PROFIBUS 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)標準

PROFIBUS的系統模型如下：

　

PROFIBUS是國際性的、開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)標準
（1）PROFIBUS 標準 EN 50170 是完整的、開(kāi)放的、與制造商無(wú)關(guān)的、已經(jīng)生效的
（2）穩固的 PROFIBUS 標準保護世界范圍的用戶(hù)和制造商的投資
（3）PROFIBUS 經(jīng)實(shí)踐證明并在世界范圍內已安裝使用的設備超過(guò)1,500,000 個(gè)。（截止于１９９７年四季度）
PROFIBUS給客戶(hù)的好處
（1）節省硬件和安裝費用
減少硬件成份 (I/O, 終端塊、隔離柵)
更容易、更快捷和低成本的安裝
（2）節省工程費用更容易組態(tài)(對所有設備只需一套工具)
更容易保養和維修
更容易和更快捷的系統起動(dòng)
（3）更大的制造靈活性
改進(jìn)功能 減少故障時(shí)間 準確、可靠的診斷數據 可靠的數字傳輸技術(shù)
※ PROFIBUS減少40%的安裝費用：

※ 1,200多個(gè)產(chǎn)品（到1998年1季），一個(gè)標準
到目前為止，已250家不同的制造商可提供 1,200 多個(gè)產(chǎn)品，你可免費獲得最新的 PROFIBUS電子產(chǎn)品指南的拷貝：
（1）從每一個(gè)PROFIBUS用戶(hù)的CD-ROM或軟盤(pán)
（2）或訪(fǎng)問(wèn)PROFIBUS的國際網(wǎng)頁(yè)http://www.profibus.com
※ 產(chǎn)品范圍快速增長(cháng)

※ 產(chǎn)品應用范圍廣泛
※ 經(jīng)認證的產(chǎn)品確?；ゲ僮餍?br />（1）PROFIBUS 國際已經(jīng)建立了質(zhì)量認證系統，包括產(chǎn)品的一致性和互操作性的測試
（2）幾百個(gè)產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)了認證
（3）在歐洲和美國建有這樣的測試實(shí)驗室
（4）經(jīng)認證的產(chǎn)品都有一個(gè)認證號，它們已在 PROFIBUS 電子產(chǎn)品指南中列出
PROFIBUS 是領(lǐng)先的開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)系統
•獨立的市場(chǎng)研究證實(shí)， PROFIBUS 在歐洲是市場(chǎng)的領(lǐng)導者，且在世界范圍內有最高的增長(cháng)率。在１９９７年已安裝的PROFIBUS 基本設備超過(guò)了 1,500,000個(gè)，年增長(cháng)到約20-30%。
•市場(chǎng)總值 根據1997 ARC 的市場(chǎng)研究現場(chǎng)總線(xiàn)的世界市場(chǎng)總值大于2百萬(wàn)個(gè)節點(diǎn)， 50%以上是用在歐洲。
•市場(chǎng)份額 根據1996 Consultic 關(guān)于德國和歐洲市場(chǎng)的市場(chǎng)研究2 ，PROFIBUS 在歐洲市場(chǎng)中約占 41% 。

三種有效的傳輸技術(shù)

→ PROFIBUS 使用兩端有終端的總線(xiàn)拓撲
→ 在運行期間，接入和斷開(kāi)一個(gè)或幾個(gè)站不會(huì )影響其他站的工作，即使在本質(zhì)安全區也如此。
→ 提供三種不同的物理層選擇
(1)RS 485: 用于 DP 和 FMS
(2)IEC 1158-2: 用于 PA
(3)光纖: 用于 DP 和 FMS
PROFIBUS 協(xié)議
→ PROFIBUS 總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議（第二層）對三種PROFIBUS 版本(FMS/DP/PA)均相同
→ 這使通信透明和FMS/DP/PA 網(wǎng)絡(luò )區域容易組合
→ 因為 FMS/DP 使用相同的物理介質(zhì) (RS-485/FO) ，因此它們能組合在同一根電纜上。

PROFIBUS-DP 的特點(diǎn)
•代替PLC/PC 與 I/O 之間昂貴的電線(xiàn)
•快速，傳輸 1 千字節的輸入數據和 1千字節的輸出數據所需時(shí)間<2 ms
•強有力的工具，減少組態(tài)和維護費用
•被所有主要的 PLC 制造商支持
•有廣泛的產(chǎn)品: PLC, PC, I/O, 驅動(dòng)器, 閥, 編碼器等
•允許周期性和非周期性的數據傳輸
•單主和多主網(wǎng)絡(luò )
•每個(gè)站的輸入和輸出數據最多可達 244 字節
典型的PROFIBUS-DP系統組成：

PROFIBUS-PA(PA = Process Automation) 的特點(diǎn)
•基于擴展的 PROFIBUS-DP 協(xié)議和 IEC 1158-2 傳輸技術(shù)
•適用于代替現今的 4...20 mA 技術(shù)
•僅用一根雙絞線(xiàn)進(jìn)行數據通信和供電
•通過(guò)串行總線(xiàn)聯(lián)接儀器儀表與控制系統
•適用于本質(zhì)安全的 EEx 應用區域
•可靠的串行數字傳輸
•通過(guò)一根雙絞電纜進(jìn)行控制、調節和監視
•對所有設備只需一個(gè)工程工具
•由于 PROFIBUS-PA 行規，保證了互操作性和互換性
•儀器儀表的維護和診斷信息

PROFIBUS-FMS 的特點(diǎn)
•FMS 最佳適用于車(chē)間級智能主站間通用的、面向對象的通信
•FMS 提供一個(gè) MMS-功能子集 （MMS 即 Manufacturing Message Specification, ISO9506)
•主要應用區域
大數量的數據傳輸，例如程序、數據塊等等
若干個(gè)分散過(guò)程部分集成到一個(gè)公共過(guò)程中
智能站間的通信

開(kāi)放的組態(tài)允許即插即用
PROFIBUS ASICs 提供大量產(chǎn)品的關(guān)鍵
•對PROFIBUS許多 ASICs 芯片是有效的
•對 PROFIBUS-DP 用單個(gè)芯片即可解決
•對 FMS/DP/PA，與處理器無(wú)關(guān)的外圍芯片
•對FMS/DP，帶 PROFIBUS 核心功能的微控制器
優(yōu)點(diǎn)：
•對制造商而言，減少實(shí)現費用
•對一個(gè)接口的價(jià)格減至小于 US $ 25
PROFIBUS國際
•超過(guò) 650 個(gè)會(huì )員
•20個(gè)地區用戶(hù)協(xié)會(huì )
•一個(gè)很強大的組織

PROFIBUS技術(shù)培訓 —— 典型應用
PROFIBUS 已經(jīng)有廣泛的應用
到1997年四季度，實(shí)際應用超過(guò)150,000個(gè)，應用領(lǐng)域包括：
•制造業(yè)自動(dòng)化
汽車(chē)制造
裝瓶系統
倉儲系統
•樓宇自動(dòng)化
交通管理自動(dòng)化
供熱、空調系統
•過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化
清洗工廠(chǎng)
化工和石化工廠(chǎng)
造紙和紡織品工廠(chǎng)
•電力工業(yè)和電力輸送
發(fā)電廠(chǎng)
開(kāi)關(guān)裝置
1 PROFIBUS 在汽車(chē)生產(chǎn)中的應用
例如，在 Bochum 的 GM (Opel) 工廠(chǎng)
（1）對每個(gè)車(chē)身，PROFIBUS-DP控制機器人處理2，000多個(gè)焊接操作
（2）PROFIBUS-DP用在組裝線(xiàn)上，每天生產(chǎn)1，200輛轎車(chē)
（3）PROFIBUS-DP用在沖壓車(chē)間，每天處理22，000噸鋼材
在 OPEL 工廠(chǎng)的網(wǎng)絡(luò )結構示意圖

2 PROFIBUS 在樓宇自動(dòng)化中
例如，在法國的 Bibliotheque Nationale
PROFIBUS 控制四個(gè) 80 米高的塔樓
總面積 360,000 m2
容積約11,000,000 m3
PROFIBUS 任務(wù)包括
•報警管理
•能量?jì)?yōu)化
•監視
•技術(shù)設備的控制
•操作服務(wù)間的可靠、有效的通信、
3 PROFIBUS 在過(guò)程自動(dòng)化中
在 1997 年四季度已銷(xiāo)售出 15,000 多個(gè) Profibus - PA 的設備
※ ROFIBUS-PA在 WACKER 化工廠(chǎng)的應用
WACKER 化工廠(chǎng)簡(jiǎn)介
•由Dr. Alexander Wacker 建立于1914年10月13日
•1992年,員工13,000 人, 32億德國馬克的營(yíng)業(yè)額
•主要生產(chǎn)硅和膠制品
WACKER 化工廠(chǎng)項目實(shí)施情況
•項目從1997年1月開(kāi)始
•使用儀器儀表和控制設備總價(jià)值500萬(wàn)馬克
•1,000個(gè)PROFIBUS-PA的傳感器和執行器

化工廠(chǎng)為什么選擇PROFIBUS - PA？
•節省 50% 以上的規劃、設計和安裝成本
•適應本質(zhì)安全區安裝
•由于集中組態(tài)工具，容易維修
儀器儀表和控制部門(mén)的負責人 Mr. H. Krummen對此評論：
“由于PROFIBUS-PA 的使用，使新的生產(chǎn)線(xiàn)的設計、安裝費用節省 超過(guò)2百萬(wàn)馬克，
此外，本質(zhì)安全能力和一個(gè)組態(tài)工具對所有儀器儀表都適用，這就意味著(zhù)PROFIBUS-PA
完全符合NAMUR* 所期望的準則。”
※ PROFIBUS-PA在 bitburger啤酒廠(chǎng)的應用
•bitburger啤酒廠(chǎng)每年生產(chǎn) 350,000 噸， 在歐洲是最大的
Bitburger為什么選擇 PROFIBUS-PA？
•由于容易安裝，節省成本
•由于集中組態(tài)，建立系統簡(jiǎn)單
•由于提高了準確性，工廠(chǎng)有更高安全性和有效性
•由于減少了維護，而節省成本
•由于是開(kāi)放的國際標準，使投資安全

PROFIBUS技術(shù)培訓 —— 安裝與布線(xiàn)
傳輸特點(diǎn) (1)
高速 (H2), RS 485
•依據 RS 485，異步 NRZ 傳輸
•波特率從 9.6 kBit/s 到 12 MBit/s，可選
•雙絞屏蔽電纜
•每段 32 個(gè)站，最多允許 127 個(gè)站

•距離: 12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 m
•有中繼器距離可延長(cháng)到 10 公里
•9 針, D 型插頭

傳輸特點(diǎn) (2)
低速 (H1), IEC 1158-2
•同步 Manchester 編碼, 31.25 kBit/s
•本質(zhì)安全 (可選) 和通過(guò)總線(xiàn)對站供電 (可選)
•屏蔽或非屏蔽的雙絞電纜
•每段距離達 1900 米，用中繼器可延長(cháng)到 10 公里
•最多 127 個(gè)站, 每段 10-32 個(gè)設備 (依賴(lài)于 EX-類(lèi)型和供電消耗)
PROFIBUS 電纜要求 - IEC 1158-2
電纜設計: 屏蔽雙絞電纜
導線(xiàn)面積: 0.8毫米2(AWG 18)
回路電阻: 44 ? / km
阻抗 （在31.25 KHz時(shí)）: 100 ? +/- 20%
衰減 （在39 KHz時(shí)）: 3dB / km
每單位長(cháng)度的電容: 2nF / km
對 IEC 1158-2 傳輸的電纜被列在 PROFIBUS 電子產(chǎn)品指南中
PROFIBUS 電纜要求 - RS 485
參數 電纜類(lèi)型 A
電纜設計 屏蔽雙絞電纜
浪涌阻抗 135 ... 165 ?
回路電阻 110 ? / km
線(xiàn)徑 0.64 mm
線(xiàn)截面積 > 0.34 mm
每單位長(cháng)度的電容 < 30 pF / m
PROFIBUS 電纜被列在 PROFIBUS 電子產(chǎn)品指南中。

PROFIBUS 電纜長(cháng)度 （對 RS 485）
波特率（ kBit/s） 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000
線(xiàn)長(cháng)（m, A類(lèi)電纜） 1200 1200 1200 1000 400 200 100
長(cháng)度可以用中繼器來(lái)延長(cháng)
9 針D 型連接器的針腳分配 （為RS 485用）
•對 PROFIBUS-DP/FMS 提供的連接器類(lèi)型是9 針 D 型連接器
•插座部分被安裝在設備上
•如果其他連接器能提供必要的命令信號的話(huà)，也允許使用

拓樸
PROFIBUS 支持總線(xiàn)型，樹(shù)型和星型拓撲
•這里提供的拓撲是總線(xiàn)型拓撲
•在總線(xiàn)的開(kāi)頭和結尾必須有終端
•一段可以由最多 32 個(gè)站*組成


RS-485 傳輸的數據位順序
每個(gè)八位二進(jìn)數（１字節）按 11 位的順序被傳輸
最小的有效位 (LSB) 被第一個(gè)發(fā)送
最大的有效位 (MSB) 被最后發(fā)送
每個(gè)八位二進(jìn)數都補充三位，即開(kāi)始、終止和奇偶校驗位
此編碼原理稱(chēng) NRZ （即 Non Return to Zero）

信號電平

1 = 數據傳輸開(kāi)始
2 = 空閑段、無(wú)數據傳輸、總線(xiàn)終端終止的電平
冗余性提高了系統的可靠性

PROFIBUS技術(shù)培訓 —— 總線(xiàn)協(xié)議

PROFIBUS 總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)方式兼有多主通信和主從通信

總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議的特征 (1)
混合總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議
主站間的邏輯令牌環(huán)
主從站間的主從協(xié)議
主站
主動(dòng)站在一個(gè)限定時(shí)間內 (Token Hold Time) 對總線(xiàn)有控制權
從站
從站只是響應一個(gè)主站的請求，它們對總線(xiàn)沒(méi)有控制權
PROFIBUS 總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議 (FDL)的特點(diǎn)
•主站或從站可以在任何時(shí)間點(diǎn)接入或斷開(kāi)。FDL 將自動(dòng)地重新組織令牌環(huán)。
•令牌環(huán)調度確保每個(gè)主站有足夠的時(shí)間履行它的通信任務(wù)。因此，用戶(hù)必須計算全部目標令牌環(huán)時(shí)間 (TTR)。
•總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議有能力發(fā)現有故障的站、失效的令牌、重復的令牌、傳輸錯誤和其他所有可能的網(wǎng)絡(luò )失敗。
•所有信息(包括令牌信息)在傳輸過(guò)程中確保高度安全，以免傳輸錯誤。
海明距離 HD = 4
令牌調度原理
•在多主網(wǎng)絡(luò )中，令牌調度必須確保每個(gè)主站有足夠的時(shí)間完成它的通信任務(wù)
•用戶(hù)組織全部目標令牌循環(huán)時(shí)間 (TTR) 進(jìn)入所有主站的通信任務(wù)帳戶(hù)。
•每一個(gè)主站根據下列公式計算它接收令牌后完成它的通信任務(wù)的時(shí)間(TTH)
TTH = TTR - TRR
TTH = 持有令牌時(shí)間
TTR = 目標令牌循環(huán)時(shí)間
TRR = 實(shí)際令牌循環(huán)時(shí)間
FDL 狀態(tài)圖

重要的 PROFIBUS 電文結構


圖例： TRDY = 準備時(shí)間 TSDR = 站響應時(shí)間 TSYN = 同步時(shí)間
數據鏈路層服務(wù)及其用法

服務(wù)存取點(diǎn) (SAP)
•在 PROFIBUS 數據鏈路層與應用層之間的接口處，服務(wù)存取點(diǎn)被用來(lái)交互作用
•請求站的服務(wù)存取點(diǎn)叫做源服務(wù)存取點(diǎn)（= SSAP）
•響應站的服務(wù)存取點(diǎn)叫做目的服務(wù)存取點(diǎn) (= DSAP)
•服務(wù)存取點(diǎn)對 FMS 和 DP/PA 有著(zhù)不同的功能
對 FMS: 它們被用于區分站之間的邏輯連接
對 DP/PA: 它們被用于選擇不同的功能。