现场总线技术及Profibus的概念以及相关的基础知识

图2-3

(3)现场配电箱仍继续用来连接现场设备并放置总线终端电阻器。采用树型结构时连在现场总线分段的全部现场设备都并联地接在现场配电箱上。
(4)建议使用下列参考电缆，也可使用更粗截面导体的其它电缆。
·电缆设计：双绞线屏蔽电缆
·导线面积（额定值）：0.8mm2(AWG18)
·回路电阻（直流）：44W/Km
·阻抗（31.25千赫时）：100W±20%
·39千赫时衰减：3dB/Km
·电容不平衡度：2nF/Km
(5)主总线电缆的两端各有一个无源终端器，内有串联的RC元件，R=100W，C=1mF。当总线站极性反向连接时，它对总线的功能不会有任何影响。
(6)连接到一个段上的站数目最多是32个。如果使用本征安全型及总线供电，站的数量将进一步受到限制。即使不需要本征安全性，远程供电装置电源也要受到限制。
(7)线路最长长度的确定，根据经验先计算一下电流的需要，从表2-2中选用一种供电电源单元，再根据表2-3中线的长度选定哪种电缆。
表2-2标准供电装置（操作值）

表2-3IEC1158-2传输设备的线路长度

(8)外接电源：如果外接电源设备，根据EN50020标准带有适当的隔离装置，将总线供电设备与外接电源设备连在本征安全总线上是允许的。
2.2.2.5光纤传输技术
(1)Profibus系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输的距离。
(2)可使用两种光纤导体，一是价格低廉的塑料纤维导体，供距离小于50米情况下使用。另一种是玻璃纤维导体，供距离大于1公里情况下使用。
(3)许多厂商提供专用总线插头可将RS-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成RS-485信号。
2.2.3Profibus总线存取协议
(1)三种Profibus（DP、FMS、PA）均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型第二层（数据链路层）来实现的。它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。
(2)在Profibus中，第二层称之为现场总线数据链路层（FieldbusDataLink—FDL）。介质存取控制（MediumAccessControl—MAC）具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。
(3)Profibus协议的设计要满足介质存取控制的两个基本要求：
·在复杂的自动化系统（主站）间的通信，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通信任务。
·在复杂的程序控制器和简单的I/O设备（从站）间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。
因此，Profibus总线存取协议，主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。
(4)令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌）。在Profibus中，令牌传递仅在各主站之间进行。
(5)主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息。因此，可能有以下三种系统配置：
·纯主—从系统
·纯主—主系统
·混合系统
(6)图2-4是一个由3个主站、7个从站构成的Profibus系统。3个主站之间构成令牌逻辑环。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—从通讯关系表与所有从站通信，也可依照主—主通讯关系表与所有主站通信。

图2-4：3个主站、7个从站构成的Profibus系统

(7)在总线系统初建时，主站介质存取控制MAC的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。
(8)第二层的另一重要工作任务是保证数据的可靠性。Profibus第二层的数据结构格式可保证数据的高度完整性。
(9)Profibus第二层按照非连接的模式操作，除提供点对点逻辑数据传输外，还提供多点通信，其中包括广播及有选择广播功能。
2.3Profibus-DP
Profibus-DP用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。
2.3.1Profibus-DP的基本功能
(1)传输技术：RS-485双绞线、双线电缆或光缆。波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。
(2)总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主—从传送。支持单主或多主系统。总线上最多站点（主—从设备）数为126。
(3)通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。循环主—从用户数据传送和非循环主—主数据传送。
(4)运行模式：运行、清除、停止。
(5)同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。
(6)功能：DP主站和DP从站间的循环用户数据传送。各DP从站的动态激活和可激活。DP从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断信息。输入或输出的同步。通过总线给DP从站赋予地址。通过总线对DP主站（DPM1）进行配置。每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。
(7)可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离HD=4进行。DP从站带看门狗定时器（WatchdogTimer）。对DP从站的输入/输出进行存取保护。DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。
(8)设备类型：第二类DP主站（DPM2）是可进行编程、组态、诊断的设备。第一类DP主站（DPM1）是中央可编程序控制器，如PLC、PC等。DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。
2.3.1.1Profibus-DP基本特征
(1)速率：在一个有着32个站点的分布系统中，Profibus-DP对所有站点传送512bit/s输入和512bit/s输出，在12Mbit/s时只需1毫秒。
(2)诊断功能：经过扩展的Profibus-DP诊断能能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分三级：
·本站诊断操作：本站设备的一般操作状态，如温度过高、压力过低。
·模块诊断操作：一个站点的某具体I/O模块故障。
·通道诊断操作：一个单独输入/输出位的故障。
2.3.1.2Profibus-DP系统配置和设备类型
Profibus-DP允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接126个站点。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。每个PROFIBUS-DP系统可包括以下三种不同类型设备：
(1)一级DP主站（DPM1）：一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站（如DP从站）交换信息。典型的DPM1如PLC或PC。
(2)二级DP主站（DPM2）：二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。
(3)DP从站：DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I/O设备、驱动器、HMI、阀门等）。
(4)单主站系统：在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。如图2-5所示：

图2-5：单主站系统

(2)多主站系统：总线上连有多个主站。这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。每个子系统包括一个DPM1、指定的若干从站及可能的DPM2设备。任何一个主站均可读取DP从站的输入/输出映象，但只有一个DP主站允许对DP从站写入数据。如图2-6所示：

图2-6：多主站系统