基于Profibus-DP的现场总线通信技术

作者：时间：2016-12-13来源：网络收藏

0 引言

Profibus是目前工控系统中最成功的现场总线之一，得到了广泛的应用。Profibus-DP(Distributed I/O System-分布式I/O系统)是一种经过优化的模块，有较高的数据传输率，适用于系统和外部设备之间的通信，远程I/O系统尤为合适。Profibus-DP主要用于中央处理器与分散外围设备之间的高速数据通信，完成自动控制系统(如PLC，PC等)通过高速串行总线与分散的现场设备(I/O、驱动器、阀门等)之间的通信任务。它允许高速度周期性的小批量数据通信，适用于对时间要求苛刻的自动化控制系统中。Profibus-DP现场总线系统可使许多现场设备(如PLC、智能变送器、变频器)在同一总线进行双向多信息数字通信，因此可方便地使用不同厂家生产的控制测量系统相互连接成通信网络。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/329278.htm

1 Profibus的三种总线技术

Profibus为多主从结构，可方便地构成集中式、集散式和分布式控制系统。

图1 Profibus总线访问方式兼有多主通信和主从通信

Profibus 总线访问方式兼有多主通信和主从通信，如图1所示，Profibus-PA适用于安全性要求较高的场合。PA具有本质安全特性，其实现了IEC1158-2(物理层)规定的通信的规程。Profibus-PA使用Profibus-DP的基本功能传送测量值和状态，并用扩展的Profibus-DP功能制定现场设备的参数和进行设备操作。Profibus-PA的过程自动化解决方案中PA将自动化系统和过程控制系统与现场设备(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，节约成本，这种传输技术大大提高了系统功能和安全可靠性，并使现场设备通过总线供电。

2数据传输介质及参数

2.1 Profibus-DP的传输技术

Profibus-DP的数据传输介质可以是双绞线和光纤电缆。RS-485传输技术是Profibus-DP最常用的一种传输技术，设备简单，传输速率高，采用的电缆为屏蔽双绞铜线。在使用RS-485接口时，对于特定的传输线经，从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。RS-485带转发器最多可到127点,当数据信号速率降低到90Kbit/s以下时，假定最大允许的信号损失为6dBV时，则电缆长度被限制在120m。使用不同线径的电缆，则取得的最大电缆长度是不相同的。

总线系统分成若干个段，段与段之间用中继器连接。每个段最多可连接32个站各站连接示意图见如图2，中继器也计数为一个站，要覆盖更长的距离，可建立连接段，连接段不连接任何站。2.2光纤传输技术

在电磁干扰很大的场合，可使用光纤导体，以增大高速传输的最大距离。一种专用的总线插头可将RS-485信号转换成光纤信号或者将光纤信号转换成RS-485信号，这使得在同一系统中，可同时使用RS-485和光纤传输技术。

2.3注意的问题

在相连各站时，应确保数据线不要拧绞，如果使用的是屏蔽编织线和屏蔽箔，则应在两端与保护地连接，并通过尽可能大面积的屏蔽线来覆盖，以保持良好的传导性。当数据传输速率大于500Kbps时应避免使用短接线，而应使用Profibus专用的插头来连接数据输入线和输出电缆。接口电路可以自行设计，也可以直接采用西门子IM183-1从站模块。接口电路必须提供RXD/TXD-P和RXD/TXD-N信号。

3 Profibus总线访问协议

Profibus的DP、FMS和PA采用单一的总线访问协议。在Profibus中，总线访问协议由第2层现场总线数据链路层（FDL）实现。Profibus协议的设计旨在媒体通信期间，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成其通信任务时数据的通信，应尽可能地快速和简单。因此，Profibus总线访问协议包括主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式，如图3所示。

主设备间的令牌逻辑环

图3 Profibus总线访问协议

令牌传递方式采用总线网络拓扑结构，网上各主站传递程序保证了每个主站在一个确切规定的时间段内得到总线访问权（令牌）。令牌信息是一条特殊的报文，它在主站之间传递总线访问权。令牌在所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的。在Profibus中，令牌传递仅在各主站间通信时使用。

主从方式允许主站在得到总线访问令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站发送或索取信息。通过这种访问方法，有可能实现下列系统配置：纯主-从系统；纯主-主系统（带令牌传递）；混合系统。

图3为由3个主站和7个从站构成的Profibus系统。3个主站构成令牌逻辑环，当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间内，它可依照主-从关系表与所有从站通信，也可依照主-主关系表与所有主站通信。

令牌逻辑环是所有主站的组织链，按照它们的地址构成。在这个环中，令牌（总线访问权）在规定的时间内按照次序（地址的升序）在各主站中依次传递。

在总线系统初建时，主站媒体访问控制（MAC）的任务是制定总线上的站点分配，并建立令牌逻辑环。在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中被排除，新上电的主站必须加入令牌逻辑环。总线访问控制保证令牌按地址升序依次在各主站间传递，各主站的令牌具体保持时间长短取决于该令牌配置的循环时间。另外，Profibus媒体访问控制还可监测传输介质及收发器是否有故障、检查站点地址是否出错（如地址重复）以及令牌错误（如多个令牌或令牌丢失）。

第2层的另一重要任务是，保证数据的可靠性。Profibus第2层的结构格式保证高度的数据完整性，这是依靠所有报文的距离HD=4以及使用特殊的起始和结束定界符、无间距的字节同步传输和每个字节的奇偶校验来保证的。

4 3 Profibus在PLC与变频器之间的通信

3.1系统配置

采用西门子公司和ABB公司的相关产品实现的全数字交流调速系统采用的Profibus-DP网络配置如图4所示。PLC为西门子公司的SIMATIC S7-315-2DP，变频器为ACS600系列，NPBA-12为与变频器配套的通信适配器。编程软件为STEP7 V5.2软件，用于对S7-300 PLC编程和对Profibus-DP网进行组态和通信配置。上位机采用WinCC5.1进行画面编程和操作，与PLC通信采用以太网通信方式。

4.2通信协议

在该系统中，S7-300 PLC作为主站，变频器作为从站时，主站向变频器传送运行指令，同时接受变频器反馈的运行状态及故障报警状态的信号。变频器与NPBA-12通信适配器模块相连，接入Profibus-DP网中作为从站，接受从主站SIMATIC