PROFIBUS-DP現場總線的結構及應用

PROFIBUS的最大優點在於具有穩定的國際標準EN50170作保證，並經實際應用驗證具有普遍性。目前已廣泛應用於製造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通電力等領域。

PROFIBUS由3個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分佈I/O系統）、PROFIBUS-PA（Process Automation，現場總線信息規範）和PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，過程自動化）。

PROFIBUS-DP是一種高速、低成本通信，專門用於設備級控制系統與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24V DC或4~20mA信號傳輸。

PORFIBUS-PA專為過程自動化設計，可使傳感器和執行機構連在一根總線上，並有本質安全規範。PROFIBUS-FMS用於車間級監控網絡，是一個令牌結構的實時多主網絡。

1．PROFIBUS的協議結構

PROFIBUS協議結構是根據ISO7498國際標準，以OSI作為參考模型的。PROFIBUS-DP定義了第1、2層和用戶接口。

第3到7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，並詳細說明了各種不同PROFIBUS-DP設備的設備行為。

PROFIBUS-FMS定義了第1、2、7層，應用層包括現場總線信息規範（FMS）和低層接口（LLI）。FMS包括了應用協議並向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務；LLI協調不同的通信關係並提供不依賴設備的第2層訪問接口。

PROFIBUS-PA的數據傳輸採用擴展的PROFIBUS-DP協議。另外，PA還描述了現場設備行為的PA行規。

根據IEC1157-2標準，PA的傳輸技術可確保其本質安全性，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。

2．PROFIBUS的傳輸技術

PROFIBUS提供了三種數據傳輸型式：RS-485傳輸、IEC1157-2傳輸和光纖傳輸。

1) RS-485傳輸技術

RS-485傳輸是PROFIBUS最常用的一種傳輸技術，通常稱之為H2。RS-485傳輸技術用於PROFIBUS-DP與PROFIBUS-FMS。

RS-485傳輸技術基本特徵是：網絡拓撲為線性總線，兩端有有源的總線終端電阻；傳輸速率為9.6kbps~12Mbps；介質為屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決於環境條件；不帶中繼時每分段可連接32個站，帶中繼時可多到127個站。

RS-485傳輸設備安裝要點：全部設備均與總線連接；每個分段上最多可接32個站（主站或從站）；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一直有電源；

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4個；傳輸速率可選用9.6kbps~12Mbps，一旦設備投入運行，全部設備均需選用同一傳輸速率。電纜最大長度取決於傳輸速率。

採用RS-485傳輸技術的PROFIBUS網絡最好使用9針D型插頭。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下運行應使用帶屏蔽的電纜，屏蔽可提高電磁兼容性（EMC）。

如用屏蔽編織線和屏蔽箔，應在兩端與保護接地連接，並通過儘可能的大面積屏蔽接線來覆蓋，以保持良好的傳導性。

2）IEC1157-2傳輸技術

IEC1l57-2的傳輸技術用於PROFIBUS-PA，能滿足化工和石油化工業的要求。它可保持其本質安全性，並通過總線對現場設備供電。IEC1157-2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）光纖傳輸技術

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。

可使用兩種光纖導體：一種是價格低廉的塑料纖維導體，供距離小於50m情況下使用；另一種是玻璃纖維導體，供距離小於1km情況下使用。

許多廠商提供專用總線插頭，可將RS-485信號轉換成光纖導體信號或將光纖導體信號轉換成RS-485信號。

3. PROFIBUS總線存取控制技術

PROFIBUS-DP、FMS、PA均採用一樣的總線存取控制技術，它是通過OSI參考模型第2層（數據鏈路層）來實現的，它包括保證數據可靠性技術及傳輸協議和報文處理。

在PROFIBUS中，第2層稱之為現場總線數據鏈路層（FDL，Fieldbus Data Link）。

介質存取控制（MAC，Medium Access Control）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。

PROFIBUS協議的設計要滿足介質存取控制的兩個基本要求：

1）在複雜的自動化系統（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）在複雜的程序控制器和簡單的I/O設備（從站）間通信，應儘可能快速又簡單地完成數據的實時傳輸。

因此PROFIBUS主站之間採用令牌傳送方式，主站與從站之間採用主從方式。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），令牌在所有主站中循環一週的最長時間是事先規定的。

在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。主站得到總線存取令牌時可依照主-從通信關係表與所有從站通信，向從站發送或讀取信息，也可依照主-主通信關係表與所有主站通信。

所以可能有3種系統配置：純主-從系統、純主-主系統和混合系統。

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並建立邏輯環。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。

第2層的另一重要工作任務是保證數據的高度完整性。PROFIBUS在第2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，包括廣播和選擇廣播功能。

4. PROFIBUS控制系統的幾種形式

根據現場設備是否具備PROFIBUS接口，控制系統的配置有總線接口型、單一總線型、混合型3種形式。

1）總線接口型 現場設備不具備 PROFIBUS接口，採用分散式I/O作為總線接口與現場設備連接。這種形式在應用現場總線技術初期容易推廣。

如果現場設備能分組，組內設備相對集中，這種模式會更好地發揮現場總線技術的優點。

2）單一總線型 現場設備都具備PROFIBUS接口，這是一種理想情況。可使用現場總線技術，實現完全的分佈式結構，可充分獲得這一先進技術所帶來的的利益。

3）混合型 現場設備部分具備PROFIBUS接口，這將是一種相當普遍的情況。這時應採用PROFIBUS現場設備加分散式I/O混合使用的辦法。

無論是舊設備改造還是新建項目，希望全部使用具備PROFIBUS接口現場設備的場合可能不多，分散式I/O可作為通用的現場總線接口，是一種靈活的集成方案。

1）結構類型1，以PLC或控制器做1類主站，不設監控站，但調試階段配置一臺編程設備。這種結構類型，PLC或控制器完成總線通信管理、從站數據讀寫、從站遠程參數化工作。

2）結構類型2 ，以PLC或控制器做1類主站，監控站通過串口與PLC一對一的連接。

這種結構類型，監控站不在PROFIBUS網上，不是2類主站，不能直接讀取從站數據和完成遠程參數化工作。監控站所需的從站數據只能從PLC控制器中讀取。

3）結構類型3，以PLC或其它控制器做1類主站，監控站（2類主站）連接PROFIBUS總線上。這種結構類型，監控站在PROFIBUS網上作為2類主站，可完成遠程編程、參數化及在線監控功能。

4）結構類型4，使用PC機加PROFIBUS網卡做1類主站，監控站與1類主站一體化。這是一個低成本方案，但PC機應選用具有高可靠性、能長時間連續運行的工業級PC機。對於這種結構類型，PC機故障將導致整個系統癱瘓。

另外，通信廠商通常只提供一個模板的驅動程序，總線控制、從站控制程序、監控程序可能要由用戶開發，因此應用開發工作量可能會較大。

5）結構類型5，堅固式PC機（OMOPACT COMPUTER）＋PROFIBUS網卡十SOFTPLC的結構形式。

由於採用堅固式PC機（COMOPACT COMPUTER），系統可靠性將大大增強，足以使用戶信服。

但這是一臺監控站與1類主站一體化控制器工作站，要求它的軟件完成如下功能：主站應用程序的開發、編輯、調試，執行應用程序，從站遠程參數化設置，主/從站故障報警及記錄，監控程序的開發、調試，設備在線圖形監控、數據存儲及統計、報表等。

近來出現一種稱為SOFTPLC的軟件產品，是將通用型PC機改造成一臺由軟件（軟邏輯）實現的PLC。

這種軟件將PLC的編程（IECll31）及應用程序運行功能和操作員監控站的圖形監控開發、在線監控功能集成到一臺堅固式PC機上，形成一個PLC與監控站一體的控制器工作站。

6）結構類型6使用兩級網絡結構，這種方案充分考慮了未來擴展需要，比如要增加幾條生產線即擴展出幾條DP網絡，車間監控要增加幾個監控站等，都可以方便進行擴展。採用了兩級網絡結構形式，充分考慮了擴展餘地。

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關鍵字: 設計 自動化 總線