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PROFIBUS的大優(yōu)點在于具有穩(wěn)定的*標準EN50170作保證,,并經(jīng)實際應(yīng)用驗證具有普遍性,。目前已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇,、交通電力等領(lǐng)域,。PROFIBUS由3個兼容部分組成,即PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery,,分布I/O系統(tǒng)),、PROFIBUS-PA(Process Automation,現(xiàn)場總線信息規(guī)范)和PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification,,過程自動化),。
PROFIBUS-DP是一種高速、低成本通信,,專門用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信,。使用PROFIBUS-DP可取代24V DC或4~20mA信號傳輸。PORFIBUS-PA專為過程自動化設(shè)計,,可使傳感器和執(zhí)行機構(gòu)連在一根總線上,,并有本質(zhì)安全規(guī)范。PROFIBUS-FMS用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),,是一個令牌結(jié)構(gòu)的實時多主網(wǎng)絡(luò),。
1.PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)
PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498*標準,以O(shè)SI作為參考模型的,。PROFIBUS-DP定義了*1,、2層和用戶接口。*3到7層未加描述,。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能,,并詳細說明了各種不同PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為。PROFIBUS-FMS定義了*1,、2,、7層,,應(yīng)用層包括現(xiàn)場總線信息規(guī)范(FMS)和低層接口(LLI)。FMS包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務(wù),;LLI協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不依賴設(shè)備的*2層訪問接口,。PROFIBUS-PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴展的PROFIBUS-DP協(xié)議。另外,,PA還描述了現(xiàn)場設(shè)備行為的PA行規(guī),。根據(jù)IEC1157-2標準,PA的傳輸技術(shù)可確保其本質(zhì)安全性,,而且可通過總線給現(xiàn)場設(shè)備供電,。使用連接器可在DP上擴展PA網(wǎng)絡(luò)。
2.PROFIBUS的傳輸技術(shù)
PROFIBUS提供了三種數(shù)據(jù)傳輸型式:RS-485傳輸,、IEC1157-2傳輸和光纖傳輸,。
(1) RS-485傳輸技術(shù)
RS-485傳輸是PROFIBUS常用的一種傳輸技術(shù),通常稱之為H2,。RS-485傳輸技術(shù)用于PROFIBUS-DP與PROFIBUS-FMS,。
RS-485傳輸技術(shù)基本特征是:網(wǎng)絡(luò)拓撲為線性總線,兩端有有源的總線終端電阻,;傳輸速率為9.6kbps~12Mbps,;介質(zhì)為屏蔽雙電纜,也可取消屏蔽,,取決于環(huán)境條件,;不帶中繼時每分段可連接32個站,帶中繼時可多到127個站,。
RS-485傳輸設(shè)備安裝要點:全部設(shè)備均與總線連接;每個分段上多可接32個站(主站或從站),;每段的頭和尾各有一個總線終端電阻,,確保操作運行不發(fā)生誤差;兩個總線終端電阻必須一直有電源,;當分段站*過32個時,,必須使用中繼器用以連接各總線段,串聯(lián)的中繼器一般不*過4個,;傳輸速率可選用9.6kbps~12Mbps,,一旦設(shè)備投入運行,全部設(shè)備均需選用同一傳輸速率,。電纜大長度取決于傳輸速率,。
采用RS-485傳輸技術(shù)的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)好使用9針D型插頭。當連接各站時,,應(yīng)確保數(shù)據(jù)線不要擰,,系統(tǒng)在高電磁發(fā)射環(huán)境下運行應(yīng)使用帶屏蔽的電纜,屏蔽可提高電磁兼容性(EMC)。如用屏蔽編織線和屏蔽箔,,應(yīng)在兩端與保護接地連接,,并通過盡可能的大面積屏蔽接線來復(fù)蓋,以保持良好的傳導(dǎo)性,。
(2)IEC1157-2傳輸技術(shù)
IEC1l57-2的傳輸技術(shù)用于PROFIBUS-PA,,能滿足化工和石油化工業(yè)的要求。它可保持其本質(zhì)安全性,,并通過總線對現(xiàn)場設(shè)備供電,。IEC1157-2是一種位同步協(xié)議,可進行無電流的連續(xù)傳輸,,通常稱為H1,。
(3)光纖傳輸技術(shù)
PROFIBUS系統(tǒng)在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時,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,供距離小于1km情況下使用,。許多廠商提供*總線插頭可將RS-485信號轉(zhuǎn)換成光纖導(dǎo)體信號或?qū)⒐饫w導(dǎo)體信號轉(zhuǎn)換成RS-485信號,。
3. PROFIBUS總線存取控制技術(shù)
PROFIBUS-DP、FMS,、PA均采用一樣的總線存取控制技術(shù),,它是通過OSI參考模型*2層(數(shù)據(jù)鏈路層)來實現(xiàn)的,它包括保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報文處理,。在PROFIBUS中,,*2層稱之為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層(FDL,F(xiàn)ieldbus Data link),。介質(zhì)存取控制(M A C,, Medium Access Control)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時刻只有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù),。PROFIBUS協(xié)議的設(shè)計要滿足介質(zhì)存取控制的兩個基本要求:
1)在復(fù)雜的自動化系統(tǒng)(主站)間的通信,,必須保證在確切限定的時間間隔中,任何一個站點要有足夠的時間來完成通信任務(wù),。
2)在復(fù)雜的程序控制器和簡單的I/O設(shè)備(從站)間通信,,應(yīng)盡可能**又簡單地完成數(shù)據(jù)的實時傳輸。
因此PROFIBUS主站之間采用令牌傳送方式,,主站與從站之間采用主從方式,。令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規(guī)定的時間內(nèi)得到總線存取權(quán)(令牌),,令牌在所有主站中循環(huán)一周的長時間是事先規(guī)定的。在PROFIBUS中,,令牌傳遞僅在各主站之間進行,。主站得到總線存取令牌時可依照主-從通信關(guān)系表與所有從站通信,向從站發(fā)送或讀取信息,,也可依照主-主通信關(guān)系表與所有主站通信,。所以可能有3種系統(tǒng)配置:純主-從系統(tǒng)、純主-主系統(tǒng)和混合系統(tǒng),。
在總線系統(tǒng)初建時,,主站介質(zhì)存取控制MAC的任務(wù)是**總線上的站點分配并建立邏輯環(huán)。在總線運行期間,,斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除,,新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。
*2層的另一重要工作任務(wù)是保證數(shù)據(jù)的高度完整性,。PROFIBUS在*2層按照非連接的模式操作,,除提供點對點邏輯數(shù)據(jù)傳輸外,還提供多點通信,,包括廣播和選擇廣播功能,。
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4.PROFIBUS-DP基本功能
PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)傳送,,主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息??偩€循環(huán)時間必須要比主站(PLC)程序循環(huán)時間短,。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外,PROFIBUS-DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進行組態(tài),、診斷和報警處理。
(1)PROFIBUS-DP基本特征
采用RS-485雙線,、雙線電纜或光纜傳輸,,傳輸速率從9.6kbps到12Mbps。各主站間令牌傳遞,,主站與從站間為主-從傳送,。支持單主或多主系統(tǒng),總線上多站點(主-從設(shè)備)數(shù)為126,。采用點對點(用戶數(shù)據(jù)傳送)或廣播(控制指令)通信,。循環(huán)主-從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主-主數(shù)據(jù)傳送,。控制指令允許輸入和輸出同步,。同步模式為輸出同步,;鎖定模式為輸入同步。
DP主站和DP從站間的循環(huán)用戶有數(shù)據(jù)傳送,。各DP從站的動態(tài)激活和可激活,。DP從站組態(tài)的檢查。強大的診斷功能,,三級診斷信息,。輸人或輸出的同步。通過總線給DP從站賦予地址,。通過總線對DP主站(DPM1)進行配置,,每DP從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)大為246字節(jié)。 所有信息的傳輸按海明距離HD=4進行,。DP從站帶看門狗定時器(Watchdog Timer),。對DP從站的輸入/輸出進行存取保護。DP主站上帶可變定時器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視,。
每個PROFIBUS-DP系統(tǒng)包括3種類型設(shè)備:*類DP主站(DPM1),、*二類DP主站(DPM2)和DP從站。DPM1是是*控制器,,它在預(yù)定的周期內(nèi)與分散的站(如DP從站)交換信息,。典型的DPM1如PLC、PC等,;DPM2是編程器,、組態(tài)設(shè)備或操作面板,在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時使用,,完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的,;DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備,是帶二進制值或模擬量輸入輸出的I/O設(shè)備,、驅(qū)動器,、閥門等。
經(jīng)過擴展的PROFIBUS-DP診斷能對故障進行**定位,。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集,。診斷信息分3級:本站診斷操作,即本站設(shè)備的一般操作狀態(tài),,如溫度過高,、壓力過低;模塊診斷操作,,即一個站點的某具體I/O模塊故障,;通道診斷操作,,即一個單*輸人/輸出位的故障。
(2)PROFIBUS-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)
在同一總線上多可連接126個站點,。系統(tǒng)配置的描述包括:站數(shù),、站地址、輸入/輸出地址,、輸入/輸出數(shù)據(jù)格式,、診斷信息格式及所使用的總線參數(shù)。
PROFIBUS-DP單主站系統(tǒng)中,,在總線系統(tǒng)運行階段,,只有一個活動主站。如圖1所示為PROFIBUS-DP單主站系統(tǒng),,PLC作為主站,。
圖1 PROFIBUS-DP單主站系統(tǒng)
PROFIBUS-DP多主站系統(tǒng)中總線上連有多個主站??偩€上的主站與各自從站構(gòu)成相互*立的子系統(tǒng),。如圖2所示,任何一個主站均可讀取DP從站的輸入/輸出映像,,但只有一個DP主站允許對DP從站寫入數(shù)據(jù),。
圖2 PROFIBUS-DP多主站系統(tǒng)
(3)PROFIBUS-DP系統(tǒng)行為
PROFIBUS-DP系統(tǒng)行為主要取決于DPM1的操作狀態(tài),這些狀態(tài)由本地或總線的配置設(shè)備所控制,,主要有運行,、清除和停止3種狀態(tài)。在運行狀態(tài)下,,DPM1處于輸入和輸出數(shù)據(jù)的循環(huán)傳輸,,DPM1從DP從站讀取輸入信息并向DP從站寫入輸出信息;在清除狀態(tài)下,,DPM1讀取 DP從站的輸入信息并使輸出信息保持在故障安全狀態(tài),;在停止狀態(tài)下,DPM1和DP從站之間沒有數(shù)據(jù)傳輸,。
DPM1設(shè)備在一個預(yù)先設(shè)定的時間間隔內(nèi),,以有選擇的廣播方式將其本地狀態(tài)周期性地發(fā)送到每一個有關(guān)的DP從站。如果在DPM1的數(shù)據(jù)傳輸階段中發(fā)生錯誤,,DPM1將所有相關(guān)的DP從站的輸出數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)入清除狀態(tài),,而DP從站將不再發(fā)送用戶數(shù)據(jù)。在此之后,,DPM1轉(zhuǎn)入清除狀態(tài)。