PROFIBUS 现场总线技术标准

PROFIBUS作为一种现场总线规范，在世界商场上已被遍及承受并得到广泛运用。本培训教程全面论述了PROFIBUS的技能特色、运用形式和产品开发办法。

PROFIBUS的体系模型如下：

　

PROFIBUS是世界性的、敞开的现场总线规范
（1）PROFIBUS 规范 EN 50170 是完好的、敞开的、与制作商无关的、现已收效的
（2）安定的 PROFIBUS 规范保护世界规模的用户和制作商的出资
（3）PROFIBUS 经实践证明并在世界规模内已设备运用的设备超越1,500,000 个。（截止于１９９７年四季度）
PROFIBUS给客户的长处
（1）节约硬件和设备费用
削减硬件成份 (I/O, 终端块、阻隔栅)
更简略、更方便和低本钱的设备
（2）节约工程费用更简略组态(对一切设备只需一套东西)
更简略保养和修理
更简略和更方便的体系起动
（3）更大的制作灵活性
改善功用 削减毛病时刻 精确、牢靠的确诊数据 牢靠的数字传输技能
※ PROFIBUS削减40%的设备费用：

※ 1,200多个产品（到1998年1季），一个规范
到目前为止，已250家不同的制作商可供给 1,200 多个产品，你可免费取得最新的 PROFIBUS电子产品攻略的复制：
（1）从每一个PROFIBUS用户的CD-ROM或软盘
（2）或拜访PROFIBUS的世界网页http://www.profibus.com
※ 产品规模快速增长

※ 产品运用规模广泛
※ 经认证的产品保证互操作性
（1）PROFIBUS 世界现已树立了质量认证体系，包含产品的一致性和互操作性的测验
（2）几百个产品现已经过了认证
（3）在欧洲和美国建有这样的测验实验室
（4）经认证的产品都有一个认证号，它们已在 PROFIBUS 电子产品攻略中列出
PROFIBUS 是抢先的敞开的现场总线体系
•独立的商场研讨证明， PROFIBUS 在欧洲是商场的领导者，且在世界规模内有最高的增长率。在１９９７年已设备的PROFIBUS 根本设备超越了 1,500,000个，年增长到约20-30%。
•商场总值 依据1997 ARC 的商场研讨现场总线的世界商场总值大于2百万个节点， 50%以上是用在欧洲。
•商场份额 依据1996 Consultic 关于德国和欧洲商场的商场研讨2 ，PROFIBUS 在欧洲商场中约占 41% 。

三种有用的传输技能

→ PROFIBUS 运用两头有终端的总线拓扑
→ 在运行期间，接入和断开一个或几个站不会影响其他站的作业，即便在实质安全区也如此。
→ 供给三种不同的物理层挑选
(1)RS 485: 用于 DP 和 FMS
(2)IEC 1158-2: 用于 PA
(3)光纤: 用于 DP 和 FMS
PROFIBUS 协议
→ PROFIBUS 总线拜访协议（第二层）对三种PROFIBUS 版别(FMS/DP/PA)均相同
→ 这使通讯通明和FMS/DP/PA 网络区域简略组合
→ 因为 FMS/DP 运用相同的物理介质 (RS-485/FO) ，因而它们能组合在同一根电缆上。

PROFIBUS-DP 的特色
•替代PLC/PC 与 I/O 之间贵重的电线
•快速，传输 1 千字节的输入数据和 1千字节的输出数据所需时刻<2 ms
•强有力的东西，削减组态和保护费用
•被一切首要的 PLC 制作商支撑
•有广泛的产品: PLC, PC, I/O, 驱动器, 阀, 编码器等
•答应周期性和非周期性的数据传输
•单主和多主网络
•每个站的输入和输出数据最多可达 244 字节
典型的PROFIBUS-DP体系组成：

PROFIBUS-PA(PA = Process Automation) 的特色
•依据扩展的 PROFIBUS-DP 协议和 IEC 1158-2 传输技能
•适用于替代如今的 4…20 mA 技能
•仅用一根双绞线进行数据通讯和供电
•经过串行总线联接仪器仪表与操控体系
•适用于实质安全的 EEx 运用区域
•牢靠的串行数字传输
•经过一根双绞电缆进行操控、调理和监督
•对一切设备只需一个工程东西
•因为 PROFIBUS-PA 行规，保证了互操作性和互换性
•仪器仪表的保护和确诊信息

PROFIBUS-FMS 的特色
•FMS 最佳适用于车间级智能主站间通用的、面向对象的通讯
•FMS 供给一个 MMS-功用子集 （MMS 即 Manufacturing Message Specification, ISO9506)
•首要运用区域
大数量的数据传输，例如程序、数据块等等
若干个涣散进程部分集成到一个公共进程中
智能站间的通讯

敞开的组态答应即插即用
PROFIBUS ASICs 供给很多产品的要害
•对PROFIBUS许多 AS%&&&&&%s 芯片是有用的
•对 PROFIBUS-DP 用单个芯片即可处理
•对 FMS/DP/PA，与处理器无关的外围芯片
•对FMS/DP，带 PROFIBUS 中心功用的微操控器
长处：
•对制作商而言，削减完结费用
•对一个接口的价格减至小于 US $ 25
PROFIBUS世界
•超越 650 个会员
•20个区域用户协会
•一个很强壮的安排

PROFIBUS技能培训 —— 典型运用
PROFIBUS 现已有广泛的运用
到1997年四季度，实践运用超越150,000个，运用领域包含：
•制作业自动化
轿车制作
装瓶体系
仓储体系
•楼宇自动化
交通办理自动化
供热、空调体系
•进程工业自动化
清洗工厂
化工和石化工厂
造纸和纺织品工厂
•电力工业和电力运送
发电厂
开关设备
1 PROFIBUS 在轿车出产中的运用
例如，在 Bochum 的 GM (Opel) 工厂
（1）对每个车身，PROFIBUS-DP操控机器人处理2，000多个焊接操作
（2）PROFIBUS-DP用在拼装线上，每天出产1，200辆轿车
（3）PROFIBUS-DP用在冲压车间，每天处理22，000吨钢材
在 OPEL 工厂的网络结构示意图

2 PROFIBUS 在楼宇自动化中
例如，在法国的 Bibliotheque Nationale
PROFIBUS 操控四个 80 米高的塔楼
总面积 360,000 m2
容积约11,000,000 m3
PROFIBUS 使命包含
•报警办理
•能量优化
•监督
•技能设备的操控
•操作服务间的牢靠、有用的通讯、
3 PROFIBUS 在进程自动化中
在 1997 年四季度已销售出 15,000 多个 Profibus – PA 的设备
※ ROFIBUS-PA在 WACKER 化工厂的运用
WACKER 化工厂简介
•由Dr. Alexander Wacker 树立于1914年10月13日
•1992年,职工13,000 人, 32亿德国马克的营业额
•首要出产硅和胶制品
WACKER 化工厂项目施行状况
•项目从1997年1月开端
•运用仪器仪表和操控设备总价值500万马克
•1,000个PROFIBUS-PA的传感器和执行器

化工厂为什么挑选PROFIBUS – PA？
•节约 50% 以上的规划、规划和设备本钱
•习惯实质安全区设备
•因为会集组态东西，简略修理
仪器仪表和操控部分的负责人 Mr. H. Krummen对此谈论：
“因为PROFIBUS-PA 的运用，使新的出产线的规划、设备费用节约 超越2百万马克，
此外，实质安全才能和一个组态东西对一切仪器仪表都适用，这就意味着PROFIBUS-PA
完全符合NAMUR* 所希望的原则。”
※ PROFIBUS-PA在 bitburger啤酒厂的运用
•bitburger啤酒厂每年出产 350,000 吨， 在欧洲是最大的
Bitburger为什么挑选 PROFIBUS-PA？
•因为简略设备，节约本钱
•因为会集组态，树立体系简略
•因为提高了精确性，工厂有更高安全性和有用性
•因为削减了保护，而节约本钱
•因为是敞开的世界规范，使出资安全

PROFIBUS技能培训 —— 设备与布线
传输特色 (1)
高速 (H2), RS 485
•依据 RS 485，异步 NRZ 传输
•波特率从 9.6 kBit/s 到 12 MBit/s，可选
•双绞屏蔽电缆
•每段 32 个站，最多答应 127 个站

•间隔: 12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 m
•有中继器间隔可延伸到 10 公里
•9 针, D 型插头

传输特色 (2)
低速 (H1), IEC 1158-2
•同步 Manchester 编码, 31.25 kBit/s
•实质安全 (可选) 和经过总线对站供电 (可选)
•屏蔽或非屏蔽的双绞电缆
•每段间隔达 1900 米，用中继器可延伸到 10 公里
•最多 127 个站, 每段 10-32 个设备 (依赖于 EX-类型和供电耗费)
PROFIBUS 电缆要求 – IEC 1158-2
电缆规划: 屏蔽双绞电缆
导线面积: 0.8毫米2(AWG 18)
回路电阻: 44 ? / km
阻抗 （在31.25 KHz时）: 100 ? +/- 20%
衰减 （在39 KHz时）: 3dB / km
每单位长度的电容: 2nF / km
对 IEC 1158-2 传输的电缆被列在 PROFIBUS 电子产品攻略中
PROFIBUS 电缆要求 – RS 485
参数 电缆类型 A
电缆规划 屏蔽双绞电缆
浪涌阻抗 135 … 165 ?
回路电阻 110 ? / km
线径 0.64 mm
线截面积 > 0.34 mm
每单位长度的%&&&&&% < 30 pF / m
PROFIBUS 电缆被列在 PROFIBUS 电子产品攻略中。

PROFIBUS 电缆长度 （对 RS 485）
波特率（ kBit/s） 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000
线长（m, A类电缆） 1200 1200 1200 1000 400 200 100
长度能够用中继器来延伸
9 针D 型衔接器的针脚分配 （为RS 485用）
•对 PROFIBUS-DP/FMS 供给的衔接器类型是9 针 D 型衔接器
•插座部分被设备在设备上
•假如其他衔接器能供给必要的指令信号的话，也答应运用

拓朴
PROFIBUS 支撑总线型，树型和星型拓扑
•这儿供给的拓扑是总线型拓扑
•在总线的最初和结束有必要有终端
•一段能够由最多 32 个站*组成


RS-485 传输的数据位次序
每个八位二进数（１字节）按 11 位的次序被传输
最小的有用位 (LSB) 被第一个发送
最大的有用位 (MSB) 被最终发送
每个八位二进数都弥补三位，即开端、停止和奇偶校验位
此编码原理称 NRZ （即 Non Return to Zero）

信号电平

1 = 数据传输开端
2 = 闲暇段、无数据传输、总线终端停止的电平
冗余性提高了体系的牢靠性

PROFIBUS技能培训 —— 总线协议

PROFIBUS 总线拜访方法兼有多主通讯和主从通讯

总线拜访协议的特征 (1)
混合总线拜访协议
主站间的逻辑令牌环
主从站间的主从协议
主站
自动站在一个限制时刻内 (Token Hold Time) 对总线有操控权
从站
从站仅仅呼应一个主站的恳求，它们对总线没有操控权
PROFIBUS 总线拜访协议 (FDL)的特色
•主站或从站能够在任何时刻点接入或断开。FDL 将自动地重新安排令牌环。
•令牌环调度保证每个主站有满足的时刻实行它的通讯使命。因而，用户有必要核算悉数方针令牌环时刻 (TTR)。
•总线拜访协议有才能发现有毛病的站、失效的令牌、重复的令牌、传输过错和其他一切或许的网络失利。
•一切信息(包含令牌信息)在传输进程中保证高度安全，避免传输过错。
海明间隔 HD = 4
令牌调度原理
•在多主网络中，令牌调度有必要保证每个主站有满足的时刻完结它的通讯使命
•用户安排悉数方针令牌循环时刻 (TTR) 进入一切主站的通讯使命帐户。
•每一个主站依据下列公式核算它接纳令牌后完结它的通讯使命的时刻(TTH)
TTH = TTR – TRR
TTH = 持有令牌时刻
TTR = 方针令牌循环时刻
TRR = 实践令牌循环时刻
FDL 状态图

重要的 PROFIBUS 电文结构


图例： TRDY = 准备时刻 TSDR = 站呼应时刻 TSYN = 同步时刻
数据链路层服务及其用法

服务存取点 (SAP)
•在 PROFIBUS 数据链路层与运用层之间的接口处，服务存取点被用来交互作用
•恳求站的服务存取点叫做源服务存取点（= SSAP）
•呼应站的服务存取点叫做意图服务存取点 (= DSAP)
•服务存取点对 FMS 和 DP/PA 有着不同的功用
对 FMS: 它们被用于区分站之间的逻辑衔接
对 DP/PA: 它们被用于挑选不同的功用。