PROFIBUS 现场总线技术

PROFIBUS现场总线技术 自动化教研室

现场总线是近几年来迅速发展起来的一种工业数据总线，是一种串行的数字数据通信链路，是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。按照国际电工委员会IEC61158的标准定义，现场总线是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动化控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线”。

现场总线是在生产现场、测控设备之间形成开放型测控网络的新技术，现场总线控制系统既是一个开放式通信网络，又是一种全分布式控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上，作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。现场总线是在生产现场、测控设备之间形成开放型测控网络的新技术，现场总线控制系统既是一个开放式通信网络，又是一种全分布式控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上，作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。

典型现场总线 • 自80年代以来，有几种现场总线技术逐渐形成其影响，并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力，对现场总线技术的发展已经发挥并将继续发挥较大的作用。 1 、PROFIBUS 2、 FF 3、 Lonworks 4、CAN 5、HART

现场总线在自动化系统中的位置

PROFIBUS现场总线概述 • (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-DP（Decentralized 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可取代办24VDC或4-20mA信号传输。(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。(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。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。· 用于PA的IEC1158-2传输。· 光纤

用于DP/FMS的RS485传输技术由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术。这种技术通常称之为H2。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。

RS-485传输技术基本特征 • 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。· 传输速率：9.6K bit/s~12M bit/s · 介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC）。· 站点数：每分段32个站（不带中继），可多到127个站（带中继）。· 插头连接：最好使用9针D型插头。

RS-485传输设备安装要点 (1) 全部设备均与总线连接。(2) 每个分段上最多可接32个站（主站或从站）。(3) 每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端电阻必须永远有电源。(4) 当分段站超过32个时，必须使用中继器用以连接各总线段。串联的中继器一般不超过3个。如图所示：

每个分段上最多可接32个站（主站或从站）

(5) 电缆最大长度取决于传输速率。如使用A型电缆，则传输速率与长度如下表

(6) RS-485的传输技术的PROFIBUS网络最好使用9针D型插头。(7) 当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境（如汽车制造业）下运行应使用带屛蔽的电缆，屏蔽可提高电磁兼容性（EMC）。(8) 如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线来复盖，以保持良好的传导性。另外建议数据线必须与高压线隔离。(9) 超过500Kbit/s的数据传输速率时应避免使用短截线段，应使用市场上现有的插头可使数据输入和输出电缆直接与插头连接，而且总线插头可在任何时候接通或断开而并不中断其它站的数据通信。

用于PA的IEC1158-2传输技术 • (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。(2) IEC1158-2是一种位同步协议，通常称为H1。(3) IEC1158-2技术用于PROFIBUS-PA：· 每段只有一个电源作为供电装置。· 当站收发信息时，不向总线供电。· 每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。· 现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。· 主总线两端起无源终端线作用。· 允许使用线性、树型和星型网络。· 为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段。

IEC1158-2传输技术特性 · 传输速率：31.25K bit/s，电压式。· 电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。· 远程电源供电：可选附件，通过数据线。· 防爆型：能进行本征及非本征安全操作。· 拓扑：线型或树型，或两者相结合。· 站数：每段最多32个，总数最多为126个。· 中继器：最多可扩展至4台。

IEC1158传输设备安装要点 • (1) 分段藕合器将IEC1158-2传输技术总线段与RS-485传输技术总线段连接。藕合器使RS-485信号与IEC1158-2信号相适配。它们为现场设备的远程电源供电，供电装置可限制IEC1158-2总线的电流和电压。(2) PROFIBUS-PA的网络拓扑有树型和线型结构，或是两种拓扑的混合

光纤传输技术 • (1) PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输的距离。(2) 可使用两种光纤导体，一是价格低廉的塑料纤维导体，供距离小于50米情况下使用。另一种是玻璃纤维导体，供距离大于1公里情况下使用。(3) 许多厂商提供专用总线插头可将RS-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成RS-485信号。

PROFIBUS总线存取协议 • (1) 三种PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的总线存取协议。该协议是通过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。(2) 在PROFIBUS中，第二层称之为现场总线数据链路层（Fieldbus Data Link-FDL）。介质存取控制（Medium Access Control-MAC）具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。

(3) PROFIBUS协议的设计要满足介质存取控制的两个基本要求：· 在复杂的自动化系统（主站）间的通信，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。· 在复杂的程序控制器和简单的I/O设备（从站）间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。

PROFIBUS协议模型与ISO/OSI协议模型的关系

PROFIBUS协议结构

PROFIBUS总线存取协议，主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。(4) 令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌）。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。(5) 主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息。

在图中，PROFIBUS总线上的主设备M3获得令牌，即获得了总线控制权，此时，主设备M3与M5进行数据传递，同时M3也可以与从设备S1、S2、S3等进行通信，M3对从设备进行循环查询。当M3主站没有需要发送的帧或在规定时间内发送完了所需发送的帧，或者M3的控制时间终了时，它就将主站令牌传递给下一个主站M5。以后，令牌在M5-M6-M8-M3之间进行传递。

PROFIBUS-DP系统配置和设备类型 • PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接126个站点。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。每个PROFIBUS-DP系统可包括以下三种不同类型设备：(1) 一级DP主站（DPM1）：一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站（如DP从站）交换信息。典型的DPM1如PLC或PC

(2) 二级DP主站（DPM2）：二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。(3) DP从站：DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I/O设备、驱动器、HMI、阀门等）。 • (4) 单主站系统：在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。

电子设备数据文件（GSD） • 为了将不同厂家生产的PROFIBUS产品集成在一起，生产厂家必须以GSD文件（电子设备数据库文件）方式提供这些产品的功能参数（如I/O点数、诊断信息、波特率、时间监视等）。标准的GSD数据将通信扩大到操作员控制级。使用根据GSD文件所作的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。

GSD文件可分为三个部分：(1) 总规范：包括了生产厂商和设备名称、硬件和软件版本、波特率、监视时间间隔、总线插头指定信号。(2) 与DP有关的规范：包括适用于主站的各项参数，如允许从站个数、上装/下装能力。(3) 与DP从站有关的规范：包括了与从站有关的一切规范，如输入/输出通道数、类型、诊断数据等。

网络结构 操作员站工程师站以太网 412-2DP Profibus-DP总线编程站触摸屏 315-2DP DP/ASI网关 ET200 软启动变频器各控制对象 ASI总线接近开关光电开关 LOGO 4I/4O LOGO 控制对象

最上一层为SIEMENS工业以太网，该网络上有两台计算机，分别为工程师站和操作员站，工程师站安装有监控软件《组态王》运行狗，负责整个监控系统的运行；同时作为OPC服务器，负责与Profibus主站---西门子S7400系列可编程CPU412-2DP交换数据，使《组态王》的变量与PLC中的各个控制点关联起来

工程师站、操作员站、CPU412-2DP是通过SIEMENS工业以太网电气链路模块（相当于HUB）6GV1 105-3AA0互相连接通讯；其中工程师站和操作员站分别装有SIEMENS专用工业以太网卡CP1612；而CPU412-2DP则是通过CP443-1工业以太通讯模块连接。（该模块的作用相当于PLC的以太网卡），同时CPU412-2DP是OPC客户端。在以太网中是通过各站点的IP地址来标识身份的，本系统的IP地址分别为：工程师站：140.80.0.10操作员站：140.80.0.11 • CP443-1：140.80.0.3

第二层为Profibus-DP现场总线网，各站点是通过DP地址来标识身份的，本系统的各站点地址分别为：主站CPU412-2DP其DP地址为2，挂在DP总线上的各从站点分别：CPU315-2DP其DP：3第二层为Profibus-DP现场总线网，各站点是通过DP地址来标识身份的，本系统的各站点地址分别为：主站CPU412-2DP其DP地址为2，挂在DP总线上的各从站点分别：CPU315-2DP其DP：3 • 远程I/O ET200M其DP：4，变频器其DP：5，DP/ASI网关其DP地址为：6，CP5613其DP：0（系统规定，一般不允许更改），触摸屏其DP：1（系统规定，一般不允许更改）

第三层为ASI现场总线网，通过DP/ASI网关（IM153）与DP网相连，该网关同时作为ASI主站，ASI总线的特点是结构简单，两线信号即是电源回路也是信号回路（类似于两线制传感器的工作方式），可连接31个ASI从站，每站点最大传输点为4I/4O，比较适合于一些简单的检测器件和执行机构的组态，本系统中的ASI从站有以下几个：带ASI接口模块的西门子LOGO两块，4I/4O模块一块，带ASI接口的光电开关和接近开关各一只；一个LOGO用于控制挖土机，另一个用于控制天车；ASI各从站的地址通过专用的ASI手持编址器进行设定。

西门子工业以太网 • 西门子工业以太网其本质上与传统的以太网一样，只是其硬件都是工业级专用，如网卡、网线、链路模块（HUB）等；PLC连接以太网是通过以太网通讯模块来实现（如上所述），采用标准的TCP/IP通讯协议，10M带宽，硬件结构见下图：

S7400PLC 以太网通讯模块CP443-1 PC Station 2 CP1612 Profibus-DP PC Station 1 CP1612 链路模块（HUB） 6GV1 105-3AA0

西门子CPU412-2DP和CPU315-2DP都带有两个通讯口，一个为MPI另一个为DP，在出厂时，新的PLC其MPI地址和DP地址都为2，因此在CPU首次使用时，若系统中DP总线上有两个以上的CPU就必须先对每个CPU进行单独DP地址设置，否则系统将报错，地址重复。CP5613既可设置为DP也可设置为MPI，先将CP5613设置为MPI方式，然后用一根两端装有总线接头的DP电缆（注：电缆和总线接头MPI和DP是一样的）一端插在CP5613上，另一端插在PLC的MPI口上，通过STEP7就可以和PLC连接上了，此时通讯占用MPI口，DP口被自由释放，可以修改地址。西门子CPU412-2DP和CPU315-2DP都带有两个通讯口，一个为MPI另一个为DP，在出厂时，新的PLC其MPI地址和DP地址都为2，因此在CPU首次使用时，若系统中DP总线上有两个以上的CPU就必须先对每个CPU进行单独DP地址设置，否则系统将报错，地址重复。CP5613既可设置为DP也可设置为MPI，先将CP5613设置为MPI方式，然后用一根两端装有总线接头的DP电缆（注：电缆和总线接头MPI和DP是一样的）一端插在CP5613上，另一端插在PLC的MPI口上，通过STEP7就可以和PLC连接上了，此时通讯占用MPI口，DP口被自由释放，可以修改地址。

本系统就是通过此方式将CPU412-2DP的DP地址设置为2，CPU315-2DP的DP地址设置为3，ET200M、变频器的DP地址通过其自身拨码开关设置，网关和触摸屏可通过其设置按键设置。一般情况下，为保证系统的通讯可靠，修改DP的地址，DP的通讯速率等参数均采用系统的默认值（1.5Mbps），这样一致性好，且不会出错。本系统就是通过此方式将CPU412-2DP的DP地址设置为2，CPU315-2DP的DP地址设置为3，ET200M、变频器的DP地址通过其自身拨码开关设置，网关和触摸屏可通过其设置按键设置。一般情况下，为保证系统的通讯可靠，修改DP的地址，DP的通讯速率等参数均采用系统的默认值（1.5Mbps），这样一致性好，且不会出错。

当硬件连接好后，主要是通过STEP7软件中的管理器来组态各硬件之间的关系。首先在管理器中建立各个站（这里主要是指建立各类型主站），本系统各类型主站分别为：S7300 Station、S7400 Station、PC Station (5613)、PC Station 1 (1612)、PC Station 2 (1612)，然后再分别对每个站进行硬件配置，此处必须与实物对应，包括具体的槽位、各组件的产品序列号等，当配置PLC的CPU时，系统会自动提示网络选择。

注意：本系统的DP主站CPU412-2DP，而CPU315-2DP也是主站类型PLC，在硬件设置时要将其改为从站，此时系统会要求你选择和主站的数据交换方式，选择MS方式，即主从方式，再设置相应的数据交换区间以及长度，这里的交换区间是指PI和PQ，S7300和S7400都有此两个称之为外部输入输出的交换区，交换数据的方式是交叉的，区间定义好了后，S7300和S7400的数据交换就会通过DP总线自动进行，无须编写通讯程序，如下图所示：注意：本系统的DP主站CPU412-2DP，而CPU315-2DP也是主站类型PLC，在硬件设置时要将其改为从站，此时系统会要求你选择和主站的数据交换方式，选择MS方式，即主从方式，再设置相应的数据交换区间以及长度，这里的交换区间是指PI和PQ，S7300和S7400都有此两个称之为外部输入输出的交换区，交换数据的方式是交叉的，区间定义好了后，S7300和S7400的数据交换就会通过DP总线自动进行，无须编写通讯程序，如下图所示： • S7300和S7400通过DP的主从方式交换数据：

一般存储区 I、Q、M等一般存储区I、Q、M等外部输入存储区 PI 外部输入存储区 PI 外部输出存储区 PQ 外部输出存储区 PQ S7400PLC S7300PLC

例如： • 当设置了S7300的PQW100与S7400的PIW100交换数据 • S7400的PQW100与S7300的PIW100交换数据 • 在S7300中PQW100的状态会自动同步反应在S7400的PIW100上，在S7400中对PQW100的操作将自动同步反应在S7300的PIW100中，也就是说在主站S7400中通过PI反应从站的状态，通过PQ操作从站。

ASI工业现场总线 • DP/ASI网关其实就是一个通讯适配模块，它负责DP与ASI的通讯，同时做为ASI主站管理ASI总线上的各个站；网关上有几个用于显示状态的双色指示灯和设置按钮，能反映网关自身的工作状态以及各站的状态，通过设置按钮可设置网关的DP地址以及查看各个站.

建立一个S7-300硬件组态实例操作

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