第6章 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線

第六章PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線6.1PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線概述6.2

安裝與布線6.3PROFIBUS總線存取協(xié)議6.4PROFIBUS行規(guī)6.5PROFIBUS-DP/PA/FMS6.6S7-300PLC的PROFIBUS通訊方法6.1PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線概述作為眾多現(xiàn)場(chǎng)總線家族的成員之一，PROFIBUS是在歐洲工業(yè)界得到最廣泛應(yīng)用的一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，也是目前國(guó)際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一。PROFIBUS是屬于單元級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的SIMATIC網(wǎng)絡(luò)，適用于傳輸中、小量的數(shù)據(jù)。其開(kāi)放性可以允許眾多的廠商開(kāi)發(fā)各自的符合PROFIBUS協(xié)議的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以連接在同一個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上。PROFIBUS是一種電氣網(wǎng)絡(luò)，物理傳輸介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線、光纖、無(wú)線傳輸。PROFIBUS技術(shù)的發(fā)展過(guò)程：87年由Siemens公司等13家企業(yè)和5家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)發(fā)；89年批準(zhǔn)為德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN19245；96年批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170V.2；98年P(guān)ROFIBUS-PA批準(zhǔn)納入EN50170V.2；99年P(guān)ROFIBUS成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的組成部分（TypeIII）；2001年批準(zhǔn)成為中國(guó)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10308.3-2001PROFIBUS簇PROFIBUS應(yīng)用領(lǐng)域PROFIBUS-DP：

PROFIBUS-PA：

PROFIBUS-FMS：

主要應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備高速通信。主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)和車間級(jí)的過(guò)程數(shù)據(jù)交換。電源和通信數(shù)據(jù)通過(guò)總線并行傳輸，主要用于面向過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊。PROFIBUS在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的位置一個(gè)典型的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該是三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS的控制系統(tǒng)是面向現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，位于工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的底層，即現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)，如下圖所示。1.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層：主要功能是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如分散式I/O、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、開(kāi)關(guān)設(shè)備等，完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制及設(shè)備間連鎖控制，如一臺(tái)加工設(shè)備控制、一條裝配輸送線或一條生產(chǎn)線上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的連鎖控制。主站（PLC、PC機(jī)或其它控制器）負(fù)責(zé)總線通信管理及所有從站的通信?？偩€上所有設(shè)備生產(chǎn)工藝控制程序存儲(chǔ)在主站中，并由主站執(zhí)行。2.車間監(jiān)控層：車間級(jí)監(jiān)控用來(lái)完成車間主生產(chǎn)設(shè)備之間的連接，如一個(gè)車間兩條生產(chǎn)線主控制器之間的連接,完成車間級(jí)設(shè)備監(jiān)控。車間級(jí)監(jiān)控包括生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)控、設(shè)備故障報(bào)警及維護(hù)等。通常還具有諸如生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度等車間級(jí)生產(chǎn)管理功能。車間級(jí)監(jiān)控通常要設(shè)立車間監(jiān)控室，有操作員工作站及打印設(shè)備。車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可采用PROFIBUS-FMS，它是一個(gè)多主網(wǎng)，這一級(jí)數(shù)據(jù)傳輸速度不是最重要的，而是要能夠傳送大容量信息。3.工廠管理層：車間操作員工作站可通過(guò)集線器與車間辦公管理網(wǎng)連接，將車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)送到車間管理層。車間管理網(wǎng)作為工廠主網(wǎng)的一個(gè)子網(wǎng)，通過(guò)交換機(jī)、網(wǎng)橋或路由器等連接到廠區(qū)骨干網(wǎng)，將車間數(shù)據(jù)集成到工廠管理層?，F(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS控制系統(tǒng)組成1.一類主站

一類主站指PLC、PC或可做一類主站的控制器，完成總線通信控制與管理。2.二類主站

二類主站指操作員工作站（如PC機(jī)加圖形監(jiān)控軟件）、編程器、操作員接口等，完成各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、系統(tǒng)配置、故障診斷等。3.PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)部件

通信介質(zhì)—屏蔽雙絞線、光纖、無(wú)線介質(zhì)總線部件—總線連接器、中繼器、耦合器、鏈路等4.從站

1）PLC（智能型I/O）：PLC可做PROFIBUS上的一個(gè)從站。PLC自身具有程序存儲(chǔ)功能，其CPU可執(zhí)行程序并按程序指令驅(qū)動(dòng)I/O。主站可通過(guò)通信間接控制從站PLC的I/O。2）分散式I/O（非智能型I/O）：通常由電源部分、通信適配器部分、接線端子部分組成。分散式I/O不具有程序存儲(chǔ)和程序執(zhí)行功能，通信適配器接收主站指令，按主站指令驅(qū)動(dòng)I/O，并將I/O輸入及故障診斷等信息返回給主站。通常分散型I/O是由主站統(tǒng)一編址，這樣在主站編程時(shí)使用分散式I/O與使用主站的I/O沒(méi)有什么區(qū)別。3）驅(qū)動(dòng)器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：即帶PROFIBUS接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，可由主站在線完成系統(tǒng)配置、參數(shù)修改、數(shù)據(jù)交換等功能?，F(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS控制系統(tǒng)配置一、根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否具備PROFIBUS接口分為三種形式:1.總線接口型:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不具備PROFIBUS接口，采用分散式I/O作為總線接口與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接。這種形式在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)初期容易推廣。采用分散式I/O作為總線接口與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接2.單一總線型:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都具備PROFIBUS接口。這種一種理想情況，可使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完全的分布式結(jié)構(gòu)，可充分獲得這一先進(jìn)技術(shù)所帶來(lái)的利益。新建項(xiàng)目可能具有這種條件，就目前來(lái)看，這種方案設(shè)備成本會(huì)較高。3.混合型：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備部分具備PROFIBUS接口，這時(shí)應(yīng)采用分散式I/O與PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備混合使用的辦法。無(wú)論是舊設(shè)備改造還是新建項(xiàng)目，希望全部使用具備PROFIBUS接口現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的場(chǎng)合可能不多，分散式I/O可作為通用的現(xiàn)場(chǎng)總線接口，是一種靈活的集成方案。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要的幾種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型根據(jù)實(shí)際需要及經(jīng)費(fèi)情況，通常有如下幾種結(jié)構(gòu)類型：

1）結(jié)構(gòu)類型1:以PLC或控制器做一類主站，不設(shè)監(jiān)控站，但調(diào)試階段配置一臺(tái)編程設(shè)備。這種結(jié)構(gòu)類型，PLC或控制器完成總線通信管理、從站數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、從站遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。2）結(jié)構(gòu)類型2:以PLC或控制器做一類主站，監(jiān)控站通過(guò)串口與PLC一對(duì)一的連接。這種結(jié)構(gòu)類型，監(jiān)控站不在PROFIBUS網(wǎng)上，不是二類主站，不能直接讀取從站數(shù)據(jù)和完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。監(jiān)控站所需的從站數(shù)據(jù)只能從PLC或控制器中讀取。3）結(jié)構(gòu)類型3:以PLC或其它控制器做一類主站，監(jiān)控站連接PROFIBUS總線上。這種結(jié)構(gòu)類型，監(jiān)控站在PROFIBUS網(wǎng)上作為二類主站，可完成遠(yuǎn)程編程、參數(shù)化及在線監(jiān)控功能。4）結(jié)構(gòu)類型4:使用PC機(jī)加PROFIBUS網(wǎng)卡做一類主站，監(jiān)控站與一類主站一體化，這是一個(gè)低成本方案。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)類型，PC機(jī)故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)將癱瘓，所以PC機(jī)應(yīng)選用具有高可靠性、能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的工業(yè)級(jí)PC機(jī)。另外，通信模板廠商通常只提供一個(gè)模板的驅(qū)動(dòng)程序，總線控制程序、從站控制程序、監(jiān)控程序可能要由用戶開(kāi)發(fā)，因此應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作量可能會(huì)比較大。5）結(jié)構(gòu)類型5:堅(jiān)固式PC機(jī)+PROFIBUS網(wǎng)卡+SOFTPLC的結(jié)構(gòu)形式。如果方案4中PC機(jī)換成一臺(tái)堅(jiān)固式PC機(jī)（COMOPACTCOMPUTER），系統(tǒng)可靠性將大大增強(qiáng)，足以使用戶信服。但這是一臺(tái)監(jiān)控站與一類主站一體化控制器工作站，要求它的軟件完成圖中所標(biāo)功能。6）結(jié)構(gòu)類型6:使用兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種方案充分考慮了未來(lái)擴(kuò)展的需要，比如要增加幾條生產(chǎn)線即要擴(kuò)展幾條DP網(wǎng)絡(luò)、車間監(jiān)控要增加幾個(gè)監(jiān)控站等，都可以方便地進(jìn)行擴(kuò)展。PROFIBUS協(xié)議符合ISO/OSI的開(kāi)放系統(tǒng)參考模型6.2安裝與布線

一、PA的IEC1158-2傳輸技術(shù)數(shù)據(jù)IEC1158-2的傳輸技術(shù)用于PROFIBUS-PA，能滿足石油、化工、冶金等行業(yè)的要求。它是一種同步協(xié)議，可進(jìn)行無(wú)電流的連續(xù)傳輸，通常稱為H1。二、DP/FMS的RS-485傳輸技術(shù)RS-485傳輸是PROFIBUS最常用的一種傳輸技術(shù)，這種技術(shù)通常稱之為H2。由于DP與FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線訪問(wèn)協(xié)議，因此這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時(shí)操作。電纜最大長(zhǎng)度取決于傳輸速率，如使用A型電纜，則傳輸速率與電纜長(zhǎng)度的關(guān)系如表所示。國(guó)際性的PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)EN50170推薦使用9針D型連接器用于總線站與總線的相互連接。D型連接器的插座與總線站相連接，而D型連接器的插頭與總線電纜相連接。RS-485傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位順序用于PROFIBUS的RS-485程序是以半雙工、異步、無(wú)間隙同步為基礎(chǔ)的。三、光纖傳輸技術(shù)PROFIBUS系統(tǒng)中電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，可使用光纖導(dǎo)體以增加高速傳輸?shù)木嚯x。可使用兩種光纖導(dǎo)體，一種是價(jià)格低廉的塑料纖維導(dǎo)體，供距離小于50m情況下使用；另一種是玻璃纖維導(dǎo)體，供距離大于1km情況下使用。許多廠商提供專用總線插頭，可將RS-485信號(hào)轉(zhuǎn)換成光纖或?qū)⒐饫w信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS-485信號(hào)。冗余性提高了系統(tǒng)的可靠性6.3PROFIBUS總線存取協(xié)議3種PRIFIBUS均使用一致的總線存取協(xié)議，該協(xié)議是通過(guò)OSI參考模型的第2層（數(shù)據(jù)鏈路層）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報(bào)文處理。在PROFIBUS中，第2層稱為現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層（FDL）。介質(zhì)存取控制（MAC）具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦颍琈AC必須確保在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。PROFIBUS協(xié)議的設(shè)計(jì)要滿足介質(zhì)控制的2個(gè)基本要求：1）在復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時(shí)間間隔中，任何一個(gè)站點(diǎn)要有足夠的時(shí)間來(lái)完成通信任務(wù)；2）在主站和從站間通信，應(yīng)盡可能快速又簡(jiǎn)單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。因此，PROFIBUS總線存取協(xié)議，主站之間采用令牌傳輸方式，主站與從站之間采用主從方式。令牌傳遞程序保證每個(gè)主站在一個(gè)確切規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到總線存取權(quán)（令牌）。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進(jìn)行。主站得到總線存取令牌時(shí)可與從站通信。每個(gè)主站均可向從站發(fā)送或讀取信息。因此，可能有以下3種系統(tǒng)配置：純主-從系統(tǒng)；純主-主系統(tǒng)；混合系統(tǒng)。總線訪問(wèn)協(xié)議的特征PROFIBUS總線訪問(wèn)協(xié)議（FDL）的特點(diǎn)令牌調(diào)度原理PROFIBUS報(bào)文格式數(shù)據(jù)鏈路層提供的數(shù)據(jù)服務(wù)服務(wù)存取點(diǎn)6.4PROFIBUS行規(guī)OSI參考模型的應(yīng)用層提供用戶需要的各種通信服務(wù)。PROFIBUS的應(yīng)用層由FMS接口（現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范）和LLI接口（低層接口）組成。在不同的應(yīng)用中，具體需要的功能范圍必須與具體應(yīng)用相適應(yīng)，這些適應(yīng)性定義稱為行規(guī)。行規(guī)提供了設(shè)備的可互換性，保證不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備具有相同的通信功能。行規(guī)定義的優(yōu)點(diǎn)PROFIBUS-DP行規(guī)概述PROFIBUS-FMS行規(guī)的概述PROFIBUS-PA行規(guī)的概述6.5PROFIBUS-DP/PA/FMS

PROFIBUS-DP用于設(shè)備級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳送，中央控制器通過(guò)高速串行線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通信。6.5.1PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP定義的三種設(shè)備類型DP-1類主設(shè)備（DPM1）中央控制器，它與分散的I/O設(shè)備（DP-從）交換數(shù)據(jù)；允許若干個(gè)DPM1，典型的設(shè)備是PLC、PC。DP-2類主設(shè)備（DPM2）組態(tài)、監(jiān)視或工程工具，它被用來(lái)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)或參數(shù)/監(jiān)視DP-從設(shè)備。DP-從設(shè)備直接連接I/O信號(hào)的外圍設(shè)備；典型的設(shè)備是輸入、輸出、驅(qū)動(dòng)器、閥、操作面板等等。系統(tǒng)配置PROFIBUS-DP用戶數(shù)據(jù)交換的原理信息循環(huán)時(shí)間的計(jì)算PROFIBUS-DP單主系統(tǒng)的典型循環(huán)時(shí)間PROFIBUS-DP基本功能中央控制器周期地讀取從設(shè)備的輸入信息并周期地向從設(shè)備發(fā)送輸出信息，總線循環(huán)時(shí)間必須要比中央控制的程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供了強(qiáng)有力的診斷和配置功能，數(shù)據(jù)通信是由主機(jī)和從機(jī)進(jìn)行監(jiān)控的。一、通信通信模式：1）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（用戶數(shù)據(jù)傳輸）或廣播（控制指令）2）循環(huán)主-從用戶數(shù)據(jù)傳輸和非循環(huán)主-主數(shù)據(jù)傳輸用戶數(shù)據(jù)在一類主站和有關(guān)DP從站之間的傳輸由一類主站按照確定的遞歸順序自動(dòng)執(zhí)行，在對(duì)總體系統(tǒng)進(jìn)行配置時(shí)，用戶對(duì)從站與一類主站的關(guān)系下定義并確定哪些從站被納入信息交換的循環(huán)周期，哪些被排除在外。DP主站和DP從站間的數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)化階段：從站由DP主站用現(xiàn)行總線參數(shù)、監(jiān)控時(shí)間和從站的特定參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化。組態(tài)階段：DP主站對(duì)DP從站所需要的配置和現(xiàn)行的配置進(jìn)行比較。用戶數(shù)據(jù)傳輸階段：在參數(shù)化和組態(tài)成功后，DP從站改變其狀態(tài)進(jìn)入用戶數(shù)據(jù)交換階段。在此階段，從站的參數(shù)化能被更改，而不必中斷數(shù)據(jù)傳輸。在這三個(gè)階段中，都可以附加診斷數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸。主-主之間的數(shù)據(jù)通信功能含義DPM1DPM2取得主站診斷數(shù)據(jù)讀取DPM1的診斷數(shù)據(jù)或從站的所有診斷數(shù)據(jù)MO加載-卸載組合（開(kāi)始，加載/卸載，結(jié)束）加載或卸載DPM1及有關(guān)DP從站的全部配置參數(shù)OO激活參數(shù)（廣播）同時(shí)激活所有已編址的DPM1的總線參數(shù)OO激活參數(shù)激活已編址的DPM1的參數(shù)或改變其操作狀態(tài)OOM：強(qiáng)制性功能；O：可選功能這些功能可使配置和診斷設(shè)備通過(guò)總線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置組態(tài)。控制命令除與用戶數(shù)據(jù)傳輸有關(guān)的站以外，DP-主站可以發(fā)送控制命令給一個(gè)、一組或全部DP-從站。這些控制命令設(shè)計(jì)為全局控制（Global-Controls）。它們是：輸入同步（鎖定模式）輸出同步（同步模式）輸出清除進(jìn)入失效安全狀態(tài)（清除模式）二、診斷三、系統(tǒng)行為PROFIBUS-DP擴(kuò)展功能DP擴(kuò)展功能允許非循環(huán)的讀寫(xiě)功能并中斷并行于循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)答。另外，對(duì)從站參數(shù)和測(cè)量值的非循環(huán)存取可用于某些診斷或操作員站（二類主機(jī)，DPM2）。有了這些擴(kuò)展功能，PROFIBUS-DP可滿足某些復(fù)雜設(shè)備的要求，例如過(guò)程自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、智能化操作設(shè)備和變頻器等，這些設(shè)備的參數(shù)往往在運(yùn)行期間才能確定，而且與循環(huán)性測(cè)量值相比很少有變化。因此，與高速周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸相比，這些參數(shù)的傳輸具有低優(yōu)先級(jí)。PROFIBUS-DP設(shè)備的GSD文件PROFIBUS設(shè)備具有不同的性能特征，特性的不同在于現(xiàn)有功能（即I/O信號(hào)的數(shù)量和診斷信息）的不同或可能的總線參數(shù)（如波特率和時(shí)間的監(jiān)控）不同。這些參數(shù)對(duì)每種設(shè)備類型和每家生產(chǎn)廠商來(lái)說(shuō)均各有差別，為達(dá)到PRIFIBUS簡(jiǎn)單的即插即用配置，這些特性均在電子數(shù)據(jù)單中具體說(shuō)明，有時(shí)稱為設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件或