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1、现场总线控制系统现场总线控制系统现场总线控制系统现场总线控制系统 湖南大学湖南大学电气与信息工程学院电气与信息工程学院王王 辉辉现场总线控制系统现场总线控制系统现场总线控制系统现场总线控制系统第第2 2章章现场总线技术现场总线技术现场总线控制系统现场总线控制系统第第2章章 现场总线技术现场总线技术2.1 网络通信基础网络通信基础 2.3 现场总线通信模型现场总线通信模型 2.4 基金会现场总线基金会现场总线 2.5 PROFIBUSPROFIBUS现场总线现场总线2.6 CANCAN总线总线2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIB
2、US总线总线一、概述一、概述n一项研究课题一项研究课题pPROFIBUS是是PROcess FIeld Bus（过程现场总线）的缩写。过程现场总线）的缩写。pPROFIBUS的标准规范作为一个研究课题（的标准规范作为一个研究课题（19871990）得到）得到了德国政府的大力支持和资助，由了德国政府的大力支持和资助，由12家组织（公司）和家组织（公司）和5家德国家德国研究所共同开发研究。这研究所共同开发研究。这12家公司是：家公司是：ABB、AEG、Bosch、Honeywell、Kloechner-Moeller、Landis-Gyr、Phonenix Contact、Rheinmetall、
3、RMP、Sauter-Cumulus、Schleicher、Siemens。n德国国家标准德国国家标准 1989年发布了第一个年发布了第一个PROFIBUS的草案，作为德国国家标准的草案，作为德国国家标准DIN19245的第的第1部分和第部分和第2部分，它被定义为部分，它被定义为PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）。）。1993年发布了被定义年发布了被定义为为PROFIBUS-DP（Decentralized Peripherials）的第的第3部分。部分。现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线n 欧洲标准欧洲标准
4、1993年年CENELEC成立了一个工作组，来制定和发展欧洲的现成立了一个工作组，来制定和发展欧洲的现场总线标准。工作组进行了充分的技术论证和市场调研，经场总线标准。工作组进行了充分的技术论证和市场调研，经过过1995年和年和1996年的两轮投票，在年的两轮投票，在1996年年12月发布了欧洲月发布了欧洲现场总线的标准现场总线的标准EN50170。当时。当时EN50170包括包括PROFIBUS（FMS、DP）、）、P-NET和和WorldFIP。在。在1998年年PROFIBUS-PA也纳入了也纳入了EN50170中。中。n国际标准国际标准现场总线IEC61158标准更是个经过激烈战斗后的产
5、物。在IEC61158中，PROFIBUS（包括DP和PA，没有FMS）成为第3种标准现场总线。后来又对IEC61158进行的补充中，PROFIBUS补充得最多，主要是对DP在原有的V0的基础上增加了DP-V1和DP-V2，更重要的是PROFINET成为了第10种现场总线标准。现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线n最成功的现场总线最成功的现场总线到目前为止，超过50万个PROFIBUS网络，近1600万个各种PROFIBUS设备稳定运行在工业现场；250多个制造和供应商提供2000多种PROFIBUS产品。同时，PROFIBUS形成了世界范围内的支持网络，1989年
6、在德国成立了PROFIBUS用户组织（PNO），目前在23个国家有地区性的RPAs（Regional PROFIBUS Associations），在15个国家有近30个PCCs（PROFIBUS Competency Centres），所有这些机构都可以为广大的用户提供技术培训、咨询和交流等方面的技术支持。现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线二、二、ProfiBusProfiBus 技术特点技术特点pPorfibus支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主
7、动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。p按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播,或有选择地向一组站点广播。 现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线p 用一根串行的数字总线替代传统的并行用一根串行的数字总线替代传统的并行24V 信号信号 和和 4.20 mA 模拟信号模拟信号p 通过一根双芯屏蔽电缆连接中央控制器
8、和现场设备通过一根双芯屏蔽电缆连接中央控制器和现场设备p 同样适用于防爆环境和有安全要求的应用同样适用于防爆环境和有安全要求的应用： 一个系统适合于不同的应用一个系统适合于不同的应用p 数据和电源通过同一根电缆传输（数据和电源通过同一根电缆传输（PA） p 对于所有的设备，只需要一个通用的组态和工程工具对于所有的设备，只需要一个通用的组态和工程工具 p 连接不同厂商的设备连接不同厂商的设备 p 开放的、不依赖于厂商的现场总线，开放的、不依赖于厂商的现场总线， 并符合并符合IEC 61158国际标准国际标准 现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线三、三、PROFIBUS
9、PROFIBUS组成部分组成部分nPROFIBUS-DP: :用于传感器和执行器级的高速数据传输，它以用于传感器和执行器级的高速数据传输，它以DIN19245DIN19245的第一部分为基础，根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充，的第一部分为基础，根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充，DPDP的传输速率最高可达的传输速率最高可达12Mbit/s12Mbit/s，一般构成单主站系统，主站、从站，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传输方式工作。间采用循环数据传输方式工作。nPROFIBUS-PA具有本质安全特性，它实现了具有本质安全特性，它实现了IEC61158-2IEC6115
10、8-2规定的通信规定的通信规程。规程。 PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA是是PROFIBUSPROFIBUS的过程自动化解决方案，的过程自动化解决方案，PAPA将自将自动化系统和过程控制系统与现场设备，如压力、温度和液位变送器动化系统和过程控制系统与现场设备，如压力、温度和液位变送器等连接起来，代替了等连接起来，代替了4-20mA4-20mA模拟信号传输技术。因此，模拟信号传输技术。因此，PAPA尤其适用尤其适用于石油、化工、冶金等行业的过程自动化控制系统。于石油、化工、冶金等行业的过程自动化控制系统。现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线nPROFIB
11、US-FMSPROFIBUS-FMS: :解决车间一级通用性通信任务，解决车间一级通用性通信任务，FMSFMS提供大量的通信服提供大量的通信服务，用以完成以中等传输速率进行的循环和非循环的通信任务。由于务，用以完成以中等传输速率进行的循环和非循环的通信任务。由于它是完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交它是完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换，因此它考虑的主要是系统的功能而不是系统响应时间，应用过程换，因此它考虑的主要是系统的功能而不是系统响应时间，应用过程通常要求的是随机的信息交换通常要求的是随机的信息交换 ( (如改变设定参数等如改变设定参数等) )
12、。可用于大范围和。可用于大范围和复杂的通信系统。复杂的通信系统。PROFIBUSPROFIBUS簇簇现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线二、二、PROFIBUSPROFIBUS的通信模型和协议类型的通信模型和协议类型 pPROFIBUSPROFIBUS通信模型通信模型参照了参照了ISO/OSIISO/OSI参考模型的第参考模型的第1 1层层（物理层）和第（物理层）和第2 2层（数据链路层），其中层（数据链路层），其中FMSFMS还采用还采用了第了第7 7层（应用层）层（应用层）, ,另外增加了用户层。大
13、大简化了另外增加了用户层。大大简化了协议结构，提高了数据传输效率，符合工业自动化实协议结构，提高了数据传输效率，符合工业自动化实时性高、数据量小等特点的要求时性高、数据量小等特点的要求。 pPROFIBUSPROFIBUSDPDP和和PROFIBUSPROFIBUSFMSFMS的第的第1 1层和第层和第2 2层相同，层相同， PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS有第有第7 7层，层，PROFIBUSPROFIBUSDPDP无第无第7 7层。层。PROFIBUSPROFIBUSPAPA有第有第1 1层和第层和第2 2层，但与层，但与DP/FMSDP/FMS有区别，有区别，无第无第7
14、7层。层。现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线p 相互关系相互关系 FMS、DP和和PA的数据链路层是完全相同的，即它们的的数据链路层是完全相同的，即它们的数据通讯基本协议是相同的，所以它们可以存在于同数据通讯基本协议是相同的，所以它们可以存在于同一个网络中；一个网络中； DP和和FMS的物理层均使用的物理层均使用RS485/FO（Fiber Optic）,所以他们可以使用同一根电缆进行各自的通讯；所以他们可以使用同一根电缆进行各自的通讯； 虽然虽然PA的物理层使用的物理层使用MBP（IEC61158-2）（Manchester code Bus Powered）技
15、术，但由于技术，但由于PA也使用也使用DP-V0的基本报文协议，所以的基本报文协议，所以DP和和PA可以可以互相通讯；互相通讯； 因为因为FMS的第的第7层规范只适合于层规范只适合于FMS装置，所以装置，所以FMS不能和不能和DP、PA交换数据。交换数据。现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线 Profibus信道：逻辑信道与物理信道信道：逻辑信道与物理信道现场总线控制系统现场总
16、线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线通信关系现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线通信关系结构通信关系结构每个独立的、局部的信道可以分别定义，一个信道的所每个独立的、局部的信道可以分别定义，一个信道的所有参数列于通信关系表有参数列于通信关系表（）（）中。中。现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线二、PROFIBUS的数据传输和拓扑结构 PROFIBUS物理层协议物理层协议提供提供三种数三种数据传输据传输标准标准光纤光纤 用于用于DP和和FMSIEC61158-2 用于用于P
17、ARS485 用于用于DP和和FMS现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线1 用于DP和FMS的RS-485传输技术1.1.ProfibusProfibus最常用的传输技术最常用的传输技术2.2.采用采用屏蔽双绞电缆连接（符合连接（符合EIA RS-485EIA RS-485标准标准) )3.3.总线段的两端各有一个总线段的两端各有一个终端器4.传输速率从从9.6kbit/s9.6kbit/s到到12Mbit/s12Mbit/s可选（与传输距离有关）可选（与传输距离有关）5.5.每段每段3232个站（无中继器）或个站（无中继器）或127127个站（带中继器）个站（带中
18、继器）6.6.采用采用9 9针针D D型插头连接器型插头连接器现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线RS-485RS-485总线段的结构总线段的结构现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线n传输序列1.1.半双工、异步、无间隙同步半双工、异步、无间隙同步2.2.NRZNRZ（不归零）编码（不归零）编码3.3.1 1个字符个字符祯祯 = 1= 1个起始位、个起始位、8 8个数据位、个数据位、1 1个奇偶校验位、个奇偶校验位、1 1个停止位个停止位4.4.二进制二进制 “ “1” 1” 对应于对应于RXD/TXD-PRXD/TXD-P线上的正电位，
19、而在线上的正电位，而在RXD/TXD-NRXD/TXD-N线上线上为负电位为负电位5.5.各报文之间的空闲（各报文之间的空闲（idleidle）状态对应于二进制的）状态对应于二进制的 “ “1”1”信号信号6.6.A A号线对应于号线对应于RXD/TXD-NRXD/TXD-N信号，而信号，而B B号线对应于号线对应于RXD/TXD-PRXD/TXD-P信号信号B导线导线二进制信号二进制信号A导线导线1011010现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线n传输电缆1.最大长度与波特率有关，速率越高，距离越短2.总线上的所有设备（站点）都要采用相同的传输速率3.A型电缆（0
20、.34mm )和B型电缆(0.22mm )n总线连接1.1.国际性的国际性的PROFIBUSPROFIBUS标准标准EN50170EN50170推荐使用推荐使用9 9针针D D型连接器用于总线站与型连接器用于总线站与总线的相互连接（总线的相互连接（9 9针头）。针头）。2.2.D D型连接器的插座与总线站相连接，而型连接器的插座与总线站相连接，而D D型连接器的插头端与总线电缆型连接器的插头端与总线电缆相连接。相连接。现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线1.总线站与总线的连接采用总线站与总线的连接采用9针针D型连接器型连接器。现场总线控制系统现场总线控制系统2.5
21、PROFIBUS总线总线n总线终端器1.1.根据根据EIA RS-485EIA RS-485标准，在数据线标准，在数据线A A和和B B两端均加接总线终端器两端均加接总线终端器2.2.终端器包括终端器包括1 1个下拉电阻和个下拉电阻和1 1个上拉电阻个上拉电阻3.3.空闲状态（空闲状态（idle)idle)：终端电阻保证了总线上确定的空闲电位：终端电阻保证了总线上确定的空闲电位4.4.可以由跳接器或开关来启动可以由跳接器或开关来启动现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线n 拓扑结构RS 485 的屏蔽的屏蔽 / 接地接地现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROF
22、IBUS总线总线现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线2.2.用于用于PAPA的的IEC61158-2IEC61158-2传输技术传输技术n(1) 数据IEC1158-2的传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备供电。n(2) IEC1158-2是一种位同步协议，通常称为H1。n(3) IEC1158-2技术用于PROFIBUS-PA，技术特征：现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线n传输电缆1.1.采用屏蔽采用屏蔽/ /非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线2.2.4 4种电缆类型种电缆
23、类型3.3.总线长度：总线长度：200-1900200-1900米米n PA的总线连接的总线连接现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线n 拓扑结构树型结构是典型的现场安装技术，现场分配器负责连接现场设备与主干总线，所有连接在现场总线上的设备通过现场分配器进行并行切换。PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA树型结构树型结构PROFIBUS-DP终端电阻终端电阻DP/ PA耦合器（Exi）控制器供电设备（Exi）多路分配器现场设备现场设备现场设备现场设备控制室现场现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线现场总线控制系统现场总线控制系统2.5
24、PROFIBUS总线总线1.总线型结构总线型结构：提供了与供电电路安装类似的沿现场总线电：提供了与供电电路安装类似的沿现场总线电缆的连接点，现场总线电缆可通过现场设备连接成回路，缆的连接点，现场总线电缆可通过现场设备连接成回路，其分支线也可连接一个或多个现场设备。其分支线也可连接一个或多个现场设备。终端电阻总线型结构总线型结构终端电阻PROFIBUS-DPPROFIBUS-PADP/ PA耦合器（Exi）控制器供电设备（Exi）控制室现场现场设备现场设备现场设备现场设备现场设备现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBU
25、S总线总线1.1.树型与总线型的组合结构树型与总线型的组合结构：基于：基于IEC61158-2IEC61158-2传输技术总线传输技术总线段与基于段与基于RS485RS485传输技术总线段可以通过传输技术总线段可以通过DP/PADP/PA耦合器或链耦合器或链接器相连，耦合器使接器相连，耦合器使RS485RS485信号和信号和IEC61158-2IEC61158-2信号相适配。信号相适配。现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线PROFIUS DPS7 400 ControllerSystem busIndu
26、strial Ethernet / Fast EthernetDP/PA-LinkGas AnalyserFlowPressureTemperaturepH,C,O2Valve PositionerLevelPROFIBUS PAPROFIBUS PA耦合器耦合器DP/PA coupler的主要的主要作用：作用：1.1.实现物理层的转换实现物理层的转换2.2.通过总线向现场仪表供电通过总线向现场仪表供电3.3.安全栅功能：安全栅功能：实现危险区与安全实现危险区与安全 区的电气隔离区的电气隔离链接器链接器Link的主要作用：的主要作用：1.1.控制着过程仪表与主控制器之间控制着过程仪表与主控制器
27、之间的数据通讯工作，它肩负着主设备的数据通讯工作，它肩负着主设备和从设备的双重任务。和从设备的双重任务。2.2.作为主设备作为主设备, ,它控制着内部总线它控制着内部总线的正常工作的正常工作; ;作为从设备作为从设备, ,它又担负它又担负着与上一层总线的通讯任务。着与上一层总线的通讯任务。 现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线3. 3. 光纤传输技术（用于光纤传输技术（用于DPDP和和FMSFMS）1.1.PROFIBUSPROFIBUS第第1 1层的另一种类型是通过光纤导体中光的传输层的另一种类型是通过光纤导体中光的传输来传送数据。来传送数据。现场总线控制系统现场
28、总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线n总线导线1.1.塑料纤维光纤，一般在百米以下使用塑料纤维光纤，一般在百米以下使用2.2.玻璃纤维光纤，一般在千米以下使用玻璃纤维光纤，一般在千米以下使用n总线连接 (1)OLM(1)OLM技术技术 (Optical (Optical Link Link ModuleModule)现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线(2)OLP(2)OLP技术技术 (Optical Link Plug)(Optical Link Plug)现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线（3 3）集成的光纤电缆连接集成的光
29、纤电缆连接 使用集成在设备中的光纤接口将使用集成在设备中的光纤接口将PROFIBUSPROFIBUS节点与光纤电缆节点与光纤电缆直接连接。直接连接。（4 4）OBTOBT（Optical Fiber Bus TerminalOptical Fiber Bus Terminal，光纤总线终端），光纤总线终端） 一个不带集成纤维光缆接头的一个不带集成纤维光缆接头的PROFIBUSPROFIBUS站或一个站或一个RS-485RS-485段段可以通过可以通过OBTOBT连接到一个光纤电路。连接到一个光纤电路。现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线现场总线控制系统现场总线控制系统2.5 PROFIBUS总线总线