ProfiBus通讯原理详解

PROFIBUS 簇
EN 50170 Volume 2
通用目的自动化 工厂自动化 过程自动化
PROFIBUS-FMS
RS 485 / FO 通用
-大范围的应用 -多主通信
PROFIBUS-DP
RS 485 / FO 快速
-即插即用 - 高 效、廉 价
PROFIBUS-PA
IEC 1158-2 面向应用
RS 485 的屏蔽 / 接地
主 从 从
接地线
接地线
接地线
数据电缆 接地电缆
数据电缆

详细的安装指示在PROFIBUS-DP / FMS 的安装导则中说明， 订单号 2.112
RS-485 传输的数据位顺序
每个八位二进制数（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 每个八位二进数都补充三位，即开始、终止和奇偶校验位
数据链路层 (2)
物理层 (1) EN 50 170
FMS的协议结构



FMS定义了物理层、数据链路层和应用层和用户接口，三到 六层未加描述 物理层提供了光纤和RS485二种传输技术 数据链路层完成总线的存取控制并保证数据的可靠性 应用层定义了低层接口LLI和现场总线信息规范FMS LLI的作用是协调不同的通信关系并提供不信赖设备的第二 层访问接口，FMS提供了范围广泛的功能来保证它的普遍应 用 在不同的应用领域中，具体需要的功能范围必须与具体应用 要求要适应，这些适应性定义称之为行规，行规提供了设备 的可互换性，保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能 FMS在用户接口中规定了相应的用户及系统以及不同设备可 调用的应用功能，定义了现场设备行为的行规
*终羰电阻供电电源 +5V
数据线
RxD/TxD-P (3)
* 数据线B
数据线
RxD/TxD-N (8)
* 数据线A
屏蔽 保护地 保护地
390
DGND (5)
数据传输结束，即 +5V地
电缆接线
A型电缆的总线终端器
* 注: 中继器没有站地址，但它们被计算在每段的最多站数中

全部设备均与总线连接 每个分段上最多可接32个站 每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作 运行不发生误差。 两个总线终端电阻必须一直有电源 当分段站超过32个时，必须使用中继器用以连接 各总线段。串联的中继器一般不超过四个 电缆的最大长度取决于传输速度.一旦设备投入 运行，全部设备均需选用同一传输速度。
PROFIBUS-DP
PROFIBUS-PA
其它技术特点


信号线可用设备电源线。 每条总线区段可连接32个设备，不同区段用中继器连接。 传输速率可在9.6kB/S～12MB/S间选择。 传输介质可以用金属双绞线或光纤。 提供通用的功能模块管理规范。 在一定范围内可实现相互操作。 提供系统通信管理软件(包括波形识别、速率识别和协议识别等 功能)。 提供244字节报文格式，提供通信接口的故障安全模式(当IO故障 时输出全为零)。
PROFIBUS 协议符合 ISO/OSI 的开放系统参考模型
FMS
DP
DP- 行规
PA
PA- 行规 DP- 扩充功能 DP 基本功能
Layer
FMS
用户层
设备 行规
应用层 (7) (3)-(6)
现场总线信息规范
未用 现场总线数据链路
RS-485 / 光纤 IEC 接口 IEC 1158-2
PROFIBUS 导则 + 行规



安装 RS 485 (2)
第一个站 总线终端 VP 390 最后一个站
总线终端
VP 数据线 B 数据线 A 390 B 220 A 390 DGND
B
220 A 390 DGND
A 站2
B
A 站3
B
总线的连接示意图
为了在高电磁辐射环境下获得良好的抗干扰性能，可以使用带屏蔽 的数据传输电缆，屏蔽电缆两端的屏蔽编织箔必须与地线连接，并 通过尽可能大面积的屏蔽接线来覆盖。此外，在铺设过程中建议把 数据线和高压线隔离
二 传输技术



现场总线系统的应用在很大程度上取决于选择哪种传 输技术 除了传输可靠性、传输速度、传输距离等通用的要求 以外，考虑一些使用的灵活性及其它一些机电因素也 十分重要 例如，当应用于过程自动化时，特别是涉及本质安全 防爆的应用场合，数据和电源在同一根总线上传输就 很有必要 由于单一的传输技术不可能满足所有要求，因此 Profibus提供了RS485传输、IEC1158-2传输和光纤传 输三种类型
PA的协议结构制领域，可以把测量变送器、阀 门、执行机构用一根总线连接起来 PA数据传输采用扩展的DP协议，只是在上层增加了描 述现场设备行为的PA行规 简单的说，PA就相当于DP通信协议加上最适合现场仪 表的传输协议IEC1158-2 根据IEC1158-2标准，PA可通过总线给现场设备供电， 并可确保数据传输的本质安全性 当使用分段耦合器，PA装置能很方便的连接到DP网络
表 9 针D 型连接器的针脚分配
信号 Shield M24 RxD/TxD-P * CNTR-P DGND * VP * P24 RxD/TxD-N * CNTR-N 规定 屏蔽/保护地 24 V 输出电压的地 接收数据/传输数据阳极 (+) 中继器控制信号 (方向控制) 数据传输势位（对地 5V） 终端电阻-P的供给电压, (P5V) 输出电压 ＋ 24V 接收数据／传输数据阴极（-） 中继器控制信号 （方向控制）
PROFIBUS
现场总线技术
ProfiBus(Process field Bus)通讯简介
作为众多现场总线家族的成员之一，ProfiBus是在欧洲工业界得 到最广泛应用的一个现场总线标准，它既符合德国标准DIN19345及 欧洲标准EN50170，同时也于2000年成为国际标准IEC61158的组成部 份，是目前国际上通用的现场总线标准之一。 ProfiBus是属于单元级、现场级的SIMITAC网络，适用于传输中、 小量的数据。其开放性可以允许众多的厂商开发各自的符合 ProfiBus协议的产品，这些产品可以连接在同一个ProfiBus网络上。 Profibus是在1987年由Simens等13家企业和5家科研机构在德国联 邦研技部的资助下，联合研究开发的开放式现场总线标准。 ProfiBus是一种电气网络，物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光 纤、无线传输。
此编码原理称非归零码NRZ （即 Non Return to Zero）
1. 字节
空闲 LSB 位顺序:
开始 1 2 3 4 5 6 7
2. 字节
MSB
8
奇偶 终止 开始 校验
LSB
用于PA的IEC1158-2传输技术
根据IEC1158-2的传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足石油和化 工工业要求，它可保证其本质安全，并通过总线对现场设备供电 。IEC1158-2是一种位同步协议，其技术特性如下： 本质安全 (可选) 和通过总线对站供电 (可选) ，能满足化工和 石油化工业的要求
拓朴
(PROFIBUS 支持总线型，树型和星型拓扑)
这里提供的拓扑是总线型拓扑 在总线的开头和结尾必须有终端 一段可以由最多 32 个站*组成
终端 终端 中继器
终端
站1
2
终端
中继器
3
30
31
62
61
33
32
* 注: 中继器没有站地址，但它们被计算在每段的最多站数中





在一个PROFIBUS 系统中最大可连接126个站，总线系统 分为若干段，每个分段最多可连接32个站（主站和从 站），每段的头尾都需要一个永远有源的总线连接器， 标准的总线连接器用一个开关来控制终端电阻。两个总 线终端必须一直有电源 如果总线上超过32个站点，各个总线分段之间用中继器 （线路放大器）连接，中继器也计数为其中的一个站点 作为被动的总线站，中继器的作用是保证能明确识别与 之连接站点之间所交换的数据 如果PROFIBUS总线要覆盖更长的距离，中间可建立连接 段，连接段内不挂接任何站点 一般情况下，建议使用的中继器不超过四个
DP的协议结构


DP定义了物理层、数据链路层和用户接口，三至七 层未加描述 这种结构是为了确保数据传输的快速有效地进行 DP中的物理层和数据链路层与FMS中的定义完全相同， 二者采用了相同的传输技术（光纤或RS485传输）和 统一的总线控制协议（报文格式），直接数据链路映 像DDLM为用户接口与数据链路层之间的信息交换提供 了方便。 用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应 用功能，并详细说明了各种不同DP行规
RS485传输的基本特征和A型导线的特 性参数
传输速率与A型电缆总线长度的关系
PROFIBUS 电缆要求 - RS 485
参数
电缆设计 浪涌阻抗 回路电阻
电缆类型 A
屏蔽双绞电缆
135 ... 165 110 / km
线径
线截面积 每单位长度的电容
0.64 mm




ProfiBus主要有三部分组成，包括：ProfiBus-DP、 ProfiBus-PA、 ProfiBus-FMS ，简称DP、PA和FMS ProfiBus-DP（H2）是一种经优化的高速低成本通信， 专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计 ProfiBus-PA(H1)是专为过程自动化设计，提供本安传 输技术，可使传感器和执行机构联在一根总线上，主要 用于现场设备层的总线 ProfiBus-FMS主要用于车间级监控网络，解决车间级通 用性通信任务，是一个令牌结构的实时多主网络 一般将DP和FMS混合使用 Profibus 的三个兼容产品，使得Profibus 既适合于 自动化系统与现场I/o单元的通讯，也可用于直接连接带 接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表对现 场信号进行采集和监控。
三种有效的传输技术
站1 ..... 站n
终端
终端
PROFIBUS 使用两端有终端的总线拓扑 在运行期间，接入和断开一个或几个站不会影响其他站的工作，即使 在本质安全区也如此。 • RS 485:
提供三种不同的物理层选择:
用于 DP 和 FMS 用于 PA 用于 DP 和 FMS
• IEC 1158-2: • 光纤:
> 0.34 mm < 30 pF / m
PROFIBUS 电缆被列在 PROFIBUS 电子产品指南中。
A型屏蔽双绞电缆
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 如果其他连接器能提供必要的命令信号的话，也允许使用
-总线供电 -本质安全
1. Profibus 基本特征

一. 协议结构 Profibus现场总线是目前应用最广泛的现场总线技术之一。 DP和PA的完美结合使得Profibus现场总线在结构和性能上 优越于其它现场总线


Profibus 既适合于自动化系统与现场I/o单元的通 讯，也可用于直接连接带接口的变送器、执行器、 传动装置和其它现场仪表对现场信号进行采集和监 控。并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电 缆，大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工调 试以及系统投运后的维护时间和费用 Profibus协议以OSI为参考模型，其协议结构如下 图所示
（1）RS485传输技术



RS485传输用于PROFIBUS-DP和PROFIBUS –FMS, 通常称之为H2 总线电缆在EN50170标准中规定为A型屏蔽双绞 铜芯电缆，其最大允许的长度与传输速率是直 接相关的 RS485传输技术的基本特征，A型导线的特性， 参数以及传输速率与总线长度的关系分别如下 表所示
通信透明 从 传 感 器／执 行 器 到 区 域 控 制 器
工厂级 Ethernet/TCP/IP
总线 循环时间
< 1000 ms
区域 控制器
TCP/IP/Ethernet
PC/VME
CNC
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
针脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
* 每个设备必须支持命令信号
9针D型插头外观
RS 485传输设备安装 要点(1)
站1 站2
VP (6)
390 RxD/TxD-P (3) DGND (5) VP (6) RxD/TxD-N (8) (3) RxD/TxD-P (5) DGND 220 (6) VP (8) RxD/TxD-N