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profibus总线简介

2017-2-8 08:57| 编辑:电工学习网| 查看: 18221| 评论: 0

    Profibus是由Siemens公司提出并极力倡导,已先后成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170,是一种开放而独立的总线标准,在机械制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信网络。ProfibusProfibus-PAProfibus-DPProfibus-FMS3个系列组成。Profibus-PA (Process Automation)用于过程自动化的低速数据传输,其基本特性同FFHl总线,可以提供总线供电和本质安全,并得到了专用集成电路(ASIC)和软件的支持。Profibus-DPProfibus-PA兼容,基本特性同FFH2总线,可实现高速传输,适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输,用于连接Profibus-PA和加工自动化。Profibus-FMS适用于一般自动化的中速数据传输,主要用于传感器、执行器、电气传动、plc、纺织和楼宇自动化等。后两个系列采用RS485通信标准,传输速率从9.6kb/s12Mb/s,传输距离从1001200m(与传输速率有关)。介质存取控制的基本方式为主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主从方式,以及综合这两种方式的混合方式。Profibus是一种比较成熟的总线,在工程上的应用十分广泛。

    多年来,Profibus风靡全球,成功地应用于制造业、楼宇、过程控制和电站自动化,Profibus产品在世界市场上被普遍接受,市场占有率超过40%,年增长率20%30%,目前支持Profibus标准的产品超过1500多种,分别来自国际上250多个生产厂家。在世界范围内已安装运行的Profibus设备已超过200万台。Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准,总线存取协议是通过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。由Profibus-FMSProfibus-DPProfibus-PA组成了Profibus系列。

    Profibus-FMS主要用于工厂、楼宇自动化的单元级,实现对变量的访问、程序调用、运行控制及事件管理等;Profibus-DP主要用于现场级的高速数据传输、解决自动控制系统(如PLCPC等)通过高速串行总线与分散的现场设备(I/O、驱动器、阀门等)之间的通信任务。Profibus-PAProfibus-DP在保持其通信协议的条件下,增加了对现场仪表而言优选的传输技术,是Profibus-DP向现场的延伸。

根据国际电工委员会IEC1158定义(后改为IEC61158 ),现场总线是安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。或者说,现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点,用总线相连接,实现相互交换信息,共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

自现场总线概念提出以来,全球各大知名自控和仪表公司开发了数十种现场总线,目前在全球范围内被广泛认可的现场总线系统包括:PROFIBUSFFControlNetPROFINETPNET等十大总线系统。

PROFIBUS 现场总线系统介绍

(1) PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。

(2) PROFIBUS由三个兼容部分组成,即PROFIBUS-DPDecentralized Periphery)、PROFIBUS-PA(Process Automation)PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)

(3) PROFIBUS-DP:是一种高速低成本通信,用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC4-20mA信号传输。主站和从站之间采用轮询的通讯方式,主要应用于自动化系统中单元级和现场级通信。

(4) PROFIBUS-PA:专为过程自动化设计,可使传感器和执行机构联在一根总线上,并有本征安全规范。电源和通信数据通过总线并行传输,主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。

(5) PROFIBUS-FMS:用于车间级监控网络,是一个令牌结构、实时多主网络。定义了主站和主站之间的通讯模型,主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。

(6) PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络,从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

PROFIBUS协议结构

PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际准,以开放式系统互联网络(Open System Interconnection-SIO)作为参考模型的。OSI模型是现场总线技术的基础。对于工业控制底层网络来说,单个节点面向控制的信息量不大,信息传输的任务相对比较简单,但实时性、快速性的要求较高。现场总线采用的通信模型大都在OSI模型的基础上进行了不同程度的简化。

(1) PROFIBUS-DP:定义了第1、2层和用户接口。第3到7层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能,并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。

(2) PROFIBUS-FMS:定义了第1、2、7层,应用层包括现场总线信息规范(Fieldbus Message Specification-FMS)和低层接口(Lower Layer Interface-LLI)。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。

(3) PROFIBUS-PA:PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。另外,PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC1158-2标准,PA的传输技术可确保其本征安全性,而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。

PROFIBUS的传输技术

PROFIBUS提供了三种数据传输类型:

·用于DP和FMS的RS485传输

采用的电缆——屏蔽双绞线;

拓扑结构——总线型;

通信速率——9.6kbps/1200m,12Mbps/100m;

每段最多节点数——32;

不支持总线供电;

·用于PA的IEC1158-2传输

采用的电缆——屏蔽双绞线;

拓扑结构——总线型、树形;

通信速率——31.25kbps/1900m;

每段最多节点数——32;

支持总线供电;

·用于DP和FMS的光纤传输

用于电磁兼容要求高和长距离要求的场合;

PROFIBUS的通信介质访问控制方式

PROFIBUS的通信介质访问方式为分布式令牌方式,是一种时间触发的网络协议。主节点之间为令牌环传递方式,主节点和从节点之间为主从轮询方式。当主节点得到令牌后,允许它在一定的时间内与从节点和(或)其他主节点通信。令牌在所有主节点中循环一周期的最长时间(设定周期TTR)是事先预定的,决定了各主节点的令牌具体保持时间的长短。主节点之间传输数据必须保证在事先定义的时间间隔内主节点有充足的时间完成通讯任务,主节点与从节点之间的数据交换要尽可能快且简单地完成数据传输。

为此,PROFIBUS的介质访问控制MAC协议设置了两类时钟计时器:一类是令牌运行周期计时器,用于令牌的实际运行周期TRR计时;另一类是持牌计时器,用于主节点令牌保持时间TTH计时,当令牌到达某个主节点时,此节点的周期计时器开始计时。

当令牌又一次到达主节点时,MAC将周期计时器的TRR值与设定周期值TTR的差值赋给持牌计时器,即TTH=TTR-TRR,持牌器根据该值控制信息的传送。

在持牌计时器控制信息发送时,如果令牌到达超时,即TTH<0,则此节点只可以发送一个高优先级信息;如果令牌及时到达,则此节点可以连续发送多个等待发送的高优先级信息后,直到高优先级信息全部发送完毕,或者超过持牌时间。如果发完所有待发送的高优先级信息,仍有持牌时间,则可以用同样的方式发送低优先级信息。无论发送高优先级还是低优先级信息,都只在发送前检测持牌时间是否超时,而不是预先检测发送完此信息是否超时,此种检测方法意味着信息发送不可避免地造成持牌时间超时,影响了周期性实时通信的实现。

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