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现场总线控制系统

现场总线控制系统. 第 8 讲 ProfiBus 现场总线标准. 信息学院自动化系. 主 要 内 容. 1 PROFIBUS 现场总线概述 2 PROFIBUS ——DP 3 PROFIBUS ——PA 4 PROFIBUS ——FMS 5 几种支持芯片. 1 RPOFIBUS 技术的由来. 87 年由 Siemens 公司等 13 家企业和 5 家研究机构联合开发 ; 89 年批准为德国工业标准 DIN 19245 ； 96 年批准为欧洲标准 EN 50170 V.2; 98 年 PROFIBUS-PA 批准纳入 EN50170 V.2;

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Presentation Transcript

  1. 现场总线控制系统 第8讲 ProfiBus现场总线标准 信息学院自动化系

  2. 主 要 内 容 1 PROFIBUS 现场总线概述 2 PROFIBUS ——DP 3 PROFIBUS ——PA 4 PROFIBUS ——FMS 5 几种支持芯片

  3. 1 RPOFIBUS技术的由来 • 87年由Siemens公司等13家企业和5家研究机构联合开发; • 89年批准为德国工业标准DIN 19245； • 96年批准为欧洲标准EN 50170 V.2; • 98年PROFIBUS-PA批准纳入EN50170 V.2; • 99年PROFIBUS成为国际标准IEC 61158的组成部分(Type III); • 2001年批准成为中国的行业标准JB/T 10308.3-2001;

  4. PROFIBUS簇

  5. PROFIBUS 应用领域 • PROFIBUS DP： • PROFIBUS PA： • PROFIBUS FMS： 主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级设备高速通信。 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。 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. PROFIBBUS PA

  7. RPOFIBUS给客户的好处 一、节省硬件和安装费用 • 减少硬件成份（I/O、终端块、隔离栅） • 更容易、更快捷和低成本的安装 二、节省工程费用 • 更容易组态（对所有设备只需一套工具） • 更容易保养和维修 • 更容易和更快捷的系统起动 三、更大的制造灵活性 • 改进功能 • 减少故障时间 • 准确、可靠的诊断数据 • 可靠的数字传输技术

  8. PROFIBUS 网络的构成 PROFIBUS 主站(一类主站，必需) PROFIBUS 从站 PROFIBUS 网络部件 人机界面设备(二类主站，可选) 中央可编程控制器，如PLC、PC ,支持主站功能的通讯处理器（通信控制和管理） • 分布式I/O、支持DP 接口的传动装置 • 支持从站功能的通讯处理器 • 其它支持 DP 接口的输入、输出或智能设备 • 通信介质—电缆 • 总线部件—总线连接器、中继器、耦合器、链路等 • 经由通讯处理器连接到网络的计算机及编程设备 • 工程及诊断工具 、网络配置、诊断工具

  9. PROFIBUS 协议结构 IEC传输技术保证安全性和直接给现场设备供电。

  10. PROFIBUS 传输技术 PROFIBUS使用两端有终端的总线拓朴。在运行期间，接入和断开一个或几个站不会影响其它站的工作，即使在本质安全区也如此。 提供三种不同的物理层选择： RS 485： 用于DP和FMS（对称传输，称H2） IEC 1158-2： 用于PA（位同步协议，称H1） 光纤： 用于DP和FMS

  11. 数据传输 传输特点（1） 高速（H2），RS 485 依据RS 485，异步NRZ传输 波特率从9.6kBit/s~12MBit/s,可选双绞屏蔽电缆 每段32个站，最多允许127个站 距离：12MBit/s=100m; 1.5MBit/s=400;小于等187.5KBit/s=1000m; 有中继器距离可延长到10公里 9针，D型插头

  12. RS 485传输数据位顺序 每个8位二进数（1字节）按11位的顺序被传输 最小的有效位（LSB）被第一个发送 最大的有效位（MSB）被最后发送 每个八位二进当选都补充三位，即开始、终止和奇偶校验位 此编码原理称NRZ（即 Non Return to Zero)

  13. 传输特点（2） 低速（H1） IEC 1158-2 同步Manchester编码,31.25kBit/s 本质安全（可选）和通过总线对站供电（可选） 屏蔽或非屏蔽的双绞电缆 第段距离达1900米，用中继器可延长到10公里 最多127个站，每段10=32个设备 （依赖于EX类型和供电消耗）本安、防爆、安全栅隔离

  14. PROFIBUS电缆要求-RS 485 参数 电缆类型A 电缆设计 屏蔽双绞线电缆 浪涌阻抗 135~165 回路电阻 110 /km 线径 0.64mm 线截面积 >0.34mm 每单位长度的电容 <30pF/m

  15. PROFIBUS电缆要求-IEC 11582-2 电缆设计： 屏蔽双绞电缆 导线面积： 0.8毫米2(AWG18) 回路电阻： 44 /km 阻抗（在31.25KHz时）： 100 +/-20% 衰减（在39KHz时）： 3dB/km 每单位长度的电容： 2nF/km

  16. 9针D型连接器的针脚分配（为RS 485用） 对PROFIBUS-DP/FMS提供的连接器类型是9针D型连接器插座部分被安装在设备上如果其它连接器能提供必要的命令信号的话，也允许使用

  17. 拓 朴 PUOFIBUS 支持总线型，树型和星型拓朴 这里提供的拓朴是总线型拓朴 在总线型的开头和结尾必须有终端 一段可以由最多32个站组成

  18. 过程自动化典型结构 非

  19. PROFIBUS总线存取协议 1.PROFIBUS 总线访问协议（第二层）对三种PROFIBUS 版本（FMS/DP/PA）均相同 2.这使通令透明和FMS/DP/PA网络区域容易组合 3.因为FMS/DP使用相同的物理介质（RS-485/FO），因此它们能组合在同一根电缆上。 PROFIBUS介质存取控制MAC的基本要求： 在主站间通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务； 在主站和从站间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。

  20. 令牌方式 主从方式 轮询

  21. 总线访问协议的特征（1） 混合总线访问协议: 主站间的逻辑令牌环 主从站间的主从协议 主站: 主站在一个限定时间内（Token Hold Time)对总线有控制权 从站: 从站只是响应一个主站的请求，它们对总线没有控制权

  22. PROFIBUS总线访问协议(FDL)的特征(2) 主站或从站可以在任何时间点接入或断开。FDL 将自动地重新组织令牌环。 FDL层提供4种服务：SDA（发送需确认的数据）、SRD（发送并请求回答的数据）、SDN（发送不要求确认的数据）和CSRD（周期性的发送并请求回答的数据）。 令牌环调度确保每个主站有足够的时间履行它的通令任务。因此，用户必须计算全部目标令牌环时间（TTR）。 持有令牌时间(TTH) = 目标令牌循环时间(TTR) –实际令牌循环时间(TRR) 总线访问协议有能力发现有故障的站、失效的令牌、重复的令牌、传输错误和其它所有可能的网络失败。 所有信息（包括令牌信息）在传输过程中确保高度安全，以免传输错误。海明距离HD=4。

  23. 2 PROFIBUS——DP PROFIBUS—DP 用于设备级的高速数据传送，中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通信。 多数数据交换是周期性的，智能化现场设备还需要非周期性通信进行配置、诊断和报警处理。

  24. PROFIBUS_DP的特点 代替PLC/PC与I/O之间昂贵的电线; 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间<ms; 强有力的工具，减少组态和维护费用; 被所有主要的PLC制造商支持; 有广泛的产品：PLC，PC，I/O，运动器，阀，编码器等; 允许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;

  25. PROFIBUS_DP定义的三种设备类型 DP-1类主设备（DPM1） • 中央控制器，它与分散的I/O设备（DP-从）交换数据； • 允许若干个DPM1，典型的设备是PLC，PC，VME。 DP-2类主设备（DPM2） • 组态、监视或工程工具，它被用来设定网络或参数/监视DP-从设备。 DP- 从设备 • 直接连接I/O信号的外围设备； • 典型的设备是输入、输出、驱动器、阀、操作面板等等。 总线控制器板，嵌入式计算机常用总线。 VME（VersaModule Eurocard）总线是一种通用的计算机总线，它结合Motorola公司Versa总线的电气标准和在欧洲建立的Eurocard标准的机械形状因子，是一种开放式架构。 VME系统的总线分为四大类：数据传输总线、数据传输仲裁总线、优先中断总线和通用总线。数据传输总线是一个高速异步平行数据传输总线，能传输数据和地址信号。

  26. PROFIBUS-DP提供广泛的诊断可能性 诊断信息能快速确定故障的位置。 诊断信息分为三级： 1、与站有关的诊断： 站一般运行状态的信息，如温度过高，电压过低…… 2、与模块有关的诊断： 设备中相关模块的信息，如输出模块 8A有故障…… 3、与通道有关的诊断： 输入或输出某一信号位的信息，如输出线3断了……

  27. 系 统 配 置

  28. 运行模式 在EN50170 Vol.2中定义了DP-主和DP-从的系统行为。 系统行为主要由DP-主站（1类）的系统行为来确定。 DP-主站（1类）区别下列状态： 停止（STOP） 在DP-主和DP-从之间无数据传输。 清除（CLEAR） DP-主读DP-从的输入数据并保持输出在 失效安全状态。 运行（OPEARTE）DP-主处在数据传输段。 在后继的周期中，DP-从的输入被读，且输 出数据被写给DP-从。

  29. 通 信 模 式 • 点对点(用户数据传送)或广播(控制指令) • 循环主—从用户数据传送 • 非循环主—主数据传送

  30. DP-主站和DP-从站间的数据传输 参数化阶段： 从站由DP-主站用现行总线参数、监控时间和从站 的特定参数进行参数化。 组态阶段： DP-主站对DP-从站所需要的配置和现行的配置进行比较。 用户数据传输阶段： 在参数化和组态成功后，DP-从站改变其状态进入用户数据交换阶段。在此阶段，从站的参数化能被更改，而不心中断数据传输。 在这三个阶段中，都可以附加诊断数据和控制命令的传输。

  31. 主—主数据传送 PROFIBUS-DP主-主功能

  32. 控制命令 • 除与用户数据传输有关的站以外，DP-主站可以发送控制命令给一个、一组或全部DP-从站。这些控制命令设计为全局控制（Global-Controls)。它们是： • 输入同步（锁定模式） • 输出同步（同步模式） • 输出清除进入失效安全状态（清除模式）

  33. DP扩展功能 • DP扩展功能允许非循环的读写功能

  34. 设备数据库文件GSD FPOFIBUS-DP 设备的GSD文件（1） • 在GSD文件中，描述每一个FPOFIBUS-DP 设备的特性。 • 每个设备的GSD文件用设备的电子数据单来表示。 • GSD文件包含所有设备的特定参数，如： 支持的波特率 支持的信息长度 输入/输出的数据量 诊断信息的含义 对模拟设备有效的选择 GSD是可读的ASCII文本文件，它包含用于通信的通用的和设备专用的规范。GSD的结构分为3部分：通用规范、主站规范和从站规范。

  35. FPOFIBUS-DP 设备的GSD文件（2） • GSD文件由设备制造商建立。 • 每一个设备类型分别需要一个GSD文件。 • PROFIBUS用户组织提供GSD编辑程序，它使得建立GSD文件非常容易。 • GSD编辑程序包括GSD检查程序，它确保GSD文件符合PROFIBUS标准。 • DPROFIBUS网页（http://www.profibus.com)中构成了一个GSD文件库。

  36. 允许开放配置

  37. RPOFIBUS-DP行规概述（1） 对NC/RC的行规 • 此行规描述许多操作机器和许多装配机器人怎么通过DP来实现控制。 • 根据详细的流程图，从高水平自动化的观点，很容易描述这些机器人的运动和程序控制。 对编码器的行规 • 此行规描述PROFIBUS-DP到编码器的联接，如旋转编码器，角度编码器和线性编码器，两类设备定义基本功能和补充功能。 （如比例尺，中断处理和扩展的诊断）。

  38. RPOFIBUS-DP行规概述（2） 各种速度驱动器的行规 • 知名的驱动技术的制造商都参加了PROFIDRIVE的制订。此行规指出驱动器如何参数化以及设定点和实际值如何被传输，这就使不同制造商的驱动器能相互换。此行规包括必要的速度和位置控制的规范，还说明了对DP或FMS的应用功能联系。 操作员控制和过程监视（HMI）行规 • 简单操作员控制和过程监视设备（HMI）的行规指出这此设备通过PROFIBUS-DP怎样与高层自动化部件连接。此行规使用扩展的PROFIBUS-DP通信功能。

  39. 3 PROFIBUS-PA

  40. 应用范围 PROFIBUS-PA=用于过程自动化的PROFIBUS • 变送器、阀、执行器等等 • 通过串行总线系统连接 • 在化学工业和过程控制中使用 • 通过数据线对现场设备供电 • 在危险区域（EExi型保护区域）应用

  41. PROFIBUS-PA适应所有过程自动化领域 • 对防爆和非防爆区域过程自动化的低端应用，PROFIBUS-PA是优选。 • PROFIBUS-PA完全满足化学工业用户组织（如NAMUR）对数字现场总线的要求。

  42. 采用PROFIBUS-PA技术，PA设备运行在下列防爆区域采用PROFIBUS-PA技术，PA设备运行在下列防爆区域 • Zone 0: 危险的爆炸瓦斯气体经常或长期存在的区域 • Zone 1: 在正常运行期间危险的爆炸瓦斯气体有可能存在的区域 • Zone 2: 不希望在正常运行期间存在危险的爆炸瓦斯气体的区域

  43. PROFIBUS-PA与4—20mA系统的比较

  44. 节省成本的潜力 安装 节省 • 电线 • PLC I/O板 • 安装元件（Ex-/电流隔离器等） • 排列机架 • 空间 • 减少错误 • 减少安装时间

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