《网络控制技术》第4章 Profibus现场总线
Profibus现场总线
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④． 电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。 ⑤． 远程电源供电：可选附件，通过数据线。 ⑥． 防爆型：能进行本征及非本征安全操作。 ⑦． 拓扑：线型或树型，或两者相结合。 ⑧． 站数：每段最多32个，总数最多为126个。 ⑨． 中继器：最多可扩展至4台。
• 4．IEC1158传输设备安装要点 • （1）分段耦合器将IEC1158－2传输技术总线段与 RS－485传输技术总线段连接。耦合器使RS－485 信号与IEC1158－2信号相适配。它们为现场设备 的远程电源供电，供电装臵可限制IEC1158－2总 线的电流和电压。
• （6） RS－485传输技术的PROFIBUS网络最好使用 9针D型插头。 • （7） 当连接各站时，应确保数据线不要拧绞， 系统在高电磁发射环境（如汽车制造业）下运行 应使用带屏蔽的电缆,屏蔽可提高电磁兼容性（ EMC）。 • （8） 如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保 护接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线来 复盖，以保持良好的传导性。另外建议数据线必 须与高压线隔离。 • （9） 超过500K bit/s的数据传输速率时应避免使 用短截线段，应使用市场上现有的插头可使数据 输入和输出电缆直接与插头连接，而且总线插头 连接可在任何时候接通或断开而并不中断其它站 的数据通信。
• PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP、 PROFIBUS－PA、PROFIBUS-FMS 。主要使用主-从方 式，通常周期性地与传动装臵进行数据交换。 • PROFIBUS–DP：是一种高速低成本通信，用于设备级 控制系统与分散式I／O的通信。使用PROFIBUS－DP 可取代24VDC或4－20mA信号传输。 •
• 耦合器或链接器用于各种传输技术之间的转换。 • 3、应用行规 • 描述与所使用的传输技术相一致的通信协议的内 部活动。最重要的：PA行规。 • Profibus 是一种多主站系统，可以实现多个控制、 配臵或可视化系统在一条总线上相互操作。拥有 访问权 ( 令牌 ) 的主站无需外部请求就可以发 送数据。而从站是一种被动设备，不享有总线访 问权。从站只能对接收到的消息进行确认，或者 在主站请求时进行发送。波特率支持 9.6k 至 12M 。总线上最多可连接 126 个设备。 Profibus 也支持广播和多点通讯。
Profibus现场总线
PROFIBUS简介
PROFIBUS是Process Fieldbus的缩写，是面向工厂自动化和流程自动化的 一种国际性的现场总线标准。
PROFIBUS被广泛的应用于制造自动化、过程自动化、楼宇自动化、交通管 理自动化、电子工业和电力输送等行业。
PROFIBUS技术的发展经历了如下过程:
因此，可以毫不夸张地说，采用PROFIBUS 现场总线的一 代过程控制系统必将成为保证电厂安全可靠运行的生力军
谢谢！
智能站间的通信
PROFIBUS的总线存取控制机制
一、概述
1、基本特性 • DP、FMS、PA等3种均使用一致的总线存取协议。 • 数据链路层(Fieldbus Data Link，FDL) ：保证数据可靠性技术、传输 协议和报文处理。 • 介质存取控制(Medium access controI,MAC)具体控制数据传输程序， 确保任何时刻只有一个站点发送数据。 2、PROFIBUS协议满足介质控制的2个基本要求： 1)复杂系统(主站)间的通信，须保证限定时间间隔中，任一个站点要有 足够时间完成通信任务。
为解决车间级通用性通讯任务、提供大量通讯服务、完成 中等传输速率的环与非循环通讯任务而设计的
• PROFIBUS-PA（Progress Automation 过程自动化）
专门为过程自动化而设计的
PROFIBUS通பைடு நூலகம்模型
PROFIBUS通讯模型
• PROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型的第1层 （物理层）和第2层（数据链路层），其中FMS还采
PROFIBUS的三个子集：
• PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery 分散外 围设备）
现场总线技术
○ DIN19245;EN50170 。
应用领域:工厂自动化和楼宇自动化。 使用情况:应用很广，已有250家生产厂商2000多种产品，已安装25万节点。
Profibus-DP 主要性能特点
传输速率范围很 广，可高速数据 通信 9.6Kbit/s~12 Mbit/s
:
料纺养厂应 管织系、用 理工统农领 系业、业域 统、沥环奶 。太青境制
阳和控品 能水制厂 电泥、、 站生动啤 、产物酒 燃、饲
:
:IEC61158;IEC61784;E
N50179
准标 。
Data
支
持
公 司
单 位
。丹
麦
Proces-
:
P-NET
P-NET主要性能特点
使用屏蔽双绞线电缆(RS485)，总线分段结构，每段长1200m; 通信速率:76.8kbit/s;·结构简单灵活，易于扩展，不采用专用芯片。
理 任
点网
。
:
要
工应 业用 控领 制域 。流
程 工 业 及 其 它
。司
册公
注等
过生
通默
品艾
家使
用 情 况
:
(4
)
已 有 产
主要性能特点
IEC支持，开放性好，可互操作性好; 使用工业级的以太网、集线器、交换机等设备; 网络层使用IP行规，传输层使用TCP、VDP(用户数据报协议，即为
IEIF标准下768项协议)行规; 作为FCS的主干网络，可局域网冗余，设备冗余。
INTERB US主要性 能特点
环型拓扑网络，通过总线控制板引出主干 线外，并具有165分支层;
第讲PROFIBUS现场总线
概述
1、PROFIBUS-DP
DP—— Decentralized Periphery 〔分布式外围设备〕.
是一种高速低本钱通信，即插即用， 最高传输速率12Mbps，用于中央控制 器〔PLC、PC〕与分散的现场设备 〔如I/O、阀门、驱动器等〕的通信。 使用PROFIBUS-DP可取代24VDC信 号传输。
主动站、主设备
PC
PLC
PROFIBUS
被动站、从设备
协议
四、总线访问协议的特点(1)
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
2、主站 主动站在一个限定时间内 (Token Hold Time) 对总线有控制权
3、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
PLC
PLC / PC
e.g., I / O
协议
四、总线访问协议的特点〔2〕
4、主站或从站可以在任何时间点接入或断开。FDL 将自动地重新组织令 牌环。
5、令牌环调度确保每个主站有足够的时间履行它的通信任务。因此，用 户必须计算全部目标令牌环时间 (TTR)。
6、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 输错误和其他所有可能的网络失败。
概述
带有 PROFIBUS-PA 的典型系统配置
区域控制器 (PLC)
工程或 HMI 工具
H2
x
RS 485 up to 12 MBit/s
PROFIBUS-DP
I
耦合器／链接器
+ x
IEC 1158-2 with 31.25 kBit/s
PROFIBUS-PA
变送器
H1
概述
PROFIBUS-FMS 的特点:
profibus现场总线
PR OFIBUS的现场总线综述摘要：PROFIBUS作为工业自动化和流程自动化的一种国际性现场总线标准，本文从PROFIBUS的基本概况、协议结构、组成、传输技术以及现场总线的现状及前景等几个方面对PROFIBUS现场总线技术作了较为简洁的精确综述，有利于读者在有限时间内了解和熟悉PROFIBUS现场总线技术。
关键词：PROFIBUS 现场总线综述Abstract: PROFIBUS as an international field bus standards oriented to factory automation and process automation, this paper makes a concise and accurate review of PROFIBUS field bus technology on the basic situation, protocol structure, composition, transmission technology and its current situation, and several other aspects. It is beneficial to the reader to understand and familiar with the PROFIBUS field bus technology in limited time.Key words: PROFIBUS Field Bus Summary1前言20世纪80年代中期，现场总线在要实现整个企业的信息集成、要实施综合自动化这一实际需求的驱动下应运而生，它作为现场设备之间互联的控制网络，沟通了生产过程控制设备之间及其更高控制管理网络之间的联系，为彻底打破由于设备之间采用传统的一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制等难以实现设备之间以及系统与外界的信息交换的现状创造了条件。
PROFIBUS现场总线的通信原理
PROFIBUS现场总线的通信原理PROFIBUS是一种用于工业自动化领域的现场总线通信协议，它具有高可靠性、高性能和广泛适应性的特点。
PROFIBUS采用串行通信方式，在现场设备和控制器之间传输数据，支持实时控制、远程诊断和设备管理等功能。
下面将详细介绍PROFIBUS的通信原理。
首先，PROFIBUS采用主-从式通信结构，主站负责组织和控制整个网络，从站负责接收和响应主站的指令。
主站可以是一个控制器，例如PLC或DCS；从站则是各种各样的现场设备，例如传感器、执行器和驱动器等。
通信过程中，主站发送指令和请求给从站，从站根据指令执行相应的操作，并将结果返回给主站。
主站可以使用轮询方式和点对点通信方式与从站进行通信。
在轮询方式中，主站按照一定的顺序逐个轮询从站，发送指令并接收响应。
在点对点通信方式中，主站直接与一些从站进行通信，这种方式适用于需要快速响应的实时控制应用。
PROFIBUS的通信过程分为数据通信和配置通信两个阶段。
在数据通信阶段，主站发送数据给从站，从站执行相应的操作并返回数据。
数据通过物理层的电缆线路传输，可以采用不同的物理层介质，例如RS485、Fiber Optic和PROFIBUS PA等。
在数据传输过程中，PROFIBUS使用分段传输技术将数据按照帧的形式进行传输，每个帧包括起始码、帧头、数据域、CRC校验和帧尾等字段。
在配置通信阶段，主站与从站进行参数的配置和诊断信息的交换。
主站可以配置从站的通信地址、数据传输速率和通信周期等参数，从而实现对从站的管理和控制。
主站还可以向从站发送诊断命令，获取从站的运行状态和故障信息，实现设备的远程诊断和维护。
为了保证通信的可靠性和实时性，PROFIBUS采用了一系列的通信协议和机制。
例如，PROFIBUS DP（Decentralized Peripherals）协议用于高速数据传输；PROFIBUS PA（Process Automation）协议用于现场仪器设备的连接和控制；PROFIsafe协议用于安全相关的应用；PROFIenergy 协议用于能源管理等。
PROFIBUS现场总线
RS-485总线段的结构
VP（6）
390Ohm
390Ohm
总线终端 电阻开关
220Ohm
220Ohm
390Ohm
……
390Ohm
DGND（5） 站点数 Max：32个
连接PROFIBUS电缆
1. 传输序列 半双工、异步、无间隙同步 NRZ（不归零）编码 1个字符祯 = 1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验
PROFIBUS第1层的另一种类型是通过光纤导体中光的 传输来传送数据。
站与站之间的距离最大到15km。 用玻璃或塑料纤维制成的光纤电缆。 玻璃光纤能处理的连接距离达到15km，而塑料光纤
只能达到80m（最新的塑料光纤能达到900m）。 距离较远或电磁干扰较大时使用。
4.2.3 光纤传输技术（用于DP和FMS） 1.总线导线 塑料纤维光纤，一般在百米以下使用 玻璃纤维光纤，一般在千米以下使用
光纤总线终端） 一个不带集成纤维光缆接头的PROFIBUS站或
一个RS-485段可以通过OBT连接到一个光纤电 路。
4.3 PROFIBUS的总线存取控制机制
PROFIBUS(DP、FMS、PA)均使用一致的总线存取协 议，通过模型的第2层来实现。
数据链路层(Fieldbus Data Link，FDL) ：保证数 据可靠性技术、传输协议和报文处理。
PROFIBUS-PA的数据传输
4.2.2 用于PA的IEC61158-2传输技术 2. 传输电缆 采用屏蔽/非屏蔽双绞线 4种电缆类型 总线长度：200-1900米
3. PA的总线连接
4. 拓扑结构
Profibus-PA的网络拓扑 树型、总线型和混合型
浅析profibus现场总线的应用
浅析profibus现场总线的应用计算机技术, 网络技术和数字通信技术的迅速发展引起了工业自动控制系统结构的巨大变化。
Profibus作为一种由智能化设备组成的计算机网络，近年来，凭借其独特的优势已成为自动控制领域研究的热点，应用于众多领域。
在我国冶金工艺中，profibus现场总线主要应用在炼焦配煤优化系统、焦炉加热计算机控制及管理系统、烧结过程智能控制管理系统、烧结终点判断与智能控制系统、炼铁优化专家系统、高炉人工智能系统中，通过对这些子系统的控制，确保了整个冶金工作的自动化流程的实现。
1Profibus现场总线简介随着自动化工业发展，总线分布式机械臂控制系统在工业生产得到了广泛的应用，随着机器人自动化程度的提高，控制技术逐步增大，在工业生产环节的机械臂操作需要多个机械臂的相互协调工作，操作之间的机械需要总线控制，采用机器人实现流水工作，可以有效解决生产精密设备的工作，总线控制技术在工业控制中得到广泛应用，网络通信与信息管理在机器人工业控制中得到了应用，将分散测控设备组合成变成网络节点，融合成总线通信网络，实现设备之间的有效沟通信息、完成自控工作的网络系统与控制系统，CAN总线分布式机械臂控制是一种有效的实时控制，串行通信网络，具有性能搞、可靠强、实时交互便利的特点，被广泛用于控制系统中机械设备之间的数据通信与自动化仪器控制，主要考虑将高速实时处理与分布式工业控制领域中的高可靠性相结合。
PR0FIBUS现场总线是以开放式系统互联网络作为参考模型，采用的是德国国家标准DIN19245和欧洲EN50170现场总线标准，定义了物理传输特性、总线取协议和应用功能的一种计算机网络系统，由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、和PROFIBUS-FMS三个兼容部分组成。
Profibus-DP是一种高速低成本通信, 用于设备级控制系统与分散的I/O形式的通信；Profibus-PA是专为过程控制自动化设计的, 将传感器和执行机构接到一根总线上, 并具有本质安全规范，Profibus-FMS是具有令牌结构的监控网络、具有实时多主的特征。
PROFIBUS现场总线介绍
PROFIBUS现场总线介绍
1.灵活性：PROFIBUS总线可以适用于各种不同的应用领域，包括制
造业、过程工业和建筑自动化等。
它可以连接多种类型的设备，如传感器、执行器、变频器等，灵活适配不同的现场设备。
2. 实时性：PROFIBUS总线的通信速度可以达到12 Mbps，能够满足
实时控制和数据传输的需求。
它具有低延迟和高响应性，适用于需要快速
响应的应用场景。
3.可靠性：PROFIBUS总线采用了差分传输技术和冗余机制，可以有
效抵抗干扰和噪声，提高通信的可靠性和稳定性。
它还具有故障检测和诊
断功能，可以及时发现和排除故障，保证系统的稳定运行。
4.易于集成：PROFIBUS总线可以轻松集成到现有的控制系统中，同
时也支持与其他通信网络的互连。
它提供了标准的数据交换和通信协议，
方便各种设备之间的互联和数据共享。
5.可扩展性：PROFIBUS总线可以支持多达126个从站设备，同时也
支持多个主站的配置。
这使得它能够适应不同规模和复杂度的现场自动化
系统，方便系统的扩展和升级。
在现场总线系统中，PROFIBUS总线还有两种主要的变种，即PROFIBUSDP和PROFIBUSPA。
总的来说，PROFIBUS是一种功能强大、性能优越的现场总线系统，
能够提供可靠的数据传输和实时控制功能。
它广泛应用于各种工业自动化
和过程控制领域，在提高生产效率和降低成本方面发挥了重要作用。
Profibus现场总线
主站/从站方式允许当前拥有令牌的主站对指定的从站进 行访问。
第四章 Profibus现场总线
3. Profibus的技术特点
（3） Profibus的协议 3种Profibus方式都使用统一的总线存取协议。由OSI的 第2层来实现：数据安全性、传输协议和报文的处理。 Profibus总线访问协议有两种方式——令牌环方式和主 站/从站方式。
（2） Profibus的传输技术 b. IEC1158－2
IEC1158－2传输特点： 每个电缆段仅有一个电源单元，连接站数为32个，两端需
有终端器，拓扑结构可分为总线型、树型和星型。
第四章 Profibus现场总线
3. Pofibus的传输技术 c. 光纤（FO）传输技术
传输距离远（在187.5Kbps可达到23.8km）。抗电磁 干扰能力强，隔离性能好。
通过RS485和光纤技术相互转换。 扩展：传输速率和传输长度不可兼得
以RS485为例子：
比特率 9.6 (Kbps)
距离 1200 (m)
19.2 1200
93.75 187.5 500 1200 1000 400
现场总线技术及其应用
课程内容介绍 第一章 现场总线概论(1.5学时） 第二章 网络基础知识（3学时） 第三章 基金会现场总线（6学时）
第四章 Profibus现场总线（3学时）
第五章 LonWorks（6学时） 第六章 CAN总线(3学时） 第七章 HART简介（1.5学时） 第八章 系统集成及综合比较（3学时）
通信，从功能上考虑 Profibus—DP：加工自动化，快捷，用于传感器和执行器
级的高速数据传输，接插方便，效益好，价格适中，从 系统响应时间考虑 Profibus—PA：过程自动化，面向行业，总线馈电，本安 型，安全性要求较高的场合，如石油、化工、冶金，从 安全性考虑
PROFIBUS现场总线
PROFIBUS现场总线摘要：现场总线技术是20世纪90年代兴起的一种集控制技术、仪表技术和计算机网络技术为一体的先进的工业控制技术。
这其中PROFIBUS现场总线是目前较为流行的五种现场总线中较为有仪表性的一种。
与其它现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。
目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和楼宇自动化等。
PROFIBUS的开放性和不依赖于厂商的通信设想，已在10多万成功应用中得以实现。
市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场份额超过40%。
一、现场总线1.1 现场总线的产生背景随着控制、计算机、通讯、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次、覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。
信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的深刻变革，现场总线就是在这种形式下发展起来的新技术。
20世纪50年代至今，工业过程控制仪表一只采用4-20mA的标准信号。
20世纪60年代，测控系统一般采用直接数字式控制系统。
20世纪70年代，数字式计算机被映入到测控系统中，此时的计算机提供的是集中式控制处理。
20世纪80年代，微处理器被嵌入到各种仪器设备中，而形成了分布式控制系统(DCS)，这种分布式控制系统经历了若干发展阶段，从集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)到智能控制、维护、管理集成系统(ICMMS)，控制单元日益智能化，控制的方式日益走向多智能控制单元的协同工作模式。
由于各种现场总线技术的相继出现，人们对传统的模拟仪表和控制系统要求变革的呼声越来越高，现场总线为引入智能现场仪表提供了一个开放平台。
基于现场总线的分布式控制系统(FieldbusControlSystem,FCS)是在传统的分布式控制系统(DistributedControlSystem,DCS)的基础之上发展起来的，顺应了自动控制系统发展的潮流。
PROFIBUS现场总线介绍
3. 适应本质安全区的安装。
12
4. 更高的安全性与有 效性。
5. 开放的国际标准， 投资安全。
13
有效性： 高速通信、GSD文件、行规等；
14
技术指标
DP/FMS的RS485传输技术。 PA采用IEC1158-2传输技术。 光纤（FO）传输技术。
15
DP/FMS传输速率
9.6Kbit/s~12Mbit/s之间。
• 简介 • 特点
• 技术指标 • 实现方法
PROFIBUS 现场总线介绍
PROFIBUS 1
由来
2
PROFIBUS国际组织(PI)现状
3
4
应用范围
5
协议特征
6
7
8
9
1. 规化、设计、安装简单，从而使 得这方面的成本降低很多。
特 点
10
2. 由于集中组态，建立系统简单，因此也便 于维护工作，从而节省许多维护费用，降 低了总体成本。
了解并用程序实现之； 5. 搭建一个调试与测试平台，需要有PROFIBUS 配置
有关的技术基础。
优缺点：优点是无需了解太多的PROFIBUS协议的细节； 成本
相对较高；缺点是开发周期与产品成本较高。
21
单片 机加
软件 技术局限性：
方案
1. 最高达12MBPS较难实现； 2. 字符无间应无空闲时间、最大应答时间、
主从备，总线上站点数最多为126。
诊断功能。
标准化GSD文件。
第三方产品的互操作性。
16
传输技术的比较
17
பைடு நூலகம்
实现方法
18
19
RSIC
解 决 方 案
第四章 现场总线控制系统(FCS)
第四章现场总线控制系统（FCS）第一节现场总线控制系统基础现场总线控制系统(FCS)是基于现场总线技术的计算机控制系统，它是集计算机技术、网络技术和控制技术为一体的先进的计算机控制系统。
是一种全分散、全数字、全开放的控制系统。
它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域，将逐渐成为计算机控制系统的主流形式。
一、现场总线控制系统的特点根据IEC标准和现场总线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。
现场总线控制系统是在现场总线的基础上发展起来的，它所带来的改进首先体现在现场通信网络方面，其次在结构、装置、功能等方面也有优势。
概括地说，它具有以下技术特点：(1)FCS采用的现场总线是一个全数字化的现场通信网络。
现场总线是用于过程控制系统和制造自动化系统中现场设备或现场仪表间互连的数字化通信网络，其传输抗干扰性强，测量精度高，大大提高了控制系统的性能。
(2)FCS的现场总线网络是开放式互连网络。
用户可以自由集成不同制造商的通信网络，通过网络将不同厂商生产的现场设备和功能块设备有机地融合为一体，构成统一的现场总线控制系统。
(3)FCS的所有现场设备直接通过一对传输线(现场总线)互连。
一对传输线互连多台现场设备，双向传输数据信息，大大减少连线数量，从而降低安装费用，更易于维护，并提高了可靠性。
(4)FCS普遍采用智能仪表，增强了系统的自治性，系统控制功能更加分散。
智能化的现场设备具有更加完善的功能，包括部分控制功能，从而将较简单的控制任务改由现场设备完成，使现场设备既有检测、变换功能，又有运算和控制功能，一机多用。
这样既节约了成本，又使控制更加安全和可靠。
FCS废除了DCS的I／O单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散到现场设备，实现了彻底的分散控制。
二、FCS与DCS的分析比较FCS系统利用现场总线技术，针对现存的DCS的某些不足，改进控制系统的结构，提高了性能和通用性。
第4章 PROFIBUS现场总线
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第4章
PROFIBUS现场总线
4.2.2 PROFIBUS-FMS的协议结构
PROFIBUS-FMS使用了第1层、第2层和第7层。应用层（第7层 ）包括FMS（现场总线报文规范）和LLI（低层接口）。 FMS处理单元级（PLC和PC）的数据通信。功能强大的FMS服 务可在广泛的应用领域内使用，并为解决复杂通信任务提供了 很大的灵活性。
1．传输技术 由于DP与FMS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。RS-485 传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术，这种技术通常称之为 H2，采用的电缆是屏蔽双绞线。RS-485传输技术的基本特征有 ： （1）网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻； （2）传输速率：9.6kbps~12Mbps； （3）介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件 （EMC）； （4）站点数：每段32个站（不带中继），可多到127个站（ 带中继）； （5）插头连接：最好使用9针D型插头。
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第4章
PROFIBUS现场总线
工厂管理系统 工厂管理级 总线循环 时间 <1 000 ms PC 网关 车间级 总线循环 时间 <100 ms PC PLC PLS PROFIBUS-FMS CNC MMS,TCP/IP Backbone
4.1 PROFIBUS概述
现场级 总线循环 时间 <10 ms 现场 设备
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第4章
PROFIBUS现场总线
4.1 PROFIBUS概述
PROFIBUS-PA是PROFIBUS的过程自动化解决方案，PA将自动 化系统和过程控制系统与现场设备，如压力、温度和液位变送 器等连接起来，代替了4~20mA模拟信号传输技术，在现场设 备的规划、敷设电缆、调试、投入运行和维修等方面可节约成 本40%之多，并大大提高了系统功能和安全可靠性，因此PA尤 其适用于石油、化工、冶金等行业的过程自动化控制系统。 PROFIBUS-FMS：它的设计是旨在解决车间一级通用性通信任 务，FMS提供大量的通信服务，用以完成以中等传输速率进行 的循环和非循环的通信任务。 为了满足苛刻的实时要求，PROFIBUS协议具有如下特点：
现场总线技术及应用课件：Profibus总线
Profibus总线
能力目标 (1) 掌握PLC和其他设备Profibus DP通信的建立方法。 (2) 掌握Profibus DP通信组态时的易错问题。
Profibus总线
5.1 Profibus总线概述
5.1.1 Profibus总线简介 Profibus是西门子公司的现场总线标准，它是Process
Fieldbus的缩写。目前，它是在国内应用范围最广的现场总 线，尤其是Profibus DP在国内工厂自动化和流程自动化的占 比非常高。Profibus现场总线接线简单，通信速度高，通信 过程稳定，西门子的PLC加上Profibus DP的通信协议几乎是 所有工业现场的首选，再加上后来的Profinet工业以太网协 议，它们都获得了设计人员、操作人员的广泛认可。
Profibus总线
Profibus包含Profibus DP、Profibus FMS和Profibus PA， 以及后来推出的Profidrive、Profisafe、Profinet等，它们囊括 了车间级和现场级的应用层次。
Profibus DP设计用于设备级应用，它主要用于完成PLC、 传感器、执行器(电机、电磁阀等)的通信任务，通信速度最 高可达12 Mb/s。Profibus DP包含了DP V0、DP V1和DP V2 三个版本，是目前国内应用最多的通信协议。本章实验也是 以Profibus DP为例。
Profibus总线
Profibus总线
5.1 Profibus总线概述 5.2 西门子S7-300 PLC与施耐德ATV930变频 器的Profibus DP通信 小结 思考与习题
PROFIBUS现场总线的通信原理
PROFIBUS现场总线的通信原理PROFIBUS 现场总线的通信原理1．引言PROFIBUS 是一种国际性的开放式现场总线标准，是唯一的全集成H1（过程）和H2（工厂自动化）现场总线解决方案[1]，它不依赖于产品制造商，不同厂商生产的设备无须对其接口进行特别调整就可通信，因此它广泛应用于制造加工、楼宇和过程自动化等自动控制领域。
它包括3个兼容版本，Profibus-DP(H2)、Profibus-PA(H1)、Profibus-FMS 。
DP 是经过优化的高速、廉价的通信接口，专为自动控制系统和设备级分散I/O 之间通信设计，可取代24V 或0~20mA 并行信号线。
也可用于分布式控制系统的高速数据传输。
FMS 用于车间级通用性中等传输速度的循环和非循环通信，适用于传感器、执行器、PLC 等一般自动控制系统。
PA 是专为过程自动化设计的标准本质安全传输技术，满足IEC1158-2中规定的通信规程，适用于安全性要求高以及由总线供电的场合。
PROFIBUS 可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化，总线系统分为主站和从站，主站决定总线的数据通信，从站仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息[2]。
2． PROFIBUS 的协议结构PROFIBUS 的协议结构是根据ISO7498国际标准化开发式互联网络（OSI ）作为参考模型，具体结构如图1所示。
图1 PROFIBUS 协议结构图PROFIBUS-DP 使用了第1、2层和用户接口，这样确保了数据传输快速和有效地进行，直接数据链路映像（DDLM ）使用户接口易于进入第2层。
PROFIBUS-FMS 对第1、2、7层均加以定义。
应用层包括现场总线信息规范（FMS ）和底层接口（LLI ）。
FMS 包括了应物理（1数据链路（2（3）~（6（7...用协议并向用户提供可广泛选用的通信服务；LLI 协调不同通信关系并保证FMS 不依赖设备访问第二层，第二层（FDL ）提供总线访问控制并保证数据的可靠性。
工业控制网络 第2版 第4章 PROFIBUS现场总线
4.4 西门子工业自动化设备简介
一、西门子PLC简介 德国的西门子（SIMENS）公司是全球最大的子
4.1 PROFIBUS概述
四、PROFIBUS-DP特点 （1）传输介质支持屏蔽双绞线和光纤； （2）通信速率范围为9.6kbit/s~12Mbit/s； （3）总线段最多可以连接32个站点； （4）总线段最长传输距离可达1200m； （5）支持总线型或树型拓扑，有终端电阻； （6）采用不归零的差分编码，支持半双工、异步传输； （7）数据帧长度为3~255字节。
kbps 、1.5Mbps、3 Mbps、6 Mbps、12 Mbps等通信速率 ； ❖ 总线长度与通信速率有关
4.2 PROFIBUS-DP的通信协议
3.连接器
4.2 PROFIBUS-DP的通信协议
4. 电缆
4.2 PROFIBUS-DP的通信协议
二、PROFIBUS-DP的数据链路层 1.系统组成
所有帧字符的和。 7）结束段
结束段ED为帧结束的界定符，取值为16H。
4.2 PROFIBUS-DP的通信协议
三、 PROFIBUS-DP的用户层 1. DDLM 预先定义的直接数据链路映射程序。 2. PROFIBUS-DP用户接口 3. PROFIBUS-DP行规 NC/RC 、编码器 、变速驱动 、HMI 等 4. 电子设备数据文件（GSD）
设备必须向控制器提供所必需的各种参数 以利于现代化设备管理 。
4.3 PROFINET
一、PROFINET技术的起源 ❖ PROFINET是PROFIBUS国际组织（PNO）于
2001年8月发表的新一代通信系统。 ❖ 在2003年4月IEC颁布的现场总线国际标准
IEC61158第3版中，PROFINET被正式列为国际 标准IEC61158Type10。 ❖ PROFINET是一种工业以太网标准，能够将现 场控制层和企业信息管理层有机地融合为一体。
《网络控制技术》第4章 Profibus现场总线
4.1.2数据链路层
数据链路层定义总线访问方式和数据传输服务。 PROFIBUS总线访问通信为主从式，具有对总线控制权限 的站点称为主站，而通信过程对总线不具备对总线控制权 限的站点为从站。主站决定了总线的数据通信，当主站获 得总线控制权时，可以主动发送信息，而不必有外界的请 求。从站无总线控制权，仅能对接收的信息进行确认或在 主站发出请求后向主站发送响应。 主站间的通信采用逻辑令牌控制方式，所有的主站构成一 个逻辑令牌环，令牌传递在环中传递保证每个主站在确定 的时间得到总线存取权，以确保在任何时刻只有一个站点 发送数据。令牌实际上是一种数据链路层一种特殊的帧， 按地址的升序依次在各主站间传递。令牌循环一周的时间 是事先规定的，各主站持有令牌的时间取决于令牌配置的 循环时间。拥有令牌的主站可与从站通信，向从站发送或令牌 TTH＝TTR－TRR 否
TTH< 0 是 否 有高先级 报文吗 是 处理高优先级报文
有高先级 报文吗 是 处理高优先级报文
否
有高先级 报文吗 是 处理高优先级报文
否
否
TTH< 0 是 否
TTH< 0 是
传递令牌
4.3.2数据链路服务
发送数据需应答
主站 FDL_SDA_ACK.req L_SDU L_PDU FDL_SDA_ACK.ind L_SDU FDL_SDA_ACK.con L_PDU 主站/从站
4.2物理层
每个站点通过9针连 接器与介质连接。连 接器的插座装在站内， 而插头安装在总线电 缆上。最好用金属的 连接器外壳。
1
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3
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4.2.3物理层(PHY)的服务
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FDL_DATA_REPLY.con L_SDU
L_PDU
4.3.2数据链路服务--CSRD
主站
FDL_CYC_DATA_REPLY.req FDL_CYC_DATA_REPLY.con FDL_SEND_UPDATE.req FDL_SEND_UPDATE.con FDL_CYC_ENTRY.req FDL_CYC_ENTRY.con FDL_REPLY_UPDATE.req FDL_REPLY_UPDATE.con FDL_DATA_REPLY.ind FDL_CYC_DATA_REPLY.con
4.1.3应用层
应用层由现场总线报文规范（FMS）和低层接口（LLI） 两个实体组成，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。 现场总线报文规范描述了设备的应用过程、通信对象、服 务以及关系模型，主要负责管理单元级(PLC和上位机)的 数据通信。其服务适用的应用场合广泛，并在解决复杂的 通信任务时拥有极大的灵活性。 对于一个设备的应用过程与另一个设备的应用过程间的通 信，传输的过程对象必须在通信系统中是可视的，也就是 说，过程对象作为通信对象需罗列在设备的对象字典 （OD）中。这样，一个应用过程的通信对象在被通信服 务寻址和处理之前，必须是有效且可视的。 通常在运行期间站点在网络中必须有唯一的标识，通过总 线能读出诸如制造商名称、型号、行规等有关标识信息。 对象字典、设备特性、相同的服务和一致的接口就构成不 同制造商的设备间开放通信的基础，通常也把设备的这部 分信息称虚拟现场设备（VFD）。因为在PROIFIBUS总线 上，它其实就是物理设备在网络中的逻辑表示。
4.1.3应用层
低层接口用于建立各种不同的通信关系并向现场 总线报文规范提供对于第2层、设备无关的访问， 主要任务是： 把现场总线报文规范和现场总线管理等应用层服 务映像到数据链路层服务上 通信连接的建立和解除 监视通信连接关系 数据流控制
4.1.4用户层
用户层是针对工业的特点而定制的一层网络规范， 保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能， 提供了设备的可互换性。它定义了不同应用领域 的设备功能，即FMS行规、DP行规和PA行规。
PROFIBUS 导则 + 行规
PROFIBUS通信参考模型
4.1.1物理层
物理层规定了线缆长度、网络拓扑结构、总线接 口、站点数和在9.6 kbit/s到1.5 Mbit/s之间可变 的数据传输速率，以适应不同的领域。 根据应用场合物理层成可以分成两部分：物理层 类型1和物理层类型2。 物理层类型1是根据EIA标准RS-485制定的，不能 应用于本质安全场合
4.3.2数据链路服务
发送数据无需应答
主站 FDL_DATA.req L_SDU FDL_DATA.ind FDL_DATA.con L_SDU L_PDU 1 主站/从站 2 3 N
4.3.2数据链路服务
发送并请求数据需回答
主站 FDL_DATA_REPLY.req L_SDU L_PDU 主站/从站 FDL_REPLY_UPDATE.req L_SDU FDL_REPLY_UPDATE.con FDL_DATA_REPLY.ind
4.3.1总线存取技术
收到令牌 TTH＝TTR－TRR 否
TTH< 0 是 否 有高先级 报文吗 是 处理高优先级报文
有高先级 报文吗 是 处理高优先级报文
否
有高先级 报文吗 是 处理高优先级报文
否
否
TTH< 0 是 否
TTH< 0 是
传递令牌
4.3.2数据链路服务
发送数据需应答
主站 FDL_SDA_ACK.req L_SDU L_PDU FDL_SDA_ACK.ind L_SDU FDL_SDA_ACK.con L_PDU 主站/从站
4.2物理层
物理层类型2介质覆盖范围大、拓扑结构灵活，可以通过 信号导体传输电流，具有易爆气体保护和高的电磁兼容性。 物理层类型2能够满足一些环境恶劣的化工领域的应用， 它的技术特征如下： 介质：能提供本质安全和总线供电功能(发送数据时，不 向总线供电) 网络拓扑：可以是线形、星形、树形或前几种的组合 数据传输：曼切斯特编码，通信速率为31.25kbps。 站数：每个网段最多32个，总数最多126（采用中继器的 话）
4.2物理层
物理层类型1介质RS-485使用NRZ位编码，目的 是降低总线耦合器成本，耦合器可以实现站与总 线之间的电气隔离或非电气隔离 RS-485的技术特征如下： 介质：屏蔽双绞线。 总线长度≤1200米。 站数：32个站点。 数据传输速率：9.6/19.2/93.75/187.5/500/1500 kbits/s，可支持更高的数据传输速率。
4.3.1总线存取技术
TS<NS<PS 2 PS<TS<NS 4 PS<TS<NS NS<PS<TS 6 9
1
3
5
7
10
在逻辑令牌环中的每一个主站负责增加新站和撤除现有的 站，它们的地址被安置在从本站地址到下一站之间的范围 内。这个地址范围称作GAP，最高站地址和127之间的地 址范围除外。在GAP更新时间（TGUD）给定的时间区段 内，逻辑令牌环中的每一个主站周期性地检查它的地址范 围。
主站/从站 1
2
FDL_CYC_ENTRY.req FDL_CYC_ENTRY.con FDL_CYC_DATA_REPLY.con FDL_REPLY_UPDATE.req FDL_REPLY_UPDATE.con FDL_DATA_REPLY.ind
N
FDL_CYC_ENTRY.req FDL_CYC_ENTRY.con FDL_CYC_DATA_REPLY.con
4.1.2数据链路层
数据链路层定义总线访问方式和数据传输服务。 PROFIBUS总线访问通信为主从式，具有对总线控制权限 的站点称为主站，而通信过程对总线不具备对总线控制权 限的站点为从站。主站决定了总线的数据通信，当主站获 得总线控制权时，可以主动发送信息，而不必有外界的请 求。从站无总线控制权，仅能对接收的信息进行确认或在 主站发出请求后向主站发送响应。 主站间的通信采用逻辑令牌控制方式，所有的主站构成一 个逻辑令牌环，令牌传递在环中传递保证每个主站在确定 的时间得到总线存取权，以确保在任何时刻只有一个站点 发送数据。令牌实际上是一种数据链路层一种特殊的帧， 按地址的升序依次在各主站间传递。令牌循环一周的时间 是事先规定的，各主站持有令牌的时间取决于令牌配置的 循环时间。拥有令牌的主站可与从站通信，向从站发送或 索取信息。
PROFIBUS系统结构
4.1概述
FMS
Layer FMS
用户层
DP
DP- 行规 DP- 扩充功能
PA
PA- 行规
设备 行规
DP 基本功能
应用层 (7)
现场总线信息规范 未用 现场总线数据链路
RS-485 / 光纤
EN 50 170
(3)-(6)
数据链路层 (2) 物理层 (1)
IEC 接口 IEC 1158-2
4.1概述
工厂级
总线 循环时间
< 1000 ms
Ethernet/TCP/IP 区 域 CNC
控制器
TCP/IP/Ethernet
PC/VME
车间级
总线 循环时间
< 100 ms
VME/PC
PROFIBUS-FMS PLC
DCS
现场级
总线 循环时间
< 10 ms
PROFIBUS-DP
PROFIBUS-PA
FDL_CYC_DATA_REPLY.con
2
FDL_REPLY_UPDATE.req FDL_REPLY_UPDATE.con FDL_CYC_DATA_REPLY.con FDL_DATA_REPLY.ind
N
FDL_REPLY_UPDATE.req FDL_REPLY_UPDATE.con
4.1.2数据链路层
主设备间的逻辑令牌环
主站 , PLC PLC
PROFIBUS
M
传感器 传感器 传动 装置 执行器 传感器
M
传动 装置
T
变送器
从站 , 从设备
PROFIBUS的总线访问方式
4.1.2数据链路层
数据链路层共定义了4种数据传输服务： 发送数据需应答（SDA） 此服务允许用户给单个远程站发送数据，并等待远程站点的确认信息， 是点对点的通信方式。如果通信过程中出错，或等待超时，将重传数 据。 发送数据无需应答（SDN） 此服务允许用户同时给单个远程站、多个远程站（组播）或同时给全 部远程站（广播）发送数据，不需要任何确认。 发送和请求数据需回答（SRD） 此服务允许用户给单个远程站发送数据，同时请求此远程站回送相关 数据。 循环地发送和请求数据需回答（CSRD） 此服务允许用户循环地给远程站发送数据，同时请求此远程站回答 数据。
站1 PHY_DATA.request PHY_DATA.indication 站N
4.3数据链路层(FDL)
4.3.1总线存取技术 4.3.2数据链路服务 4.3.3现场总线管理层（FMA 1/2） 4.3.4数据链路层的帧编码
4.3.1总线存取技术
PROFIBUS的介质访问机制是基于令牌传递和主 从通信技术的。主站具有对总线的访问权限，如 果一个通信系统中有多个主站的话，只能有一个 激活的主站。确保多主站的系统中，只有一个主 站处于激活状态的机制就是令牌传递过程。从站 不会主动向外传送信息，除非收到主站的请求。 PROFIBUS把主站发送请求信息和从站做出响应 的交互过程称为报文循环。