1、現場總線控制系統現場總線控制系統現場總線控制系統現場總線控制系統 湖南大學湖南大學電氣與信息工程學院電氣與信息工程學院王王 輝輝現場總線控制系統現場總線控制系統現場總線控制系統現場總線控制系統第第2 2章章現場總線技術現場總線技術現場總線控制系統現場總線控制系統第第2章章 現場總線技術現場總線技術2.1 網絡通信基礎網絡通信基礎 2.3 現場總線通信模型現場總線通信模型 2.4 基金會現場總線基金會現場總線 2.5 PROFIBUSPROFIBUS現場總線現場總線2.6 CANCAN總線總線2.2 開放式系統互連參考模型開放式系統互連參考模型現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIB

2、US總線總線一、概述一、概述n一項研究課題一項研究課題pPROFIBUS是是PROcess FIeld Bus（過程現場總線）的縮寫。過程現場總線）的縮寫。pPROFIBUS的標準規范作為一個研究課題（的標準規范作為一個研究課題（19871990）得到）得到了德國政府的大力支持和資助，由了德國政府的大力支持和資助，由12家組織（公司）和家組織（公司）和5家德國家德國研究所共同開發研究。這研究所共同開發研究。這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德國國家標準德國國家標準 1989年發布了第一個年發布了第一個PROFIBUS的草案，作為德國國家標準的草案，作為德國國家標準DIN19245的第的第1部分和第部分和第2部分，它被定義為部分，它被定義為PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）。）。1993年發布了被定義年發布了被定義為為PROFIBUS-DP（Decentralized Peripherials）的第的第3部分。部分。現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線n 歐洲標準歐洲標準

4、1993年年CENELEC成立了一個工作組，來制定和發展歐洲的現成立了一個工作組，來制定和發展歐洲的現場總線標準。工作組進行了充分的技術論證和市場調研，經場總線標準。工作組進行了充分的技術論證和市場調研，經過過1995年和年和1996年的兩輪投票，在年的兩輪投票，在1996年年12月發布了歐洲月發布了歐洲現場總線的標準現場總線的標準EN50170。當時。當時EN50170包括包括PROFIBUS（FMS、DP）、）、P-NET和和WorldFIP。在。在1998年年PROFIBUS-PA也納入了也納入了EN50170中。中。n國際標準國際標準現場總線IEC61158標準更是個經過激烈戰斗后的產

5、物。在IEC61158中，PROFIBUS（包括DP和PA，沒有FMS）成為第3種標準現場總線。后來又對IEC61158進行的補充中，PROFIBUS補充得最多，主要是對DP在原有的V0的基礎上增加了DP-V1和DP-V2，更重要的是PROFINET成為了第10種現場總線標準。現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線n最成功的現場總線最成功的現場總線到目前為止，超過50萬個PROFIBUS網絡，近1600萬個各種PROFIBUS設備穩定運行在工業現場；250多個制造和供應商提供2000多種PROFIBUS產品。同時，PROFIBUS形成了世界范圍內的支持網絡，1989年

6、在德國成立了PROFIBUS用戶組織（PNO），目前在23個國家有地區性的RPAs（Regional PROFIBUS Associations），在15個國家有近30個PCCs（PROFIBUS Competency Centres），所有這些機構都可以為廣大的用戶提供技術培訓、咨詢和交流等方面的技術支持。現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線二、二、ProfiBusProfiBus 技術特點技術特點pPorfibus支持主從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權，可主

7、動發送信息。對多主站系統來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規定的時間內擁有總線控制權，共事先規定好令牌在各主站中循環一周的最長時間。p按Profibus的通信規范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權時，可以按主從方式，向從站發送或索取信息，實現點對點通信。主站可采取對所有站點廣播,或有選擇地向一組站點廣播。 現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線p 用一根串行的數字總線替代傳統的并行用一根串行的數字總線替代傳統的并行24V 信號信號 和和 4.20 mA 模擬信號模擬信號p 通過一根雙芯屏蔽電纜連接中央控制器

8、和現場設備通過一根雙芯屏蔽電纜連接中央控制器和現場設備p 同樣適用于防爆環境和有安全要求的應用同樣適用于防爆環境和有安全要求的應用： 一個系統適合于不同的應用一個系統適合于不同的應用p 數據和電源通過同一根電纜傳輸（數據和電源通過同一根電纜傳輸（PA） p 對于所有的設備，只需要一個通用的組態和工程工具對于所有的設備，只需要一個通用的組態和工程工具 p 連接不同廠商的設備連接不同廠商的設備 p 開放的、不依賴于廠商的現場總線，開放的、不依賴于廠商的現場總線， 并符合并符合IEC 61158國際標準國際標準 現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線三、三、PROFIBUS

9、PROFIBUS組成部分組成部分nPROFIBUS-DP: :用于傳感器和執行器級的高速數據傳輸，它以用于傳感器和執行器級的高速數據傳輸，它以DIN19245DIN19245的第一部分為基礎，根據其所需要達到的目標對通信功能加以擴充，的第一部分為基礎，根據其所需要達到的目標對通信功能加以擴充，DPDP的傳輸速率最高可達的傳輸速率最高可達12Mbit/s12Mbit/s，一般構成單主站系統，主站、從站，一般構成單主站系統，主站、從站間采用循環數據傳輸方式工作。間采用循環數據傳輸方式工作。nPROFIBUS-PA具有本質安全特性，它實現了具有本質安全特性，它實現了IEC61158-2IEC6115

10、8-2規定的通信規定的通信規程。規程。 PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA是是PROFIBUSPROFIBUS的過程自動化解決方案，的過程自動化解決方案，PAPA將自將自動化系統和過程控制系統與現場設備，如壓力、溫度和液位變送器動化系統和過程控制系統與現場設備，如壓力、溫度和液位變送器等連接起來，代替了等連接起來，代替了4-20mA4-20mA模擬信號傳輸技術。因此，模擬信號傳輸技術。因此，PAPA尤其適用尤其適用于石油、化工、冶金等行業的過程自動化控制系統。于石油、化工、冶金等行業的過程自動化控制系統。現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線nPROFIB

11、US-FMSPROFIBUS-FMS: :解決車間一級通用性通信任務，解決車間一級通用性通信任務，FMSFMS提供大量的通信服提供大量的通信服務，用以完成以中等傳輸速率進行的循環和非循環的通信任務。由于務，用以完成以中等傳輸速率進行的循環和非循環的通信任務。由于它是完成控制器和智能現場設備之間的通信以及控制器之間的信息交它是完成控制器和智能現場設備之間的通信以及控制器之間的信息交換，因此它考慮的主要是系統的功能而不是系統響應時間，應用過程換，因此它考慮的主要是系統的功能而不是系統響應時間，應用過程通常要求的是隨機的信息交換通常要求的是隨機的信息交換 ( (如改變設定參數等如改變設定參數等) )

12、?？捎糜诖蠓秶??？捎糜诖蠓秶蛷碗s的通信系統。復雜的通信系統。PROFIBUSPROFIBUS簇簇現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線二、二、PROFIBUSPROFIBUS的通信模型和協議類型的通信模型和協議類型 pPROFIBUSPROFIBUS通信模型通信模型參照了參照了ISO/OSIISO/OSI參考模型的第參考模型的第1 1層層（物理層）和第（物理層）和第2 2層（數據鏈路層），其中層（數據鏈路層），其中FMSFMS還采用還采用了第了第7 7層（應用層）層（應用層）, ,另外增加了用戶層。大

13、大簡化了另外增加了用戶層。大大簡化了協議結構，提高了數據傳輸效率，符合工業自動化實協議結構，提高了數據傳輸效率，符合工業自動化實時性高、數據量小等特點的要求時性高、數據量小等特點的要求。 pPROFIBUSPROFIBUSDPDP和和PROFIBUSPROFIBUSFMSFMS的第的第1 1層和第層和第2 2層相同，層相同， PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS有第有第7 7層，層，PROFIBUSPROFIBUSDPDP無第無第7 7層。層。PROFIBUSPROFIBUSPAPA有第有第1 1層和第層和第2 2層，但與層，但與DP/FMSDP/FMS有區別，有區別，無第無第7

14、7層。層?，F場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線p 相互關系相互關系 FMS、DP和和PA的數據鏈路層是完全相同的，即它們的的數據鏈路層是完全相同的，即它們的數據通訊基本協議是相同的，所以它們可以存在于同數據通訊基本協議是相同的，所以它們可以存在于同一個網絡中；一個網絡中； DP和和FMS的物理層均使用的物理層均使用RS485/FO（Fiber Optic）,所以他們可以使用同一根電纜進行各自的通訊；所以他們可以使用同一根電纜進行各自的通訊； 雖然雖然PA的物理層使用的物理層使用MBP（IEC61158-2）（Manchester code Bus Powered）技

15、術，但由于技術，但由于PA也使用也使用DP-V0的基本報文協議，所以的基本報文協議，所以DP和和PA可以可以互相通訊；互相通訊； 因為因為FMS的第的第7層規范只適合于層規范只適合于FMS裝置，所以裝置，所以FMS不能和不能和DP、PA交換數據。交換數據?，F場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線 Profibus信道：邏輯信道與物理信道信道：邏輯信道與物理信道現場總線控制系統現場總

16、線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線通信關系現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線通信關系結構通信關系結構每個獨立的、局部的信道可以分別定義，一個信道的所每個獨立的、局部的信道可以分別定義，一個信道的所有參數列于通信關系表有參數列于通信關系表（）（）中。中?，F場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線二、PROFIBUS的數據傳輸和拓撲結構 PROFIBUS物理層協議物理層協議提供提供三種數三種數據傳輸據傳輸標準標準光纖光纖 用于用于DP和和FMSIEC61158-2 用于用于P

17、ARS485 用于用于DP和和FMS現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線1 用于DP和FMS的RS-485傳輸技術1.1.ProfibusProfibus最常用的傳輸技術最常用的傳輸技術2.2.采用采用屏蔽雙絞電纜連接（符合連接（符合EIA RS-485EIA RS-485標準標準) )3.3.總線段的兩端各有一個總線段的兩端各有一個終端器4.傳輸速率從從9.6kbit/s9.6kbit/s到到12Mbit/s12Mbit/s可選（與傳輸距離有關）可選（與傳輸距離有關）5.5.每段每段3232個站（無中繼器）或個站（無中繼器）或127127個站（帶中繼器）個站（帶中

18、繼器）6.6.采用采用9 9針針D D型插頭連接器型插頭連接器現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線RS-485RS-485總線段的結構總線段的結構現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線n傳輸序列1.1.半雙工、異步、無間隙同步半雙工、異步、無間隙同步2.2.NRZNRZ（不歸零）編碼（不歸零）編碼3.3.1 1個字符個字符禎禎 = 1= 1個起始位、個起始位、8 8個數據位、個數據位、1 1個奇偶校驗位、個奇偶校驗位、1 1個停止位個停止位4.4.二進制二進制 “ “1” 1” 對應于對應于RXD/TXD-PRXD/TXD-P線上的正電位，

19、而在線上的正電位，而在RXD/TXD-NRXD/TXD-N線上線上為負電位為負電位5.5.各報文之間的空閑（各報文之間的空閑（idleidle）狀態對應于二進制的）狀態對應于二進制的 “ “1”1”信號信號6.6.A A號線對應于號線對應于RXD/TXD-NRXD/TXD-N信號，而信號，而B B號線對應于號線對應于RXD/TXD-PRXD/TXD-P信號信號B導線導線二進制信號二進制信號A導線導線1011010現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線n傳輸電纜1.最大長度與波特率有關，速率越高，距離越短2.總線上的所有設備（站點）都要采用相同的傳輸速率3.A型電纜（0

20、.34mm )和B型電纜(0.22mm )n總線連接1.1.國際性的國際性的PROFIBUSPROFIBUS標準標準EN50170EN50170推薦使用推薦使用9 9針針D D型連接器用于總線站與型連接器用于總線站與總線的相互連接（總線的相互連接（9 9針頭）。針頭）。2.2.D D型連接器的插座與總線站相連接，而型連接器的插座與總線站相連接，而D D型連接器的插頭端與總線電纜型連接器的插頭端與總線電纜相連接。相連接。現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線1.總線站與總線的連接采用總線站與總線的連接采用9針針D型連接器型連接器。現場總線控制系統現場總線控制系統2.5

21、PROFIBUS總線總線n總線終端器1.1.根據根據EIA RS-485EIA RS-485標準，在數據線標準，在數據線A A和和B B兩端均加接總線終端器兩端均加接總線終端器2.2.終端器包括終端器包括1 1個下拉電阻和個下拉電阻和1 1個上拉電阻個上拉電阻3.3.空閑狀態（空閑狀態（idle)idle)：終端電阻保證了總線上確定的空閑電位：終端電阻保證了總線上確定的空閑電位4.4.可以由跳接器或開關來啟動可以由跳接器或開關來啟動現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線n 拓撲結構RS 485 的屏蔽的屏蔽 / 接地接地現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROF

22、IBUS總線總線現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線2.2.用于用于PAPA的的IEC61158-2IEC61158-2傳輸技術傳輸技術n(1) 數據IEC1158-2的傳輸技術用于PROFIBUS-PA，能滿足化工和石油化工業的要求。它可保持其本征安全性，并通過總線對現場設備供電。n(2) IEC1158-2是一種位同步協議，通常稱為H1。n(3) IEC1158-2技術用于PROFIBUS-PA，技術特征：現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線n傳輸電纜1.1.采用屏蔽采用屏蔽/ /非屏蔽雙絞線非屏蔽雙絞線2.2.4 4種電纜類型種電纜

23、類型3.3.總線長度：總線長度：200-1900200-1900米米n PA的總線連接的總線連接現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線n 拓撲結構樹型結構是典型的現場安裝技術，現場分配器負責連接現場設備與主干總線，所有連接在現場總線上的設備通過現場分配器進行并行切換。PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA樹型結構樹型結構PROFIBUS-DP終端電阻終端電阻DP/ PA耦合器（Exi）控制器供電設備（Exi）多路分配器現場設備現場設備現場設備現場設備控制室現場現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線現場總線控制系統現場總線控制系統2.5

24、PROFIBUS總線總線1.總線型結構總線型結構：提供了與供電電路安裝類似的沿現場總線電：提供了與供電電路安裝類似的沿現場總線電纜的連接點，現場總線電纜可通過現場設備連接成回路，纜的連接點，現場總線電纜可通過現場設備連接成回路，其分支線也可連接一個或多個現場設備。其分支線也可連接一個或多個現場設備。終端電阻總線型結構總線型結構終端電阻PROFIBUS-DPPROFIBUS-PADP/ PA耦合器（Exi）控制器供電設備（Exi）控制室現場現場設備現場設備現場設備現場設備現場設備現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBU

25、S總線總線1.1.樹型與總線型的組合結構樹型與總線型的組合結構：基于：基于IEC61158-2IEC61158-2傳輸技術總線傳輸技術總線段與基于段與基于RS485RS485傳輸技術總線段可以通過傳輸技術總線段可以通過DP/PADP/PA耦合器或鏈耦合器或鏈接器相連，耦合器使接器相連，耦合器使RS485RS485信號和信號和IEC61158-2IEC61158-2信號相適配。信號相適配。現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線現場總線控制系統現場總線控制系統2.5 PROFIBUS總線總線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.實現物理層的轉換實現物理層的轉換2.2.通過總線向現場儀表供電通過總線向現場儀表供電3.3.安全柵功能：安全柵功能：實現危險區與安全實現危險區與安全 區的電氣隔離區的電氣隔離鏈接器鏈接器Link的主要作用：的主要作用：1.1.控制著過程儀表與主控制器之間控制著過程儀表與主控制器之間的數據通訊工作，它肩負著主設備的數據通訊工作，它肩負著主設備和從設備的雙重任務。和從設備