PROFIBUS现场总线概述

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"#$34; 世纪 )" 年代中期，国外就提出了现场
+,-./012 国 际 组 织 （+/） 成 立 ， !$$6 年 6 月 +,-./012#.N2 和 +,-./012#P+ 被 批准为 欧洲现 场总线标准 MO*"!8" QR ’， !$$) 年 +,-./012#+5 被批准纳入 MO*"!8" QR ’， !$$$ 年成为国际标准 /MS6!!*) 的组成部分。
自动化与仪表
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断和报警处理。 !"#$%&’( B ,! 具有以下特性： ! 用 "( B KL8 双绞线、双线电缆或光缆传输， 波特率从 :M < NO J ? P Q9 *O J ?。 "各主站间令牌传递，主站与从站间为主 B 从 （主 传送， 并支持单主或多主系统。总线上最多站点 数为 Q9<。 B 从设备） （用户数据传送） （控制 或广播 #通信为点对点 指令） 方式； 循环主 B 从用户数据传送和非循环主 B 主数据传送。 清除、 停止。 $运行模式有运行、 %控制指令允许输入和输出同步，同步模式时 输出同步， 锁定模式时输入同步。 & ,! 主站和 ,! 从站间执行循环用户数据传 送， 各 ,! 从站可动态激活， 并可检查组态； 经过扩 诊 展的 !"#$%&’(),! 诊断能对故障进行快速定位， 断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分 R 级： 本站诊断操作； 模块诊断操作； 通道诊断操作。 ’ 所有信息的 传输按海明 距离 S, T K 进行 ； ，对 ,! ,! 从站带看门狗定时器 （U1/7G5A> V-F4.） 从站的输入 J 输出进行存取保护；,! 主站上带可变 定时器的用户数据传送监视。 (第一类 ,! 主站（,!*Q）是中央可编程序控 （,!*9） 制器， 如 !CD 或 !D 等； 是可 第二类 ,! 主站 进行编程、 组态、 诊断的设备。 ,! 从站是带二进制值 或模拟量输入输出的驱动器、 阀门等。 E R H !"#$%&’()!W !"#$%&’()!W 适 用 于 !"#$%&’( 过 程 自 动 温度 化。!W 将自动化系统和过程控制系统与压力、 和液位变送器等现场设备连接起来，并可用来替代 K P 9; FW 的模拟技术。 !"#$%&’( B !W 具有以下特性： !适合过程自动化应用的行规，使不同厂家生 产的现场设备具有互换性；" 可增加和去除总线站 点， 即使在本征安全地区也不会影响到其它站； #在 过程自动化的 !"#$%&’()!W 段与制造业自动化的 并可实 !"#$%&’()!W 总线段之间通过耦合器连接， 现两段间的透明通信 X $使用与 %IDQQ8L B 9 技术相 同的双绞线完成远程供电和数据传送；% 在危险区 “本质安全” “非本质安全” 可使用防爆型 或 的设备。 !"#$%&’()!W 行规保证了不同厂商所生产的 现场设备的互换性和互操作性， 它是 !"#$%&’()!W
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专题综述 的一个组成部分。它的任务是为各种类型现场设备 选用真正需要的通信功能，并提供这些设备功能和 设备行为的必要规格。目前， !" 行规已对所有通用 的变送器和一些设备类型作了具体规定。 !" ! 数据传输技术特性 !#$%&’() 提供了 * 种数据传输类型： + , - 用于 .! 和 %/) 的 #) 0 123 传输 由于 .! 与 %/) 系统使用了同样的传输技术和 统一的总线访问协议，因而这两套系统可在同一根 电缆上同时操作。 #) 0 123 是 !#$%&’() 最常用的 一种传输技术， 这种技术通常称之为 45， 采用的电 缆是屏蔽双绞铜线。 #) 0 123 传输技术的基本特征： ! 在网络线性总线的两端有有源的总线终端电阻； " 传输速率为 67 8 9: ; < = ,5 /: ; <； # 采用屏蔽双 （>/?） 绞电缆， 根据环境条件 也可取消屏蔽； $每分 （不带中继） （带中继） ， 可多达 ,5@ 个站 ； 段 *5 个站 大都使用 6 针 . 型插头。 %在连接上， + 5 - 用于 !" 的 &>?,,32A5 传输 &>?,,32A5 是一种位同步协议，可进行无电流 的连续传输， 通常称为 4, 。数据 &>?,,32A5 的传输 技术用于 !#$%&’()A!"， 能满足化工和石油化工业 的要求。它可保持其本质安全性，并通过总线对现 场设备供电。 &>?,,32 0 5 传输技术特性 B !采用数 字式、 位同步、 曼彻斯特编码传输数据； "传输速率 ；#根据前同步信号，采用 为 *,7 53 9: ; （ < 电压式） 起始和终止限定符避免数据误差；$采用屏蔽式或 非屏蔽式双绞电缆。 %可选附件，通过数据线进行 远程电源供电； & 能进行本质及非本质安全操作； ’ 可采用线型或树型， 或两者相结合的网络； 每段最 ( 多 *5 个站，总数最多为 ,58 个；)最多可扩展至 1 台中继器。 + * - 用光纤传输 !#$%&’() 系统在电磁干扰很大的环境中，可 使用光纤以增加高速传输的距离。可使用两种光纤 导体， 一种是价格低廉的塑料纤维导体， 在距离小于 3C D 情况下使用，另一种是玻璃纤维导体，在距离 小于 , 9D 情况下使用。 目前许多厂商都提供专用总 线插头，可将 #) 0 123 信号转换成光纤导体信号或 将光纤导体信号转换成 #) 0 123 信号。 !" # 协议结构 !#$%&’() 协 议 结 构 是 根 据 &)$@162 国 际 标 （$EFG &GHFIJKGGFJHLKG 0 准， 以开放式系统互联网络 作为参考模型。 )&$ ） !#$%&’() 0 .! 使用了七层协议的第一、二层 及用户接口， 没有定义第三到第七层， 这种结构保证 了快速而有效的数据传输。直接数据链路映象 （..M/）为用户接口提供第二层功能映象，用户接 口规定了用户、 系统及不同设备可以调用的功能， 并 对 不 同 的 !#$%&’()A.! 设 备 的 设 备 行 为 给 予 说 明。 二、 七层。应用 !#$%&’() 0 %/) 定义了第一、 （%/)） 层包括了现场信息规范 和底层接口（MM&） 。 %/) 包含了应用层的协议，并向用户提供了丰富的 服务功能； MM& 为 %/) 提供了与设备无关的第二层 的访问能力。第二层实现总线访问控制并保持被传 输数据的可靠性。!#$%&’()A%/) 与 !#$%&’()A.! 使用了相同的传输技术和统一的总线访问协议，可 在同一条线缆上进行操作。 !#$%&’()A!" 采用 !#$%&’()A.! 的基本功能 来传送测量值和状态， 并通过扩展 !#$%&’()A.! 的 功能来制定现场设备的参数并进行设备操作。 !" 设 备可以通过耦合器连入 .! 网络。 !#$%&’()A!" 第 一层采用 &>?,,32 0 5 技术， 第二层与第一层之间的 接口在 .&N,6513 系列标准的第 1 部分作出规定。 （数据链路层） 另外， 使用 !#$%&’() 在第二层 混合介质存取技术，即 !#$%&’() 介质存取协议包 括主站之间的令牌环方式和主站、从站之间的主从 方式。!#$%&’() 协议是开放的， 理论上只需具备串 行通信能力的微处理器便可以实现。 !" $ 组网 如图 , 所示， !#$%&’() 网络覆盖了车间和现 场两级， 实现了车间、 现场控制的数字化和智能化。 !#$%&’() 与工业以太网的联接，实现了控制网络 与数据网络的融合，这样就将工业现场的微观控制 和企业决策的宏观控制置于一体化的环境之下，进 一步增强了工厂系统的柔性，从而有利于提高工厂 的管理水平和生产能力。
作者简介： 于浩洋 & !$6) 7 ( ， 男， 黑龙江省哈尔滨市人， 黑龙江工程学院讲师， 主要从事电工、 电子及自动控制的教学和 研究工作； 联系电话： "%*! 7 868))"! 转 *6)8 。
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专题综述 !"#$%&’()$*( 利用通信关系将分散的应用 过程统一到一个共用的过程中。在应用过程中，可 用 来 通 信 的 那 部 分 现 场 设 备 称 虚 拟 设 备 +$, （+-./012 3-425 ,46-74） 。 在实际现场设备与 +$, 之间 设立一个通信关系表， 通信关系表是 +$, 通信变量 的集合， 如零件数、 故障率、 停机时间等。+$, 通过 通信关系表完成对实际现场设备的通信。 $*( 面向对象通信，确认 8 种静态通信对象： 简单变量、 数组、 记录、 域和事件， 还确认 9 种动态通 信对象： 程序调用和变量表。每个 $*( 设备的所有 （#,） 通信对象都填入对象字典 。 对简单设备， #, 可 以预定义； 对复杂设备， #, 可以本地或远程通过组 态加到设备中去。静态通信对象进入静态对象字 典， 动态通信对象进入动态通信字典， 每个对象均有 一个唯一的索引。为避免非授权存取，每个通信对 象可选用存取保护。 $*( 服务项目是 %(# :8;< 制造信息规范 **( （*1=0317/0.-=> *4??1>4 (@47-3-71/-A=） 服务项目的 子集。这些服务项目在现场总线应用中已被优化， 还加上了通信对象的管理和网络管理。 !"#$%&’( B $*( 提供大量的管理和服务，满足了不同设备对通 信提出的广泛需求，服务项目的选用取决于特定的 应用， 具体的应用领域在 $*( 行规中规定。 第七层到第二层服务的映射由低层接口 （CC%） 来解决，其主要任务包括数据流控制和联接监视。 用户通过称之为通信关系的逻辑通道与其它应用过 程进行通信。$*( 设备的全部通信关系都列入通信 关系表 D"C E DAFF0=-71/-A= "421/-A=?G-@ C-?/ H ，每 （D"I$） 个通信关系通过通信索引 来查找， D"C 中包 含了 D"I$ 和第二层及 CC% 地址间的关系。 $*( 还提供网络管理功能，有由现场总线管理 层第七层来实现。其主要功能有上下关系管理、配 置管理及故障管理等。 E 9 H !"#$%&’(),! 在 !"#$%&’(),! 用于现场层的高速数据传送。 （如 !CD， 通过高速串行线 这一级， 中央处理器 !D） 同分散的现场设备（% J #，驱动器、阀门等）进行通 讯。 一般情况下， 主站周期地读 ,! 构成单主站系统， 取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。 （!CD） 总线循环时间必须比主站 程序循环时间短。 除周期性用户数据传输外， !"#$%&’(),! 还提供智 能化现场设备所需的非周期性通信， 以进行组态、 诊