PROFIBUS簡介

PROFIBUS概貌
　　（1） PROFIBUS是一種國際化．開放式．不依賴于設備生產商的現場總線標準。廣泛適用于制造業自動化．流程工業自動化和樓宇．交通電力等其他領域自動化。
　　（2） PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS－DP（ Decentralized Periphery）．PROFIBUS－PA（Process Automation ）．PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。
　　（3） PROFIBUS – DP: 是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I／O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代辦24VDC或4－20mA信號傳輸。
　　（4） PORFIBUS－PA：專為過程自動化設計，可使傳感器和執行機構聯在一根總線上，并有本征安全規范。
　　（5） PROFIBUS－FMS：用于車間級監控網絡，是一個令牌結構．實時多主網絡。
　　（6） PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。
　　（7） 與其它現場總線系統相比，PROFIBUS的最大優點在于具有穩定的國際標準EN50170作保證，并經實際應用驗證具有普遍性。目前已應用的領域包括加工制造．過程控制和自動化等。PROFIBUS開放性和不依賴于廠商的通信的設想，已在10多萬成功應用中得以實現。市場調查確認，在德國和歐洲市場中PROFIBUS占開放性工業現場總線系統的市場超過40％。PROFIBUS有國際著名自動化技術裝備的生產廠商支持，它們都具有各自的技術優勢并能提供廣泛的優質新產品和技術服務。
　　PROFIBUS在工廠自動化系統中的位置
　　一個典型的工廠自動化系統應該是三級網絡結構。基于現場總線PROFIBUS-DP/PA控制系統位于工廠自動化系統中的底層，即現場級與車間級。現場總線PROFIBUS是面向現場級與車間級的數字化通信網絡。
　　（1） 現場設備層：主要功能是連接現場設備，如分散式I／O．傳感器．驅動器．執行機構．開關設備等，完成現場設備控制及設備間連鎖控制。主站（PLC．PC機或其它控制器）負責總線通信管理及所有從站的通信。總線上所有設備生產工藝控制程序存儲在主站中，并由主站執行。
　　（2） 車間監控層：車間級監控用來完成車間主生產設備之間的連接，如一個車間三條生產線主控制器之間的連接，完成車間級設備監控。車間級監控包括生產設備狀態在線監控．設備故障報警及維護等。通常還具有諸如生產統計．生產調度等車間級生產管理功能。車間級監控通常要設立車間監控室，有操作員工作站及打印設備。車間級監控網絡可采用PROFIBUS－FMS，它是一個多主網，這一級數據傳輸速度不是最重要的， 而是要能夠傳送大容量信息。
　　（3） 工廠管理層：車間操作員工作站可通過集線器與車間辦公管理網連接，將車間生產數據送到車間管理層。車間管理網作為工廠主網的一個子網。子網同過交換機．網橋或路由等連接到廠區骨干網，將車間數據集成到工廠管理層。
　　車間管理層通常所說的以太網，即IEC802.3．TCP/IP的通信協議標準。廠區骨干網可根據工廠實際情況，采用如FDDI或ATM等網絡。

　　PROFIBUS總線存取協議
　　（1） 三種PROFIBUS(DP．FMS．PA)均使用一致的總線存取協議。該協議是通過OSI參考模型第二層（數據鏈路層）來實現的。它包括了保證數據可靠性技術及傳輸協議和報文處理。
　　（2） 在PROFIBUS中，第二層稱之為現場總線數據鏈路層（Fieldbus Data Link - FDL）。介質存取控制（Medium Access Control - MAC）具體控制數據傳輸的程序，MAC必須確保在任何一個時刻只有一個站點發送數據。
　　（3） PROFIBUS協議的設計要滿足介質控制的兩個基本要求：
　　①． 在復雜的自動化系統（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時間間隔中，任何一個站點要有足夠的時間來完成通信任務。
　　②． 在復雜的程序控制器和簡單的I/O設備（從站）間通信，應盡可能快速又簡單地完成數據的實時傳輸。
　　因此，PROFIBUS總線存取協議，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。
　　（4） 令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規定的時間內得到總線存取權（令牌）。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。
　　（5） 主站得到總線存取令牌時可與從站通信。每個主站均可向從站發送或讀取信息。因此，可能有以下三種系統配置：
　　①　　純主－從系統
　　②　　純主－主系統
　　③　　混合系統
　　（7） 以一個由３個主站．７個從站構成的PROFIBUS系統為例。３個主站之間構成令牌邏輯環。當某主站得到令牌報文后，該主站可在一定時間內執行主站工作。在這段時間內，它可依照主－從通訊關系表與所有從站通信，也可依照主－主通訊關系　　（７） 在總線系統初建時，主站介質存取控制MAC的任務是制定總線上的站點分配并建立邏輯環。在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環中排除，新上電的主站必須加入邏輯環。
　　（8） 第二層的另一重要工作任務是保證數據的可靠性。PROFIBUS第二層的數據結構格式可保證數據的高度完整性。
　　（9） PROFIBUS在第二層按照非連接的模式操作，除提供點對點 邏輯數據傳輸外，還提供多點通信，其中包括廣播及選擇廣播功能。
　　
　　PROFIBUS傳輸技術

　　PROFIBUS提供了三種數據傳輸類型：
　　 （1）用于DP和FMS的RS485傳輸。
　　 （2）用于PA的IEC1158－2傳輸。
　　 （3）光纖
　　 1． 用于DP／FMS的RS485傳輸技術
　　 由于DP與FMS系統使用了同樣的傳輸技術和統一的總線訪問協議，因而，這兩套系統可在同一根電纜上同時操作。
　　 RS-485傳輸是PROFIBUS最常用的的一種傳輸技術。這種技術通常稱之為H2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。
　　 RS-485傳輸技術基本特征：
　　 （1） 網絡拓撲：線性總線，兩端有有源的總線終端電阻。
　　 （2） 傳輸速率：9.6K bit /s12M bit/ s
　　 （3） 介質：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環境條件（EMC）。
　　 （4） 站點數：每分段32個站（不帶中繼），可多到127個站（帶中繼）。
　　 （5） 插頭連接：最好使用9針D型插頭。
　　 2． RS－485傳輸設備安裝要點
　　 （1） 全部設備均與決線連接。
　　 （2） 每個分段上最多可接32個站（主站或站）。
　　 （3） 每段的頭和尾各有一個總線終端電阻，確保操作運行不發生誤差。兩個總線終端電阻必須永遠有電源。
　　 （4） 當分段站超過32個時，必須使用中繼器用以連接各總線段。串聯的中繼器一般不超過3個。
　　 （注：中繼器沒有站地址，但被計算機在每段的最多站數中）
　　 （5） 電纜最大長度取決于傳輸速率。如使用A型電纜，則傳輸速率與長度如下：
　　 波特率：（K bit/s）9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 1200
　　 距離／段（M） 1200 1200 1200 1000 400 200 100
　　 （6） A型電纜參數：
　　 阻抗：135－165Ω 電容：＜30 pf / m 回路電阻：110Ω
　　 線規：0.64mm 導線面積：＞0.34mmΩ
　　 （7） RS－485的傳輸技術的PROFIBUS網絡最好使用9針D型插頭。
　　 （8） 當連接各站時，應確保數據線不要擰絞，系統在高電磁發射環境（如汽車制造業）下運行應使用帶屏蔽的電纜,屏蔽可提高電磁兼容性（EMC）。
　　 （9） 如用屏蔽編織線和屏蔽箔，應在兩端與保護接地連接，并通過盡可能的大面積屏蔽接線來復蓋，以保持良好的傳導性。另外建議數據線必須與高壓線隔離。
　　 （10） 超過500K bit/s的數據傳輸速率時應避免使用短截線段，應使用市場上現有的插頭可使數據輸入和輸出電纜直接與插頭連接，而且總線插頭連接可在任何時候接通或斷開而并不中斷其它站的數據通信。
　　 3用于PA的IEC1158－2傳輸技術
　　 （1） 數據IEC1158－2的傳輸技術用于PROFIBUS－PA，能滿足化工和石油化工業的要求。它可保持其本征安全性，并通過總線對現場設備供電。
　　 （2） IEC1158－2是一種位同步協議，可進行無電流的連續傳輸，通常稱為H1。
　　 （3） IEC1158－2技術用于PROFIBUS－PA，其傳輸以下列原理為依據：
　　 ①． 每段只有一個電源作為供電裝置。
　　 ②． 當站收發信息時，不向總線供電。
　　 ③． 每站現場設備所消耗的為常量穩態基本電流。
　　 ④． 現場設備其作用如同無源的電流吸收裝置。
　　 ⑤． 主總線兩端起無源終端線作用。
　　 ⑥． 允許使用線性．樹型和星型網絡。
　　 ⑦． 為提高可靠性，設計時可采用冗余的總線段。
　　 ⑧． 為了調制的目的，假設每個部線站至少需用10mA基本電流才能使設備啟動。通信信號的發生是通過發送設備的調制，從±9mA到基本電流之間。
　　 （4） IEC1158－2傳輸技術特性：
　　 ①． 數據傳輸：數字式．位同步．曼徹斯特編碼。
　　 ②． 傳輸速率：31.25K bit /s，電壓式。
　　 ③． 數據可靠性：前同步信號,采用起始和終止限定符避免誤差。
　　 ④． 電纜：雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式。
　　 ⑤． 遠程電源供電：可選附件，通過數據線。
　　 ⑥． 防爆型：能進行本征及非本征安全操作。
　　 ⑦． 拓撲：線型或樹型，或兩者相結合。
　　 ⑧． 站數：每段最多32個，總數最多為126個。
　　 ⑨． 中繼器：最多可擴展至4臺。
　　 4．IEC1158傳輸設備安裝要點
　　 （1）分段藕合器將IEC1158－2傳輸技術總線段與RS－485傳輸技術總線段連接。藕合器使RS－485信號與IEC1158－2信號相適配。它們為現場設備的遠程電源供電，供電裝置可限制IEC1158－2總線的電流和電壓。
　　 （2）PROFIBUS－PA的網絡拓撲有樹型和線型結構，或是兩種拓撲的混合。
　　 （3）現場配電箱仍繼續用來連接現場設備并放置總線終端電阻器。采用樹型結構時連在現場線分段的全部現場設備都并聯地接在現場配電箱上。
　　 (4)建議使用下列參考電纜，也可使用更粗截面導體的其它電纜。
　　 ①． 電纜設計：雙絞線屏蔽電纜
　　 ②． 導線面積（額定值）：0.8mm2(AWG18)
　　 ③． 回路電阻（直流）：44Ω／Km
　　 ④． 阻抗（31.25千赫時）：100Ω±20％
　　 ⑤． 39千赫時衰減：3dB/Km
　　 ⑥． 電容不平衡度：2nF/Km
　　 （5）主總線電纜的兩端各有一個無源終端器，內有串聯的RC元件，R＝100Ω，C＝1цF。當總線站極性反向連接時，它對總線的功能不會有任何影響。
　　 （6） 連接到一個段上的站數目最多是32個。如果使用本征安全型及總線供電，站的數量將進一步受到限制。即使不需要本征安全性，遠程供電裝置電源也要受到限制。
　　 （7） 線路最長長度的確定，根據經驗先計算一下電流的需要，根據以下參數（2－2）選用一種供電電源單元，再根據以下參數中（2－3）線的長度確定選用哪種電纜。　
　　（2－2）：標準供電裝置（操作值）
　　型號 應用領域 供電電壓 供電最大電流 最大功率 典型站數
　　Ⅰ EEx ia/ibⅡC 13.5V 110mA 1.8W 8
　　Ⅱ EEx ia/IbⅡC 13.5V 110mA 1.8W 8
　　Ⅲ EEx ia/IbⅡB 13.5V 250mA 4.2W 22
　　Ⅳ 不具有本征安全 24V 500mA 12W 32
　　（備注：假設每個設備耗電10mA。）　　
　　（２－３）：IEC1158-2傳輸設備的線路長度
　　供電裝置　　　　　　　　　　Ⅰ型 Ⅱ型 Ⅲ型 Ⅳ型 Ⅴ型 Ⅵ型
　　供電電壓（Ｖ） 13.5 13.5 13.5 ２４ ２４ ２４
　　Σ所需電流（mA） ≤110 ≤110 ≤250 ≤110 ≤250 ≤500
　　Ｑ＝0.8mm2的導線長度（m） ≤900 ≤900 ≤400 ≤1900 ≤1300 ≤650
　　Ｑ＝1.5mm2的導線長度（m） ≤1000 ≤1500 ≤500 ≤1900 ≤1900 ≤1900
　　(8)外接電源：如果外接電源設備，根據EN500200標準帶有適當的隔離裝置，將總線供電設備與外接電源設備連在本征安全總線上是允許的。
　　 5.光纖傳輸技術
　　（2）PROFIBUS系統在電磁干擾很大的環境下應用時，可使用光纖導體,以增加高速傳輸的距離。
　　（2）可使用兩種光纖導體，一是價格低廉的塑料纖維導體，供距離小于50米情況下使用，另一種是玻璃纖維導體，供距離小于1公里米情況下使用。
　　（3）許多廠商提供專用總線插頭可將RS－485信號轉換成導體信號或將光纖導體信號轉成RS-485信號。　　
　　PROFIBUS 協議結構
　　PROFIBUS協議結構是根據ISO7498國際標準，以開放式系統互聯網絡（Open System Interconnection-SIO）作為參考模型的。該模型共有七層。
　　（1）PROFIBUS－DP：定義了第一．二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說明了各種不同PROFIBUS－DP設備的設備行為。
　　（2）PROFIBUS－FMS：定義了第一．二．七層，應用層包括現場總線信息規范（Fieldbus Message Specification - FMS）和低層接口(Lower Layer Interface － LLⅠ)。FMS包括了應用協議并向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務。LLⅠ協調不同的通信關系并提供不依賴設備的第二層訪問接口。
　　（3）PROFIBUS－PA：PA的數據傳輸采用擴展的PROFIBUS－DP協議。另外，PA還描述了現場設備行為的PA行規。根據IEC1158－2標準，PA的傳輸技術可確保其本征安全性，而且可通過總線給現場設備供電。使用連接器可在DP上擴展PA網絡。
　　 注：第一層為物理層，第二層為數據鏈路層，第三－六層末使用，第七層為應用層。