現(xiàn)場總線與PROFIBUS技術(shù)（1）現(xiàn)場總線的概念？現(xiàn)場總線定義比較公認的定義：從控制室連接到現(xiàn)場設(shè)備的雙向串行數(shù)字通信總線。國際電工委員會的定義現(xiàn)場總線：安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線的本質(zhì)意義是信息技術(shù)對自動化系統(tǒng)底層的現(xiàn)場設(shè)備進行改造。FCS相關(guān)模塊與實際應(yīng)用西門子RS485/profibus-dp總線連接器FCS相關(guān)模塊與實際應(yīng)用現(xiàn)場總線I/O連接器

汽車總裝線

應(yīng)用實例

玻璃配料線

應(yīng)用實例

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域：（1）制造領(lǐng)域：制造業(yè)的典型是汽車業(yè)，其自動化生產(chǎn)線上的機器人是離散動作快速反應(yīng)的自動控制，它是由PLC技術(shù)途徑發(fā)展到FCS的。

（2）物業(yè)領(lǐng)域：樓宇自動化是其典型。它與制造自動化相近，但要求節(jié)點數(shù)很多，而不要求有主/從之分，各個節(jié)點是平等的，而且各節(jié)點之間傳遞的信息量低。（3）過程領(lǐng)域：FCS的另一個前沿是過程控制自動化，典型的用戶是石油化工。它是由DCS發(fā)展來的。PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)概述

PROFIBUS是ProcessFieldbus的縮寫，是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標準，即EN50170歐洲標準。該項技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。目前世界上許多自動化技術(shù)生產(chǎn)廠家都為它們生產(chǎn)的設(shè)備提供PROFIBUS接口。PROFIBUS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于加工制造、過程控制和樓宇自動化，是成熟技術(shù)。

PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點分為PROFIBUS—DP，PROFIBUS—FMS，PROFIBUS—PA三個兼容版本，如圖所示，特點如下：

PROFIBUS—DP：經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價的通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I／O之間通信設(shè)計，使用PROFIBUS—DP模塊可取代價格昂貴的24V或0～20mA并行信號線。用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。

PROFIBUS—FMS：解決車間級通用性通信任務(wù)，提供大量的通信服務(wù)，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)，用于紡織工業(yè)、樓字自動化、電氣傳動、傳感器和執(zhí)行器、可編程序控制器、低壓開關(guān)設(shè)備等一般自動化控制。

PROFIBUS—PA：專為過程自動化設(shè)計，標準的本質(zhì)安全的傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了IEC1158—2中規(guī)定的通信規(guī)程，用于對安全性要求高的場合及由總線供電的站點。PROFIBUS基本特性

PROFIBUS可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場底層到車間級網(wǎng)絡(luò)化，該系統(tǒng)分為主站和從站。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)主站得到總線控制權(quán)(令牌)時，沒有外界請求也可以主動發(fā)送信息。主站從PROFIBUS協(xié)議講也稱之為主動站。

從站為外圍設(shè)備，典型的從站包括：輸入輸出裝置、閥門、驅(qū)動器和測量發(fā)送器。它們沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給予確認或當(dāng)主站發(fā)出請求時向它發(fā)送信息。從站也稱為被動站。由于從站只需總線協(xié)議的一小部分，所以實施起來特別經(jīng)濟。PROFIBUS應(yīng)用領(lǐng)域PROFIBUS課程內(nèi)容PRIOFIBUS的通信模型和協(xié)議類型PRIOFIBUS的數(shù)據(jù)傳輸和拓撲結(jié)構(gòu)PRIOFIBUS的總線存取控制機制PRIOFIBUS-DP技術(shù)簡介PRIOFIBUS-PA技術(shù)簡介PRIOFIBUS-FMS技術(shù)簡介12通信模型協(xié)議類型1.PRIOFIBUS的通信模型和協(xié)議類型1通信模型

PROFIBUS通信模型參照了OSI模型的第1層（物理層）和第2層（數(shù)據(jù)鏈路層），其中，F(xiàn)MS還采用了第7層（應(yīng)用層），另外還增加用戶層。

PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS的第1層和第2層相同，PROFIBUS-FMS有第7層。PROFIBUS-FA有第1層和第2層，但與DP/FMS有區(qū)別，無第7層。2協(xié)議類型

PROFIBUS協(xié)議的結(jié)構(gòu)定向根據(jù)ISO7498國際標準，以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI為參考模型，結(jié)構(gòu)如圖所示。12用于DP和FMS的RS485傳輸技術(shù)用于PA的傳輸技術(shù)2.PRIOFIBUS的數(shù)據(jù)傳輸和拓撲結(jié)構(gòu)3光纖傳輸技術(shù)

現(xiàn)場總線系統(tǒng)的應(yīng)用在很大程度上取決于選用的傳輸技術(shù)，既要考慮一些總的要求(傳輸可靠，傳輸距離和高速)又要考慮一些簡便而又費用不大的機電因數(shù)。當(dāng)涉及過程自動化時，數(shù)據(jù)和電源的傳送必須在同一根電纜上。由于單一的傳輸技術(shù)不可能滿足所有的要求，因此PROFIBUS提供以下三種類型：

DP和FMS的RS485傳輸；

PA的IEC1158—2傳輸；光纖(FO)2.PRIOFIBUS的數(shù)據(jù)傳輸和拓撲結(jié)構(gòu)1用于DP和FMS的RS485傳輸技術(shù)

DP和FMS的RS485傳輸

RS485是PROFIBUS最常用的一種，通常稱為H2，采用屏蔽雙絞銅線電纜，共用一根導(dǎo)線對。適用于需要高速傳輸和設(shè)施簡單而又便宜的各個領(lǐng)域，RS485傳輸技術(shù)的基本特性如下：·網(wǎng)絡(luò)拓撲：線性總線，兩端有有源的總線終端電阻。

·傳輸速率：9.6Kbit/s~12Mbit/s

·介質(zhì)：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（EMC）

·站點數(shù)：每分段32個站（不帶中繼），可多到127個站（帶中繼）

·插頭連接：最好使用9針D型插頭。1用于DP和FMS的RS485傳輸技術(shù)RS-485傳輸設(shè)備安裝要點(1)全部設(shè)備均與總線連接。

(2)每個分段上最多可接32個站（主站或從站）。

(3)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永遠有電源。見圖1所示。

(4)當(dāng)分段站超過32個時，必須使用中繼器用以連接各總線段。串聯(lián)的中繼器一般不超過3個，見圖2所示。2用于PA的傳輸技術(shù)

用于PA的IEC1158—2傳輸技術(shù)

IEC1158—2傳輸技術(shù)能滿足化工和石化工業(yè)的要求，它可保持其本質(zhì)安全性并使現(xiàn)場設(shè)備通過總線供電，通常稱之為H1，用于PROFIBUS—PA。

IEC1158—2傳輸技術(shù)原理如下：

·每段只有一個電源，供電裝置；

·站發(fā)送信息時不向總線供電；

·每站現(xiàn)場設(shè)備所消耗的為常量穩(wěn)態(tài)基本電流；

·現(xiàn)場設(shè)備的作用如無源的電流吸收裝置；

·主總線兩端起無源終端線的作用；

·允許使用線形、樹型和星型網(wǎng)絡(luò)；2用于PA的傳輸技術(shù)IEC1158-2傳輸技術(shù)特性:·數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)字式、位同步、曼徹斯特編碼。

·傳輸速率：31.25Kbit/s，電壓式。

·數(shù)據(jù)可靠性：前同步信號，采用起始和終止限定符避免誤差。

·電纜：雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式。

·遠程電源供電：可選附件，通過數(shù)據(jù)線。

·防爆型：能進行本征及非本征安全操作。

·拓撲：線型或樹型，或兩者相結(jié)合。

·站數(shù)：每段最多32個，總數(shù)最多為126個。

·中繼器：最多可擴展至4臺。3光纖傳輸技術(shù)（1）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。（2）可使用兩種光纖導(dǎo)體，一是價格低廉的塑料纖維導(dǎo)體，供距離小于50米情況下使用，另一種是玻璃纖維導(dǎo)體，供距離小于1公里米情況下使用。（3）總線段可采用星形或環(huán)型結(jié)構(gòu)。允許冗余（4）許多廠商提供專用總線插頭(耦合器)可將RS－485信號轉(zhuǎn)換成導(dǎo)體信號或?qū)⒐饫w導(dǎo)體信號轉(zhuǎn)成RS-485信號3.PRIOFIBUS的總線存取控制機制

PROFIBUS的DP，F(xiàn)MS和PA均使用單一的總線存取協(xié)議，通過OSI參考模型的第2層實現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報文的處理。在PROFIBUS中，第2層稱之為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路(FDL—fieldbusdatalink)。介質(zhì)存取控制(MAC，mediumaccesscontrol)具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，MAC必須確保在任何時刻只能有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)。

PROFIBUS協(xié)議的設(shè)計旨在滿足介質(zhì)存取控制的基本要求。總結(jié)3.PRIOFIBUS的總線存取控制機制1、

三種PROFIBUS(DP、FMS、PA)均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過OSI參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實現(xiàn)的。它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報文處理。2、在PROFIBUS中，第二層稱之為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（Fieldbus

Data

Link

-

FDL）。介質(zhì)存取控制（Medium

Access

Control

-

MAC）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)。3、PROFIBUS協(xié)議的設(shè)計要滿足介質(zhì)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)。3.PRIOFIBUS的總線存取控制機制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)盡可能快速又簡單地完成數(shù)據(jù)的實時傳輸。因此，PROFIBUS總線存取協(xié)議，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。4、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）。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。5、主站得到總線存取令牌時可與從站通信。每個主站均可向從站發(fā)送或讀取信息。因此，可能有以下三種系統(tǒng)配置：

①．純主－從系統(tǒng)

②．純主－主系統(tǒng)

③．混合系統(tǒng)3.PRIOFIBUS的總線存取控制機制6、在總線系統(tǒng)初建時，主站介質(zhì)存取控制MAC的任務(wù)是制定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)。7、第二層的另一重要工作任務(wù)是保證數(shù)據(jù)的可靠性。PROFIBUS第二層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式可保證數(shù)據(jù)的高度完整性。8、PROFIBUS在第二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，其中包括廣播及群播功能。廣播通信是指一個主動站向所有其他站發(fā)送無需應(yīng)答的報文；群播是指一個主動站向一個預(yù)先確定的站發(fā)送無需應(yīng)答的報文。4.PRIOFIBUS-DP技術(shù)簡介

PROFIBUS-DP用于設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)傳送，中央控制器通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備(如I/O、驅(qū)動器、閥門等)進行通信，多數(shù)數(shù)據(jù)交換是周期性的，除此之外，智能化現(xiàn)場設(shè)備還需要非周期性通信，以進行配置、診斷和報警處理。4.PRIOFIBUS-DP技術(shù)簡介功能

DP主站和DP從站間的循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送各DP從站的動態(tài)激活和撤消

DP從站組態(tài)的檢查輸入或輸出的同步通過總線給DP從站賦予地址每DP從站最大為246字節(jié)的輸入和輸出數(shù)據(jù)5.PRIOFIBUS-PA技術(shù)簡介

PROFIBUS-PA適用于PROFIBUS的過程自動化。PA將自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與壓力、溫度和液位變送器等現(xiàn)場設(shè)備連接起來，PA可用來替代4-20mA的模擬技術(shù)。5.PRIOFIBUS-PA技術(shù)簡介(1)適合過程自動化應(yīng)用的行規(guī)使不同廠家生產(chǎn)的現(xiàn)場設(shè)備具有互換性。

(2)增加和去除總線站點，即使在本征安全地區(qū)也不會影響到其它站。

(3)在過程自動化的PROFIBUS-PA段與制造業(yè)自動化的PROFIBUS-DP總線段之間通過藕合器連接，并使可實現(xiàn)兩段間的透明通信。

(4)在潛在的爆炸危險區(qū)可使用防爆型“本征安全”或“非本征安全”。6.PRIOFIBUS-FMS技術(shù)簡介PROFIBUS—FMS的設(shè)計旨在解決車間監(jiān)控級通信。在這一層，可編程序控制器（如PLC、PC機等）之間需要比現(xiàn)場層更大量的數(shù)據(jù)傳送，但通信的實時性要求低于現(xiàn)場層。PROFIBUS-FMS應(yīng)用層應(yīng)用層提供了供用戶使用的通信服務(wù)。這些服務(wù)包括訪問變量、程序傳遞、事件控制等。PROFIBUS—FMS應(yīng)用層包括下列兩部分：

·現(xiàn)場總線信息規(guī)范（FieldbusMessageSpecification-FMS）：描述了通信對象和應(yīng)用服務(wù)。

·低層接口(LowerLayerInterface-