedance

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 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 Exd 隔爆 Exi 本质安全，简称本安 非

PROFIBUS总线存取协议 PROFIBUS介质存取控制MAC的基本要求： 1.PROFIBUS 总线访问协议（第二层）对三种PROFIBUS 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。 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。

令牌方式 主从方式 轮询

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) FDL层提供4种服务：SDA（发送需确认的数据）、SRD（发送并请求回答的数据）、SDN（发送不要求确认的数据）和CSRD（周期性的发送并请求回答的数据）。 令牌环调度确保每个主站有足够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）。 持有令牌时间(TTH) = 目标令牌循环时间(TTR) – 实际令牌循环时间(TRR) 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。 FDL在profibus称为现场总线数据链路(第二层) 海明距离：两条长度相等的序列，对应位置字符不同的个数。

2 PROFIBUS ——DP PROFIBUS—DP 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置、诊断和报警处理。

PROFIBUS_DP的特点 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、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。 VME：总线控制器板，嵌入式计算机常用总线 VME（VersaModule Eurocard）总线是一种通用的计算机总线，它结合Motorola公司Versa总线的电气标准和在欧洲建立的Eurocard标准的机械形状因子，是一种开放式架构。 VME系统的总线分为四大类：数据传输总线、数据传输仲裁总线、优先中断总线和通用总线。数据传输总线是一个高速异步平行数据传输总线，能传输数据和地址信号。

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： 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，而不心中断数据传输。 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 功能 含义 DPM1 DPM2 取得主站诊断数据 加载-卸载组合（开始，加载/卸载，结束） 加载或卸载DPM1及有关DP从站的全部配置参数 激活参数（广播） 同时激活所有已编址的DPM1的总线参数 激活参数 激活已编址的DPM1的参数或改变其操作状态 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

FPOFIBUS-DP 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 GSD是可读的ASCII文本文件，它包含用于通信的通用的和设备专用的规范。GSD的结构分为3部分：通用规范、主站规范和从站规范。

FPOFIBUS-DP 设备的GSD文件（2） 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（http://www.profibus.com)中构成了一个GSD文件库。

允许开放配置

RPOFIBUS-DP行规概述（1） 对NC/RC的行规 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 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 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 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。

3 PROFIBUS-PA

应用范围 PROFIBUS-PA=用于过程自动化的PROFIBUS 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 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

PROFIBUS-PA与4—20mA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+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PROFIBUS-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。 PROFIBUS-PA行规定义有送PA功能映像。

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 这是专为过程自动化制定的行规。依据功能块技术， 它包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

4 PROFIBUS ——FMS 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。 PROFIBUS—FMS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 MMI：MAN-MACHINE INTERFACE

PROFIBUS—FMS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（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 由用户定义 由PROFIBUS标准定义 静态： 由行规予定义或在组态期间定义 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 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

PROFIBUS—FMS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

PROFIBUS—FMS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

PROFIBUS—FMS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。

ROFIBUS—FMS行规的概述 控制器间通信的行规 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 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ROFIBUS—FMS协议进行通信。 低夺开关装置的行规 这是一个分支行规。它定义低夺开关装置如何作用ROFIBUS—FMS协议进行通信。

5 几种支持芯片 SPC3是个带有处理器接口的智能通信接口，用于硬件控制通道的Profibus-DP。 SPC3为Profibus-DP处理信息、识别地址、数据排序和协议执行。SPC4支持Profibus-DP、 PROFIBUS－FMS、 PROFIBUS－PA。 SPM2是带有64位输入/输出的单个芯片，用于简单的从站。SPM2独立处理整个数据传送，它不需要增加处理机和系统软件。 LSPM2是带有32位输入/输出的单个芯片，用于简单的从站。由于它的芯片小，适用于空间有限的场合。 SPM2（Siemens PROFIBUS Multiplexer）和LSPM2（Lean Siemens PROFIBUS Multiplexer）是用于简单从站协议芯片。可用于传感器．执行机构．开关设备．显示设备和热电偶测量。这两种ASICs 芯片支持PROFIBUS－DP协议。LSPM2采用小尺寸封装，更适合于体积小的应用场合。最大数据传输速率12Mbit/s。 ASPC2是一种用于主站的智能通信芯片，支持PROFIBUS－DP和PROFIBUS－FMS协议。通过段耦合器也可接PROFIBUS－PA。这种芯片可使可编程控制器、个人计算机、驱动控制器、人机接口等设备减轻通信任务负担。IM 180接口模板使用的就是ASPC 2。ASPC2最大数据传输速率12M bit/s。

应用LSPM2的PROFIBUS－DP从站接口 LSPM2支持PROFIBUS－DP协议。最大数据传输速率12Mbit/s，可自动检测并调整数据传输速率。

SIM1（Siemens IEC H1介质连接单元）与IEC H1即PROfIBUS－PA信号兼容。PROfIBUS－PA是PROfIBUS－DP的扩展，专门用于流程自动化行业。可用于本征安全场合。

本讲结束